黄雪峰, 韦林辉, 张吉禄, 张沛然

(1. 兰州理工大学 土木工程学院, 甘肃 兰州 730050; 2. 重庆交通大学 土木工程学院, 重庆 400074)

湿陷性黄土是指在上覆土层的自重应力和建筑物附加应力综合作用下,受水浸润后,土的结构迅速破坏,并发生显著附加沉降,强度也迅速降低的黄土[1-2],其主要表现为地基发生湿陷变形、沉降(包括不均匀、整体沉降),造成地基承载力大幅度下降.湿陷性黄土上部建筑结构物会产生裂缝,严重影响其安全使用[3].目前国内工程实践中消除黄土地基湿陷性问题主要有三大方法:土体挤密法、土体加固法、桩基础法[4-5].螺杆桩是在施工过程中采用桩机钻具旋转挤压土体,泵压混凝土成桩,从而能够显著提高地基承载力.相较于其他处理方式,螺杆桩复合地基具有地基承载能力较高、施工速度快、低污染、能较好地消除黄土地基湿陷性问题等优势.目前国内外学者也对处理湿陷性黄土地基进行着不断深入的研究,其中包括桩-土相互作用下湿陷性黄土特性[6]、挤密桩桩体的应力-应变关系、桩的受力特性及破坏状态[7-8]、吸力对黄土湿陷变形的影响[9]以及单桩承载力计算方法[10]等研究.特别是近年来,相关学者通过对螺杆桩的数值分析,进一步拓宽了桩-土相互作用研究领域,如桩细观工作机理离散元数值模拟[11]、竖向荷载下螺杆桩沉降函数解及有限元分析等.

虽然以往许多学者对挤密桩法处理原状湿陷性黄土做过大量的现场试验和数值模拟的研究,但目前从试验研究方面而言,螺杆桩在湿陷性黄土地区的地基处理效果缺乏相对应的评价研究,仅少数挤密桩法的评价研究可供参考[12-13],相应的评价研究对于实际工程来说都具有重要的指导意义.本次依据陕西省某湿陷性黄土地基处理,通过设计不同桩心距的螺杆桩,开展室内外挤密处理效果试验,以期为相关规范的制定和编写提供依据和参考.

1 试验方案确定

1.1 试验区工程概况

试验地区为陕西省宝鸡市渭滨区清姜路神农园一带.该区地处陕北黄土高原,建筑场地类别为Ⅲ类场地,平面呈矩形,长约100 m,宽约60 m,湿陷性等级为Ⅲ级,现场试验实物图见图1.

图1 现场试验实物Fig.1 Physical drawing of field test

试验区场地经过初步整平后,开挖出建筑所需要的基坑.经勘测,拟建场地的地层主要为第四系风积粉质黏土层,0～9 m为粉质黏土,土样除浅层(0～1.5m)颜色呈深褐色外,其余土层多呈灰褐色;含水量适中,为可塑状;部分区域在4～8m处含有有机质,偶见姜结石,姜结石粒径约为2 cm;土样密实度在0～4 m处为稍密,4～8 m处为中密；0～3 m孔隙较发育.

勘测期间未见地下水.根据地方水文地质资料,所处试验区内地下水位于自然地平下10 m深度以下,无不良地质现象.

1.2 试验设备

螺杆桩试验采用的主要设备包括:1) 成孔设备:DCB80-20L履带式打桩机.DCB80-20L履带式打桩机体重较轻,可忽略打桩过程中由于其自重对土体产生先期固结的影响.2) 取样设备:环刀、洛阳铲.3) 室内试验设备:GZQ-1型全自动气压固结仪(开展湿陷性变形试验研究)、76 g圆锥液(测定界限含水率)、塑限联合测试仪、轻型击实仪(开展击实试验,确定最优含水率及最大干密度).

1.3 试验方法

本次试验以室内外试验为手段,测定现场黄土地基土体的基本物理性质参数;对现场黄土地基处理前后干密度、湿陷性变化特征进行对比分析,拟合出相关变化规律,提出定量变化参数.现场试验点布置情况见图2.根据建筑规范[14],桩身设计直径d=600 mm,桩长9 m,桩位按正三角形布置.探井共设置4个片区(A、B、C、D),其中D片区未作处理作为对照,以测得原始湿陷量与干密度；A～C组各由探井旁3根螺杆桩作为1个试验组,其中A组桩心距1 500 mm,记为:探井2.5D；B组桩心距1 800 mm,记为:探井3.0D；C组桩心距2 100 mm,记为:探井3.0D.探究螺杆桩在3组不同桩心距下的密度变化以及湿陷性系数变化情况,并进行桩体取样试验.试验步骤为:场地布点,对各片区按设计分别在桩侧(距离螺杆桩外表面50 mm)、距桩心1/4位置、距桩心1/2位置以及三桩中心(ZX)处采用人工掏孔.沿深度方向每隔1 m进行环刀取样处理.1/2位置及三桩中心(ZX)处掏取标准尺寸的土块,现场削样处理后,放置于带有减震板的专用箱,运送至实验室进行土常规及湿陷变形试验处理,湿陷变形试验荷载条件分0.2 MPa、0.3 MPa和饱和自重三种情况.通过室外现场的样本采集,并在室内进行土的常规试验和湿陷性试验.对于土样的测试结果汇总见表1.

