灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基载荷沉降试验研究

高继章

（中国有色金属工业西安勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710054）

0 引言

湿陷性黄土土质均匀、结构疏松，与水相遇后，会出现极大的附加下沉［1-2］。在湿陷性黄土区域搭建建筑时，需要考虑黄土湿陷性的危害。目前，灰土挤密桩已经广泛应用到湿陷性黄土地基处理过程中。为了优化地基的稳定性，需要通过试验观察灰土挤密桩处理后地基的载荷沉降变化特点，基于载荷沉降试验结果指导后续工程施工。

为了更好地了解实际地基工程的承载性能，刘梦捷等在工程现场安装土压力计、位移传感器等设备，并开展现场静载试验，获取设备监测数据后绘制荷载沉降曲线图，以此来了解处理后的复合地基沉降特点［3］。杨以国等以加桩加固后的复合地基为研究对象，分别在不同幅值循环荷载条件下，观察有、无土工格栅的地基沉降数据，根据载荷沉降试验结果了解地基的整体性能是否得到优化［4］。杜战军等提出在地基处理结束后，在施工现场布置多个沉降监测点，向试验桩不断施加载荷，观察地基沉降变形测量数据，以此来了解处理后地基的承载性能［5］。

以上方法均未在浸水和非浸水条件下对比进行荷载沉降试验，获得的承载性能结果无法完全展现湿陷性黄土地基的承载性能。为了更科学全面地研究灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基后的地基沉降变化，本文针对穿越湿陷性黄土区段的民小公路展开地基载荷沉降试验，采用灰土挤密桩处理该路段典型湿陷性黄土地基，选择几根试验桩并在附近埋设沉降管，在非浸水与浸水两种条件下分别施加载荷。对比非浸水、浸水条件下沉降数据变化情况，以此来体现灰土挤密桩地基处理方法对湿陷性黄土地基沉降的改善效果，有利于灰土挤密桩地基处理施工方法的应用和推广。

1 工程地质条件及设计

本次载荷沉降试验研究针对的民小公路，起点和终点分别为青海省海东市民、平安县小峡，公路总长度为118.25 km，属于青海省交通发展规划路网中的关键施工项目，会对省经济发展产生直接的促进作用。针对该公路的施工区域进行调查发现，公路的一半以上都建设在湿陷性黄土区段，该区段包含200余座的涵洞。为了保证公路的稳定性，在湿陷性黄土地基施工过程中需要重点控制沉降变形问题。

以处于Ⅲ级湿陷性黄土场地的K14+335 工点为例，该工点区域开阔平整，浸水概率高，湿陷性黄土地基很容易受到环境影响出现大幅沉降。青海省土木工程测试研究所于2022 年8 月10 日进行人工开挖分析，了解具体的地层结构，并绘制地层剖面（图1）。

图1 试验工点地层剖面Figure 1 Stratigraphic section of test site

由图1可知，工点地下主要包含卵石土、砂质黄土、黏质黄土、黄土状土4层土层。在工点所在区域每间隔1m 采集地基土样品，经过室内土工1h 试验后，得到表1所示的物理力学参数。

表1 地基土主要物理力学参数Table 1 Main physical and mechanical parameters of foundation soil

根据力学参数试验结果和规范规定进一步分析，可以确定工点处地基土体属于Ⅲ级自重湿陷性黄土。该工点上存在两个涵洞，其具体设计尺寸如表2所示。

表2 涵洞尺寸Table 2 Culvert dimensions

为了避免湿陷性黄土区域的涵洞地基出现不均匀沉降变形，保证公路的稳定性，在施工过程中采用长度为6.0m，宽度为0.4 m 的灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基，如图2所示。

图2 灰土挤密桩处理地基示意Figure 2 Schematic diagram of lime-soil compaction pile treating foundation

按照图2 所示的方法完成地基处理后，实现湿陷性黄土土层的加固。为了观察地基此时的稳定性，开展载荷沉降试验研究。

2 试验方法

由于浸水情况发生后，湿陷性黄土地基会出现明显沉降，为了更好地验证灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基载荷沉降变化，本研究分别在浸水和非浸水条件下进行荷载沉降试验。浸水条件下灰土挤密桩地基沉降试验，需要先在试验区域布置多个浸水试坑［6-8］，在K14+335 工点区域选定9 根灰土挤密桩作为试桩，形成一个长方形试坑［9-11］，在试坑外围区域布置10 个深度为5m 的渗水坑，并在每个渗坑底铺设0.1 m 厚砂砾，地基载荷沉降试验区域如图3所示。在灰土挤密桩中间区域布置9个沉降观测标点，每个观测点分别埋设沉降管，进行载荷沉降试验，时间为10d。

图3 沉降观测标点分布Figure 3 Distribution of settlement observation punctuation points

按照图3 所示的分布图完成浸水试坑挖掘后，为了保证水资源向试坑四周均匀下渗，设置每个渗水孔的孔径统一为0.1m。在进水条件下进行灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基载荷沉降试验时，需要不断向试坑内注水，保证沉降观测区域地基土体的含水率符合要求。

