摘要 太原铁路枢纽新建太原南站为高铁车站，本文结合新建太原南站站场路基地基处理工程，介绍了灰土挤密桩加固铁路路基地基的施工方法、施工工艺、质量检测等，达到了提高路基地基承载力和消除黄土湿陷性的目的。
关键词 灰土挤密桩 湿陷性黄土 地基处理施工技术
1工程概况
太原铁路枢纽新建太原南站工程，位于太原晋中盆地，属于洪积平原，地质条件较差，地基承载力为100kpa，一般地段为I-II级非自重湿陷性黄土，个别地段为II-III级自重湿陷黄土。
根据设计要求，太原南站路基、站台、框架桥等工程地基需要加固处理，当湿陷层小于3m时全部挖除湿陷层并换填灰土，当湿陷层大于3m时采用灰土挤密桩处理，桩长穿透湿陷层以下不小于1m。桩径400mm，桩距1m，正三角形布置，桩长5m-15m，总桩数65000根，共计80万延米。灰土挤密桩身三七灰土压实系数不小于0.97，桩间土的最小挤密系数不小于0.88，平均挤密系数不小于0.93，加固处理后的地基要求湿陷性系数＜0.015，地基承载力≥180kpa。
2灰土挤密桩的工程特性
灰土挤密桩是由桩间挤密土和填夯的桩体组成的人工“复合地基”，可消除黄土的湿陷性，降低可压缩性，提高地基承载力。
2.1灰土挤密桩的作用
灰土桩是采用机械挤密成孔，采用3：7灰土填充夯实，石灰产生吸水、膨胀、发热以及离子交换和凝硬等反应，使桩柱硬化，并改善原地基土的性质，使土的强度显著提高，并具有一定的水稳性。
2.2灰土挤密桩的有效性
首先，灰土挤密桩具有降低基底下一定深度内桩间土中应力的作用，在桩间土挤密后其湿陷性没有完全消除的情况下，如果土中应力不超过其湿陷起始压力，则地基浸水后仍可能不产生湿陷或仅产生小量湿陷。其次，灰土挤密桩对桩间土起着侧向的约束作用，约束桩间土局部受压时产生的侧向挤出变形，使压力与沉降始终呈线性关系。
2.3灰土挤密桩的简便性
2.3.1适用于建筑物密集、施工场地狭窄土方大量开挖困难场地，对于邻近建筑物及地基无安全使用方面的影响。
2.3.2以土治土，就地取材，材料来源广泛。
2.3.3施工机具简单。所用施工机具比较简单，制作费用低，便于推广应用。
3材料的选择
土料：尽量就地挖取纯净的黄土或一般粘性土，严禁使用有机质含量大于8%的表层耕土、淤泥质土、盐渍土、膨胀土或夹有砖块瓦砾的杂填土。土料使用前过筛，粒径不大于15mm，含水量接近最优含水量±3%之间，不能含有冻土块。
石灰：使用生石灰消解符合国家III级以上标准，活性Cao+Mgo含量不低于70%。石灰贮存时间不超过3个月，使用前24小时浇水粉化，其粒径应小于5mm。
灰土：将满足质量要求的消石灰和纯净黄土，按灰土3：7的体积比，在接近最优含水量的情况下采用集中拌和法拌合而成。
4灰土挤密桩施工方法及工艺
4.1施工准备
4.1.1调查地质和环境条件。
详细调查分析工程地质报告、钻探资料、地基土和桩孔填料的击实试验资料、土质均匀性和含水量变化情况；详细研究平面定位图，基础和桩孔布置施工图；调查邻近区域的净空、地下管线、地下构筑物、相邻建筑物的资料。
复核地基土的含水率、饱和度，当地基土的含水率小于12％或大于24％、饱和度大于65％时，及时通知设计单位予以确认，由设计单位确定是否变更设计。
4.1.2拟定施工技术措施
根据施工平面图标明桩孔位置和编号、施工顺序、机械运行路线、临时设施和材料堆放位置；确定成孔夯实机械和质量检查机具，编制劳材计划；制定保证施工质量的安全及冬雨夜施工措施。
4.1.3成孔挤密试验和预浸水措施
当场地内土质变化较大或土的含水量超过22%时，施工前进行成孔试验以便查明成孔质量和挤密效果。成孔试验在同类土质地段内不得少于2组。
