灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基載荷沉降試驗研究

高繼章

（中國有色金屬工業西安勘察設計研究院有限公司，陜西西安 710054）

0 引言

濕陷性黃土土質均勻、結構疏松，與水相遇后，會出現極大的附加下沉［1-2］。在濕陷性黃土區域搭建建筑時，需要考慮黃土濕陷性的危害。目前，灰土擠密樁已經廣泛應用到濕陷性黃土地基處理過程中。為了優化地基的穩定性，需要通過試驗觀察灰土擠密樁處理后地基的載荷沉降變化特點，基于載荷沉降試驗結果指導后續工程施工。

為了更好地了解實際地基工程的承載性能，劉夢捷等在工程現場安裝土壓力計、位移傳感器等設備，并開展現場靜載試驗，獲取設備監測數據后繪制荷載沉降曲線圖，以此來了解處理后的復合地基沉降特點［3］。楊以國等以加樁加固后的復合地基為研究對象，分別在不同幅值循環荷載條件下，觀察有、無土工格柵的地基沉降數據，根據載荷沉降試驗結果了解地基的整體性能是否得到優化［4］。杜戰軍等提出在地基處理結束后，在施工現場布置多個沉降監測點，向試驗樁不斷施加載荷，觀察地基沉降變形測量數據，以此來了解處理后地基的承載性能［5］。

以上方法均未在浸水和非浸水條件下對比進行荷載沉降試驗，獲得的承載性能結果無法完全展現濕陷性黃土地基的承載性能。為了更科學全面地研究灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基后的地基沉降變化，本文針對穿越濕陷性黃土區段的民小公路展開地基載荷沉降試驗，采用灰土擠密樁處理該路段典型濕陷性黃土地基，選擇幾根試驗樁并在附近埋設沉降管，在非浸水與浸水兩種條件下分別施加載荷。對比非浸水、浸水條件下沉降數據變化情況，以此來體現灰土擠密樁地基處理方法對濕陷性黃土地基沉降的改善效果，有利于灰土擠密樁地基處理施工方法的應用和推廣。

1 工程地質條件及設計

本次載荷沉降試驗研究針對的民小公路，起點和終點分別為青海省海東市民、平安縣小峽，公路總長度為118.25 km，屬于青海省交通發展規劃路網中的關鍵施工項目，會對省經濟發展產生直接的促進作用。針對該公路的施工區域進行調查發現，公路的一半以上都建設在濕陷性黃土區段，該區段包含200余座的涵洞。為了保證公路的穩定性，在濕陷性黃土地基施工過程中需要重點控制沉降變形問題。

以處于Ⅲ級濕陷性黃土場地的K14+335 工點為例，該工點區域開闊平整，浸水概率高，濕陷性黃土地基很容易受到環境影響出現大幅沉降。青海省土木工程測試研究所于2022 年8 月10 日進行人工開挖分析，了解具體的地層結構，并繪制地層剖面（圖1）。

圖1 試驗工點地層剖面Figure 1 Stratigraphic section of test site

由圖1可知，工點地下主要包含卵石土、砂質黃土、黏質黃土、黃土狀土4層土層。在工點所在區域每間隔1m 采集地基土樣品，經過室內土工1h 試驗后，得到表1所示的物理力學參數。

表1 地基土主要物理力學參數Table 1 Main physical and mechanical parameters of foundation soil

根據力學參數試驗結果和規范規定進一步分析，可以確定工點處地基土體屬于Ⅲ級自重濕陷性黃土。該工點上存在兩個涵洞，其具體設計尺寸如表2所示。

表2 涵洞尺寸Table 2 Culvert dimensions

為了避免濕陷性黃土區域的涵洞地基出現不均勻沉降變形，保證公路的穩定性，在施工過程中采用長度為6.0m，寬度為0.4 m 的灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基，如圖2所示。

圖2 灰土擠密樁處理地基示意Figure 2 Schematic diagram of lime-soil compaction pile treating foundation

按照圖2 所示的方法完成地基處理后，實現濕陷性黃土土層的加固。為了觀察地基此時的穩定性，開展載荷沉降試驗研究。

2 試驗方法

由于浸水情況發生后，濕陷性黃土地基會出現明顯沉降，為了更好地驗證灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基載荷沉降變化，本研究分別在浸水和非浸水條件下進行荷載沉降試驗。浸水條件下灰土擠密樁地基沉降試驗，需要先在試驗區域布置多個浸水試坑［6-8］，在K14+335 工點區域選定9 根灰土擠密樁作為試樁，形成一個長方形試坑［9-11］，在試坑外圍區域布置10 個深度為5m 的滲水坑，并在每個滲坑底鋪設0.1 m 厚砂礫，地基載荷沉降試驗區域如圖3所示。在灰土擠密樁中間區域布置9個沉降觀測標點，每個觀測點分別埋設沉降管，進行載荷沉降試驗，時間為10d。

圖3 沉降觀測標點分布Figure 3 Distribution of settlement observation punctuation points

按照圖3 所示的分布圖完成浸水試坑挖掘后，為了保證水資源向試坑四周均勻下滲，設置每個滲水孔的孔徑統一為0.1m。在進水條件下進行灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基載荷沉降試驗時，需要不斷向試坑內注水，保證沉降觀測區域地基土體的含水率符合要求。