图2 试验现场布置Fig.2 Test site layout

表1 基本物理性质参数Tab.1 Basic physical property parameters

2 试验结果及数据分析

螺杆桩在浇筑完成 21 d 后,进行现场试样采集、室内外试验，对数据进行汇总.现将试验分为3个方面研究,即对含水率、干密度、湿陷性在处理前后的变化进行对比分析.通过研究螺杆桩的桩间距、桩间水平距离的变化,来分析现场黄土地基处理前后含水率、干密度的变化情况.通过研究饱和度、液性指数的变化,来分析现场黄土地基处理前后湿陷性的变化情况,进而进行螺杆桩在湿陷性黄土地区的地基处理效果的评价研究.

2.1 地基土含水率的变化及分析

探井2.5D、3.0D、3.5D试验取样点布置位置见图2.其土性指标土粒比重、湿密度、含水率、干密度、饱和度、孔隙比、重度等所测数据处理结果见表1.图3为2.5D探井含水率随桩深度变化的情况,由于3.0D以及3.5D探井含水率的变化趋势同2.5D探井基本类似,因此以2.5D为例,详细分析含水率的变化趋势及原因.

图3 质量含水率随深度变化曲线Fig.3 Curve of mass moisture content varying with depth

由土工试验可得土粒比重为2.71,符合关中地区黄土的力学特征.表1中探井2.5D的湿密度在1.73～2.04 g/cm3,幅值在0.31 g/cm3，含水率在18.4%～24.5%之间变化,增幅在6.1%,表明不同深度处地基土体的含水率相差较大.就整体而言,该场地探井含水率普遍较高,但通过调查当地水文地质情况发现当地地下水偏低且天气干燥,含水率高的原因则可能是因螺杆打桩机的工作对土体的上拔作用以及打桩前夕的降雪.因此,若采用质量含水率则试验结果偏差较大,在后续的湿陷变形试验研究中将不同程度地影响试验结果及湿陷量，故对含水率分析采用体积含水率.两者转化公式如下:

θω=ω·ρd

式中:θω为体积含水率；ω为质量含水率；ρd为土样干密度.

从图3可以看出,探井的含水率分布随深度呈现震荡变化.就整体而言,探井以及原状坑的不同深度含水率平均值在21%左右,且4组探井在深度方向含水率也大致呈现先增加后降低再增加的趋势.

图4为体积含水率-深度变化曲线以及体积含水率-深度变化拟合曲线.对同一探井不同深度而言,在深度较浅处(0～3 m)原状初始坑的体积含水率略高于探井同一深度处桩侧的体积含水率；在深度较深处(3～8 m)原状初始坑的含水低于探井同一深度处的体积含水率,且随着深度的增加体积含水率在不断减少；在取样点底端(8～9 m)探井体积含水率又有所反弹,略高于原状初始坑的体积含水率.

图4 2.5D体积含水率-深度曲线Fig.4 Curves of 2.5D volumetric moisture content varying with depth

分析导致含水率有上述变化的主要原因:根据当地天气资料显示,在3组探井开挖前有降雨和降雪过程,雪水渗入地下致使前3 m深度含水率普遍高于同一深度处原状坑的含水率.对于底端含水率出现反弹,究其原因:1) 探井周围,螺杆桩在成桩时,底端成桩较大,对桩周土挤密效应更加明显.2) 桩底处接近地下水水位线,由毛细作用而导致含水率较其他位置偏大.

其次,相同探井同一深度处体积含水率沿水平方向都有不同程度的降低,即大致存在体积含水率桩侧>1/4处>1/2处>桩心>天然,这种规律表明挤密桩对桩周土有明显挤密效果,能明显改善地基土的工程特性,达到消除地基湿陷性的目的,但其效果随水平距离的增加而衰减.本次试验若运用质量含水率则并不能得出相应规律.通过上述结果可知,在螺杆桩消除地基湿陷性评价中应将体积含水率作为一个不可忽视的影响因素.