若场地内的土的含水量低于14%，可采用人工预浸水湿润法使土的含水量接近最优含水量。预浸水可采用水畦和深层浸水孔（每隔1-2m用洛阳铲挖出直径8cm和深度为浸水土层深底3/4的浸水孔，内填小石子）相结合的方式。浸水后1―3天即可开始正式施工。
4.2成孔挤密
成孔方法分为沉管法和冲击法两种，根据地基土的物理性质、桩孔深度、机械设备条件和施工经验等因素选定。
4.2.1成孔施工顺序
先外后里，隔排隔行，间隔2孔跳打，即从整片挤密地基的外边线向里成孔，间隔二孔或数孔施工，成孔后及时检查桩孔质量，观察有无缩颈、回淤或渗水等现象并作好记录。已成桩孔要尽快回填夯实，以防止土块和杂物落入孔内。
对于处理深度不同的地基，成孔时先深后浅，对于基础埋深不一致的场地，成孔时先浅后深，一般情况下，成孔遍数为四遍，即间隔两孔施打，视现场具体情况必要时可加大间隔，增加遍数。
4.2.2工艺流程图
4.2.3沉管成孔
沉管法是最常用的成孔方法，孔壁光滑规整，挤密效果和施工技术容易控制和掌握，但沉管成孔的最大深度受到桩架高度的限制，一般不超过8m。
沉管法成孔主机由15t履带吊改制而成，用以带动柴油锤及导向架，桩管挂在导向架上。作业时将导向架桩管吊起，然后就位施打，打到设计深度时吊起桩管，从地下拔出。导向架由角钢分段焊接法兰盘连接。导向架上焊接柴油桩锤轨道，长度一般为20m。沉管选用壁厚≥10mm的无缝钢管焊接成，管径根据设计桩径选择，沉管桩尖做成45°～60°锥角，管身标记入土深度的标志。桩锤选用200～250kN导杆式打桩机或筒式柴油打桩机。
沉管施工技术要点：桩机就位必须平稳，不发生移动或倾斜，桩管应对中桩孔；在开始阶段应轻击慢沉，待桩管方向稳定后再按正常速度沉管；桩管沉至设计深度后应及时拔出，不宜在土中搁置时间过久，拔管困难时可用水浸润桩管周围土层或将桩管旋转后拔出；成孔后要及时检查桩孔质量，观测孔径和深度偏差是否超过容许值，轻微缩颈可削扩至能够满足填夯施工。
成孔出现反常现象的原因及处治方法：(1)桩锺回跳过高或桩管沉入速度过慢或桩管贯入度过小，可能是由于土的含水量偏低或土质密实坚硬或土层内有砂石或砖渣层，可强行穿越或清除后穿越或不予越过。(2)桩管贯入度过大或桩锤无法起跳爆发或沉入速度过快，可能是由于土质松软或桩管直径偏小。处治方法：如土质松软，可拔出桩管填入非粘性土料再沉管挤压；如桩管直径偏小，可考虑改换桩管。
4.2.4冲击法成孔
本法特别适用处理自重湿陷性厚度较大的土层，成孔深度不受机架高度限制，可达20m以上。
采用液压步履式行走底盘，起吊装置为门式架及卷扬机，用以吊起桩锤后自由落体冲击地基土成孔。作业时，利用卷扬机及门式架将桩锤吊起一定高度，然后突然切断卷扬机离合器让桩锤自由落体至地面，反复冲击，直至达到设计深度。桩锤采用无缝钢管焊接而成，内部采用混凝土等重物灌实，以增加桩锤重量。
施工技术要点：为防止孔口破坏和保证冲击锤头准确入土，钻机上安装钢管导向器，钢管壁厚10mm以上，内径略大于锤头直径；开孔时应低锤勤击，锤头全部入土后再按正常冲程锤击，一般不宜多用高冲程，以免引起坍孔、扩孔事故；必须准确控制松绳长度，既要少松、勤松，又要免打空锤；经常检查钢丝绳磨损情况，卡扣松紧程度，转向装置是否灵活，以免突然掉锤；钢丝绳上应有长度标志，以便观测和掌握冲孔的深度。钢丝绳安全系数≥12，长短绳连接卡扣不得少于3个。
4.3桩孔填夯
夯实机主要采用偏心轮夹杆式连续夯实机和卷扬机提升式夯实机。
4.3.1偏心轮夹杆式连续夯实机