無論是浸水載荷沉降試驗還是未浸水載荷沉降試驗，在操作過程中都采用柔性載荷模式。在沉降觀測區域放置一個厚度為20cm的全覆蓋橡膠板，在橡膠板上應用油壓千斤頂施加不同程度的荷載，模擬柔性荷載情況［12-13］。利用柔性荷載模擬方式，分別向實驗區域施加100、150、200、250、300、350、400、450、500kN 荷載，再觀察處理后地基沉降變化情況。

為了快速獲取不同條件下地基沉降數據，采用分層沉降管觀測地基沉浸情況，具體沉降管埋設步驟如圖4所示。

圖4 沉降管埋設Figure 4 Embedding of settling tube

沉降管埋設過程，可以直接劃分為5個環節：其一是在埋設沉降管之前，挖掘出一個大于分層沉降管直徑的鉆孔，并保證挖掘深度大于沉降管埋設深度。其二，在工程鉆探機鉆到目標深度后，連接水泵向鉆孔不斷放水，直到鉆孔涌出清混水停止灌水操作，將鉆機提出。其三，按照分層沉降管的結構將購買的沉降管零件組裝起來。如圖4a、圖4b 所示。在沉降觀測標點埋置分層沉降管與沉降磁環，將安裝后的沉降管下放到鉆孔內，并使用螺絲將定位環固定好?？紤]到預期磁環間隔為2m，在沉降管埋設過程中不斷調節管子長短和定位環，確保磁環向下監測的沉降距離符合沉降試驗要求。其四，如圖4c所示在沉降管安裝調整結束后，選擇部分現場干黃土填入鉆孔，保證分層沉降管固定在目標區域。最后，如圖4d 所示在不同載荷模擬條件下，利用其進行沉降數據觀測。

由于上述觀測數據只代表地基某個觀測點的沉降情況，在濕陷性黃土地基載荷沉降試驗研究過程中，為了更好地體現灰土擠密樁處理后地基整體沉降情況，基于沉降觀測數據可以計算出地基平均沉降值［14-15］，計算過程如公式（1）所示。

式中：S表示地基平均沉降量，mm；S1、S2、S3表示任選的三個試樁的沉降量，mm；t表示時間，min；S0表示滿載時初始沉降量，mm；α、δ 表示地基、荷載相關的常數；e為底數。

3 結果分析

3.1 非浸水條件下

按照上文提出的地基載荷沉降試驗方法進行操作，每一級別的荷載施加完成后，都需要在第5、15、25、35、45和60min讀取一次沉降數據，之后都是每間隔60min 讀取一次沉降數據，當兩次連續得出的沉降數據之差小于0.1mm，即可停止沉降測試，取最終沉降測量結果。以任意選定的三個試驗樁為例，將其在不同荷載下地基試樁累計沉降量變化情況表示為圖5。

圖5 非浸水條件下試樁載荷沉降曲線Figure 5 Load settlement curve of test pile under non-immersion conditi

根據圖5可知，在非浸水條件下，隨著載荷的增加試樁沉降不斷增大。施加荷載低于100 kPa 時，試樁的沉降增加值較小，只是從0 增加到1.5mm。但在100kPa后，地基試樁沉降量迅速增大。尤其在荷載達到400 kPa 以后，載荷沉降曲線進入陡降段，最終三個試樁的最大沉降值分別為54.1、57.3、60.5mm。

3.2 浸水條件下

在浸水條件下進行地基載荷沉降試驗研究時，需要先了解含水率對地基沉降的影響，得到含水率為10%、30%和50%時地基沉降云圖，如圖6所示。

圖6 不同含水率下地基沉降云圖Figure 6 Nephogram of foundation settlement under different moisture content

由圖6可知，在不同含水率條件下，灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基沉降情況存在很大差異。本次試驗研究過程中，在滲水坑不斷灌水，使得地基含水率總是保持在50%左右，并觀察選定的三個試驗樁此時在不同載荷下的沉降情況，得到圖7 所示的沉降變化曲線。

圖7 浸水條件下載荷沉降曲線Figure 7 Load settlement curve under immersion condition

由圖7 可知，三個試驗樁浸水條件下載荷沉降曲線變化幅度相仿，證明灰土擠密樁施工質量相近。浸水條件下，向處理濕陷性黃土地基施加350 kPa荷載后，沉降曲線進入“陡降段”。

3.3 非浸水與浸水條件下沉降對比

根據非浸水條件、浸水條件下的試樁載荷沉降值，計算處理后濕陷性黃土地基的平均沉降，得到表3所示的對比結果。

表3 非浸水與浸水條件下地基平均沉降對比Table 3 Comparison of average settlement of foundation under non-immersion and immersion conditions

由表3 可知，浸水條件下地基荷載沉降值總是大于非浸水條件，尤其在荷載達到500 kPa 后，非浸水地基平均沉降為57.3 mm，浸水地基平均沉降為71.2 mm。二者之間的差距不大，且此時灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基載荷沉降大大低于200 mm，滿足公路穩定性施工要求。

4 結語

很多工程施工環境都屬于濕陷性黃土，在遇到降水后極易出現沉降問題，基于灰土擠密樁的地基處理方法得到了廣泛應用。為了驗證該地基處理方法的實踐應用效果，本文針對灰土擠密樁處理濕陷性黃土地基進行載荷沉降試驗研究，觀察地基沉降變形規律，以此來優化工程施工方案。