2.2 地基土干密度的变化及分析

对3个试验探井(2.5D、3.0D、3.5D)和天然探井内不同深度，以及相对应的不同距离处进行现场采样,后经过室内土工试验(击实试验)测定,做(干密度-含水率)击实曲线,见图5.

图5 击实曲线Fig.5 Compaction curves

由图5可知,经击实试验测定，最大干密度为1.62 g/cm3所对应的最优含水率为20.3%.

为了进一步探究螺杆桩对桩侧土地基干密度的影响情况,现以2.5D探井为例,对2.5D探井内同一深度处不同水平距离、同一探井不同深度处数据进行处理,得到干密度-水平距离变化曲线、干密度-土层深度变化曲线，见图6.

图6 现场探井干密度随水平距离、深度变化曲线Fig.6 Curves of dry density variation with horizontal distance and depth

对于土样干密度随水平距离的变化曲线,从图中不难看出,不同深度的干密度大多位于最大干密度和天然干密度之间，即高于天然干密度而低于最大干密度,表明螺杆桩的挤密效果明显.

同一深度处土样干密度沿水平方向的变化(如图6a),除少数点离散外基本符合递减的趋势,桩心处干密度较1/2D处略有增大趋势；浅层取样点干密度只在2～3 m范围干密度-水平距离曲线位于其他深度的最下端,表明浅层深度处土体的干密度较低,而在0～2 m处则没有出现这种情况, 究其原因:

1) 浅层深度土体在挤密桩施工时,存在一定的出土现象,土体孔隙比增大,即在螺杆桩施工时带出了一部分浅层土体[15]；随着深度增加,这种因施工造成的问题逐渐消失.

2) 0～2 m深度范围浅层土中水的蒸发作用明显,导致含水率下降，进而导致土体较 2～3 m深度干密度偏低.

3) 2～3 m范围内的土体湿度较大,不利于土体的挤密压实(双电层效应,自由水较多).

同一探井内(2.5D)不同深度处干密度沿水平方向的变化(图6b)大致符合先减小后增大的趋势,并且沿水平方向4个取样位置干密度明显大于相同深度处对照组天然干密度.这说明,桩周土在进行挤密的时候沿着深度和水平方向并不是等值不变的.因此在进行螺杆桩对湿陷性黄土挤密效果评价时对不同位置处应进行相应的折减,使得评价结果更加接近现实情况.

为了进一步定量化分析干密度随水平距离的变化特征,绘出3个探井(2.5D、3.0D、3.5D)9 m深度范围内干密度平均值线性拟合分析曲线,并与最大干密度和天然干密度对比分析,见图7.从图7可以看出:平均干密度都介于最大干密度和天然干密度之间,说明在螺杆桩桩侧、1/2D、1/4D及桩心不同深度处均有一定的挤密效果.

图7 平均干密度-水平距离变化拟合曲线Fig.7 Fitted curves of average dry density-horizontal distance

在同一探井间距下，随着取样点在桩侧水平距离的不断增大,干密度越来越小；在同一取点不同探井间距处,间距越大干密度越小,即桩间距越小挤土效果越好.拟合值随桩间距增大而降低,处理效果不断下降.

干密度随桩间水平距离的变化关系可表示为:ρd=A-BL,A、B随桩间距而变化,L为桩间水平距离.三种桩心距的线性拟合公式如下:

2.3 地基土湿陷性结果对比及分析

为探究螺杆桩消除湿陷性的效果,以2.5D探井为例,对现场土样分别进行了0.2、0.3 MPa以及饱和自重情况下湿陷性系数的测定.图8为2.5D探井湿陷系数随深度的变化曲线.从图8可以看出:9 m深度范围内,3个探井的湿陷性在3个荷载(0.2、0.3 MPa,饱和自重)下的湿陷系数多数小于0.015,即未发生湿陷变形；而原始天然探井土样的湿陷性出现了大于0.015,即发生了湿陷变形;另外,随着试验荷载的增加土体的湿陷性越小,即更不易发生湿陷.相同深度处,随着桩间距的减小土体依旧不容易发生湿陷,说明随着水平距离的不同,螺杆桩的挤密效果也不一样.因此在进行湿陷性评价时应考虑不同水平距离对试验结果造成的影响.

图8 2.5D湿陷系数-深度变化曲线Fig.8 2.5D variation curves of collapsibility coefficient-depth

在湿陷性评价时不可忽视的关键参量无外乎于土体的含水率和干密度.从图中可以看出:除0～3 m范围内,浅层深度土体受螺杆桩施工扰动影响出现隆起现象使上部土体孔隙增大而导致土样湿陷系数大于天然土样湿陷系数外,由于探井含水率一直保持较高水平,土体已完成大部分湿陷变形(增湿变形),因此就整体而言,在9 m范围内拟合曲线湿陷系数随深度的增加总体上是在逐渐减小,在桩体影响范围内螺杆桩对消除桩周土的湿陷性确有显著效果.