利用两个对称的直径约500mm的转盘，转盘留设缺口，当转盘转动时，两个转盘夹住夯锤末端的竖杆向上提升，当转盘转到缺口处时，转盘无法再夹住夯锤，夯锤自由下落夯实填料，回填桩孔所用的夯锤用铸钢制成，底面采用倒置抛物线锥体或尖锥形，锤重宜在300～400kg，其最大直径应比桩孔直径小10～16cm。
该机优点是结构简单和行走方便，缺点是靠摩擦力提升夯锤和锤重偏小，必须严格控制每次填料数量，较难保证夯实质量。
4.3.2卷扬机提升式夯实机
夯实机可安装在翻斗车上行走，卷扬机提升力一般不小于夯锤重量的1.5倍，锤重可达300kg，落距1-3m。
该机优点是夯击能量大，一次可填入较多的土料，夯实效果较好。缺点是人工操作，劳动强度大。
4.3.3填夯施工
填夯前进行填夯试验，以确定每次合理的填料数量和夯击次数，根据夯实质量标准确定检测方法应达到的指标。
挤密成孔后待检查合格立即回填夯实，夯填的次序是先底夯，保证有效处理深度，底夯一般要8击以上，听到清脆锤声为止，再开始填料夯实，每次分层填料厚度、夯锤高度、夯击锤数根据试桩取得的参数确定。每层听到清脆锤声，再进行上一层填料夯实。
三孔间土的平均挤密系数满足设计要求，人工填料指定专人按规定数量均匀填进，不能盲目乱填，严禁直接倒料入孔。夯填料的密实度满足设计要求，桩孔填夯高度应高出设计桩顶标高。
5质量检验
5.1检验内容包括：桩点位置、桩孔质量、挤密效果和填夯质量。其中以填夯质量检验为重点。
5.2桩点位置需检查轴线、标高和位置是否与图纸相符。
5.3桩孔质量需检查桩径、垂直度和深度是否在容许偏内，有无缩颈、回淤、坍土和渗土情况。
5.4挤密效果需在三个桩孔构成的挤密单元内，按天然土层或1.0―1.5m为一层取出土样，测试土的干容重及压实度，然后计算桩间平均压实系数。
5.5填夯质量检测
采用随机抽样检查法，检查数量不少于桩孔总数2%，常用检查方法有以下四种。
5.5.1轻便触探检验法
通过填夯试验求得触探锤击数N10和填料系数D之间的关系曲线，按设计要求的D值定出轻便触探检验的“检定锤击数”，施工检验时以实际锤击数不少于“检定锤击数”为合格。由此关系曲线图也可推测量出填料的压实系数D值。此项检验，宜在桩孔夯实后24小时内进行。
5.5.2小环刀深层取样检验法
采用洛阳铲在桩体中心铲孔，从基础底面起每隔1―1.5m用带有长杆的小环刀分层取出原状土样，测试其干容重和压实系数。
5.5.3开剖取样检验法
开剖桩体分层（每层1―1.5m）取样试验，每层取样不少于2个。
5.5.4夯击能量检验法
填料的压实系数D与施加给单位桩体的夯击能N之间具有对数关系，其表达式为D=a+blogN。如果锤重已定，则夯击能主要决定于填料的数量、夯锤实际落距（当夯锤提升高度一定时两者互成反比关系）和夯击次数。因此，只要测出夯锤的实际落距和击数就可算出单位桩体的夯击能。
检验后，如果20%不符合要求，则应采取补救措施，如加桩或用小桩管二次挤密等方法。
6结束语
太原南站站场地基灰土挤密桩处理加固工程， 2010年5月开工，2011年4月完工。通过试验检测，地基成孔挤密后达到一定压实系数的桩间挤密土，其力学性质明显改善，与天然状态土相比，压缩系数从0.033-0.061降低为0.009 -0.016,从高―中压缩性降低为中―低压缩性，湿陷系数从0.037-0.0113减小为0.003 -0.016，湿陷性已经消除或接近消除。挤密地基在容许荷载作用下其变形模量也比天然地基变形模量大2―4倍，灰土挤密桩地基的变形模量高达21―36Mpa。因此，采用灰土挤密桩处理加固湿陷性黄土地基是非常有效的。
参考文献:《地基处理手册》.中国建筑工业出版社.1998年
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。