无论是浸水载荷沉降试验还是未浸水载荷沉降试验，在操作过程中都采用柔性载荷模式。在沉降观测区域放置一个厚度为20cm的全覆盖橡胶板，在橡胶板上应用油压千斤顶施加不同程度的荷载，模拟柔性荷载情况［12-13］。利用柔性荷载模拟方式，分别向实验区域施加100、150、200、250、300、350、400、450、500kN 荷载，再观察处理后地基沉降变化情况。

为了快速获取不同条件下地基沉降数据，采用分层沉降管观测地基沉浸情况，具体沉降管埋设步骤如图4所示。

图4 沉降管埋设Figure 4 Embedding of settling tube

沉降管埋设过程，可以直接划分为5个环节：其一是在埋设沉降管之前，挖掘出一个大于分层沉降管直径的钻孔，并保证挖掘深度大于沉降管埋设深度。其二，在工程钻探机钻到目标深度后，连接水泵向钻孔不断放水，直到钻孔涌出清混水停止灌水操作，将钻机提出。其三，按照分层沉降管的结构将购买的沉降管零件组装起来。如图4a、图4b 所示。在沉降观测标点埋置分层沉降管与沉降磁环，将安装后的沉降管下放到钻孔内，并使用螺丝将定位环固定好。考虑到预期磁环间隔为2m，在沉降管埋设过程中不断调节管子长短和定位环，确保磁环向下监测的沉降距离符合沉降试验要求。其四，如图4c所示在沉降管安装调整结束后，选择部分现场干黄土填入钻孔，保证分层沉降管固定在目标区域。最后，如图4d 所示在不同载荷模拟条件下，利用其进行沉降数据观测。

由于上述观测数据只代表地基某个观测点的沉降情况，在湿陷性黄土地基载荷沉降试验研究过程中，为了更好地体现灰土挤密桩处理后地基整体沉降情况，基于沉降观测数据可以计算出地基平均沉降值［14-15］，计算过程如公式（1）所示。

式中：S表示地基平均沉降量，mm；S1、S2、S3表示任选的三个试桩的沉降量，mm；t表示时间，min；S0表示满载时初始沉降量，mm；α、δ 表示地基、荷载相关的常数；e为底数。

3 结果分析

3.1 非浸水条件下

按照上文提出的地基载荷沉降试验方法进行操作，每一级别的荷载施加完成后，都需要在第5、15、25、35、45和60min读取一次沉降数据，之后都是每间隔60min 读取一次沉降数据，当两次连续得出的沉降数据之差小于0.1mm，即可停止沉降测试，取最终沉降测量结果。以任意选定的三个试验桩为例，将其在不同荷载下地基试桩累计沉降量变化情况表示为图5。

图5 非浸水条件下试桩载荷沉降曲线Figure 5 Load settlement curve of test pile under non-immersion conditi

根据图5可知，在非浸水条件下，随着载荷的增加试桩沉降不断增大。施加荷载低于100 kPa 时，试桩的沉降增加值较小，只是从0 增加到1.5mm。但在100kPa后，地基试桩沉降量迅速增大。尤其在荷载达到400 kPa 以后，载荷沉降曲线进入陡降段，最终三个试桩的最大沉降值分别为54.1、57.3、60.5mm。

3.2 浸水条件下

在浸水条件下进行地基载荷沉降试验研究时，需要先了解含水率对地基沉降的影响，得到含水率为10%、30%和50%时地基沉降云图，如图6所示。

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

由图6可知，在不同含水率条件下，灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基沉降情况存在很大差异。本次试验研究过程中，在渗水坑不断灌水，使得地基含水率总是保持在50%左右，并观察选定的三个试验桩此时在不同载荷下的沉降情况，得到图7 所示的沉降变化曲线。

图7 浸水条件下载荷沉降曲线Figure 7 Load settlement curve under immersion condition

由图7 可知，三个试验桩浸水条件下载荷沉降曲线变化幅度相仿，证明灰土挤密桩施工质量相近。浸水条件下，向处理湿陷性黄土地基施加350 kPa荷载后，沉降曲线进入“陡降段”。

3.3 非浸水与浸水条件下沉降对比

根据非浸水条件、浸水条件下的试桩载荷沉降值，计算处理后湿陷性黄土地基的平均沉降，得到表3所示的对比结果。

表3 非浸水与浸水条件下地基平均沉降对比Table 3 Comparison of average settlement of foundation under non-immersion and immersion conditions

由表3 可知，浸水条件下地基荷载沉降值总是大于非浸水条件，尤其在荷载达到500 kPa 后，非浸水地基平均沉降为57.3 mm，浸水地基平均沉降为71.2 mm。二者之间的差距不大，且此时灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基载荷沉降大大低于200 mm，满足公路稳定性施工要求。

4 结语

很多工程施工环境都属于湿陷性黄土，在遇到降水后极易出现沉降问题，基于灰土挤密桩的地基处理方法得到了广泛应用。为了验证该地基处理方法的实践应用效果，本文针对灰土挤密桩处理湿陷性黄土地基进行载荷沉降试验研究，观察地基沉降变形规律，以此来优化工程施工方案。