3 影响湿陷性的相关因素

为了进一步综合探究同一场地上螺杆桩的挤密作用对消除黄土地区湿陷性的影响,现对更具规律性的饱和度以及液性指数进行参数研究.

图9为2.5D不同压力下湿陷系数与饱和度变化关系曲线,具有如下特征:

图9 Sr-δs 曲线Fig.9 Fitted curves of Sr-δs

1) 随着饱和度的提高,在3种压力作用下湿陷系数随着饱和度的增加而减少.这表明土的湿陷性会随着饱和度的增加而减少,并且随着饱和度的增加,土体在增湿时的变形能力减小.

2) 当饱和度在相对较小时,曲线变化较为剧烈,数值较大时曲线较为平缓,甚至接近一条水平线.这表明:在饱和度相对较小时,湿陷系数对于饱 和度的变化较为敏感；随着饱和度的提高,敏感性逐渐降低.

3) 在相同饱和度不同压力条件下,湿陷变形系数随着压力的增加而增加.压力由自重到200 kPa变化时湿陷系数变化较明显;当压力继续增大,由200～300 kPa变化时湿陷系数也略微增加但变化并不明显,即敏感性逐渐降低.综上,通过上述结果及分析湿陷系数变化情况可知,螺杆桩消除地基湿陷性评价中应将饱和度作为一个参考变量.

图10为2.5D探井200 kPa压力下湿陷系数与液性指数变化关系曲线.

图10 Sr-IL曲线Fig.10 Fitted curves of Sr -IL

图11为2.5D探井1/2D处液限含水量wL-饱和理论含水量比与e的变化关系曲线.

图11 wL/饱和含水量与e的变化关系曲线

根据液限指数IL与土的软硬状态的划分,将IL对湿陷系数的影响划分为3个阶段,当IL较小(IL≤0)即土处于坚硬状态时,随着IL的增大,湿陷系数变化较为明显,称之为陡降段；当IL继续增大(0

图8和图9分别为饱和度与液性指数对湿陷性系数的影响,就其影响本质而言,两者不尽相同,即两者都与黄土的水敏性[16]有关.由图8、图9可以看出,虽然饱和度及液性指数对湿陷性黄土的影响具有相同的趋势,但由图11对比分析可知,两者并不能进行等价替换.

分析原因:陈正汉等[17]揭示了吸力对黄土湿陷变形的影响[9],在非饱和土力学中,一般也用饱和度来描述吸力的变化.除了砂土以外,多数情况下土中存在着大量封闭的微小孔隙,对于这些孔隙,除非将土体结构完全破坏,否则孔隙内将不会渗入水,因此饱和度存在一定的“盲区”.事实上在试验中,土体难以达到100%饱和,且在液限含水量下,土呈现流塑状态,此时其孔隙水压力应当为0或者处于较小的正值范围内.因此,虽然目前饱和度用得较普遍,但用液性指数可能对描述黄土湿陷有更好的控制效果.

当采用不同的参数进行螺杆桩处理湿陷性黄土评价时要考虑的侧重点不同,饱和度分析侧重于压力的影响，而液性指数则更加全面地考虑了土中孔隙的影响.

4 结论

通过对工程场地开展现场试验研究，及对试验成果的分析与评价,得出以下结论与建议:

1) 经螺杆桩处理后的地基特性与传统挤密桩法处理后的结果基本一致,即处理后的黄土复合地基黄土湿陷性明显消除.

2) 由于成桩工艺的特殊性,干密度随着桩侧水平距离的增加由大变小,桩心距越小挤密效果越好；湿陷系数随深度增加呈现减小趋势.

3) 在评价含水率对湿陷性的影响时,若采用质量含水率则易受外界环境影响,且在湿陷变形试验研究中会不同程度地影响试验结果及湿陷量,故在螺杆桩消除湿陷性黄土地基评价试验研究中对含水率的分析建议采用体积含水率.

4) 在一定压力下,饱和度相对较低时湿陷系数变化较剧烈,湿陷变形量较大,在饱和度相对较高时湿陷系数变化较平缓,湿陷变形量较小.螺杆桩消除地基湿陷性评价中只考虑压力的影响时应将饱和度作为一个考核变量.

5) 多数情况下土中存在着大量封闭的微小孔隙,饱和度存在一定的“盲区”,土体难以达到100%饱和,且在液限含水量下,土呈现流塑状态,此时其孔隙水压力应当为0或者处于较小的正值范围内.因此,在考虑土中空隙的影响时,较饱和度采用液性指数描述更加精确.