工程实例-冲击成孔灰土挤密桩在处理某工程地基湿陷事故中的应用
工程概要
位于Ⅲ级自重湿陷性黄土场地上的某工程，由附房、候车大厅（以下简称大厅）、连廊、食宿楼四部分组成，见图3-17。大厅为排架结构，高9.5m，跨度 15m，预制钢筋混凝土排架柱与薄腹梁，柱下为钢筋混凝土杯形独立基础，墙下为条形混凝土基础。附房为一层，高3.05m，连廊一层，高3.0m，食宿楼五层，高16.3m，均为砌体结构。基础均采用墙下条形砖砌基础，基础埋深2.0m。地基处理为开挖或局部土垫层，土垫层厚度 2.0m，垫层范围自基础边缘外放1.5m。附房 、大厅、连廊和食宿楼由伸缩缝分割，基础相连，未设沉降缝。
该工程于1981年建成使用，1993年后相继发现地面与墙体出现不同程度的裂缝。裂缝主要集中在大厅正.立面和地面、连廊及食宿楼东段墙体上。墙体裂缝以斜向为主，大厅正立面装饰柱以水平裂缝为主.正立面人口台阶形成反坡。裂缝宽度—般为2~8mm.最大的10mm 以上。以裂缝的部位及走向初步分析，系大厅、连廊和食宿三部分地基的不均匀变形所致。经调查与勘察结果分析，证明引起建筑地基不均匀变形的主要原因是管道破裂漏水，屋面漏水渗透及场地排水不畅等原因，使局部地基大量受水浸湿。其次，原地基处理深度不足，剩余湿陷量过大，以及大厅、连廊和食宿楼各自的体量和刚度相差较大，但设计未设沉降缝，则是引起地基大幅度湿陷及墙体开裂破损的内在因素。
分析了解该工程地基沉陷事故的原因后，经方案论证比较，由于冲击法成孔机具小.便于在建筑物内部及近旁施工;灰土桩既有挤密作用，又有加固效果，施工振动影响较小，有利于既有建筑物加固。决定采用冲击成孔的灰土桩挤密法加固处理。
3.5.2 工程地质条件
为了切实掌握地基土质的情况，使地基处理方案设计有据可依，重新进行了工程地质补充勘察。
补充勘察资料表明，该场地位于祖厉河东岸Ⅱ级阶地，地质构造较为单一，土层自上而下分布为∶杂填土层，厚3.3～4.75m;黄土状粉土（Q?-al），勘察最大厚度11.06m（未穿透本层），土质较均匀，大孔发育。鉴于场地东西两侧区域受水浸湿的情况有明显差异.土的物理力学性质指标出入较大，现将浸水严重的东侧和未浸水或少量浸水的西侧区域土的主要物理力学性质指标分别列入表3-7中，以便分析对比。
从表3-7可明显看出，建筑物东侧地基因受水浸湿，土的含水量平均增大4.4%，压缩性从原先的中等转为高压缩性，压缩模量从11MPa（西侧）降低为 5MIPa;地基的承载力标准值降低为80kPa，与西侧相比，承载力减少了50%。同时由于含水量增大，土的湿陷系数（δ。）、总湿陷量（△、）、自重湿陷系数（δ）和计算自重湿陷量（△）均有所降低，西侧仍属Ⅲ级严重自重湿陷性黄土地基，而东侧降低为Ⅱ级自重湿陷性地基。显然，东侧地基虽已浸湿并产生了沉陷，但土的湿陷性和自重湿陷性尚未完全消失，若再继续浸水时，沉陷仍将发生，建筑物的不均匀沉降和开裂有可能进一步加剧。因此，采取地基加固措施.保证不再发生沉陷是十分必要的。
3.5.3 设计计算
一、加固方案选择
既有建筑物地基加固的方法很多，在黄土地区多数以消除地基土的湿陷性和提高承载力为主要目的。结合本T程，先后提出了旋喷法、硅化法、托换法和挤密桩法等几种方案。经反复分析论证各方案的技术经济效果，以及其在当地的可行性，最后优选出灰土桩挤密法在基础侧旁加固的方案，成孔采用冲击法施工，灰土桩采用较小的桩径（d=0.30mm）。其加固作用机理如下∶
（一）较小桩径的冲击成孔灰土桩，既有利于在建筑物内外施工，又可实施冲孔与夯填二次挤密桩间土，挤密效果较好，而振动影响较小。由灰土柱与桩间挤密土共同组成人工复合地基（加固体），靠近基础的灰土桩对基础范围内土体也有一定的加固作用<挤密减水和离子交换等）。
（二）基础外围构成灰土桩挤密加固体.具有防止地基十侧向挤出、卸荷、提高地基的承载力与变形模量，以及起防水唯幕等方面的作用。工程经验证明.这一排固方式的技术效果在黄土地基中是明显的，同时其施工简便易行;对建筑物使用的影响较小。
二、灰土桩设计
灰土桩以冲击法成孔，对地基分两次扩孔挤密。先用冲击锤在土中油击成一直径0.18~0.20m的土孔（一次挤密），然后填人灰土，再用夯锤夯扩挤密，使在土桩的桩径达约0.30m（二次挤密）。设计桩径 d=0.30m。在已发生明显沉陷区域及建筑物发生裂缝较为严重的地段，沿基础周边布1~2排桩，桩距0.7m〈相当于2.33d），桩长8.0m。另在距建筑物 2.0m沿东面及北面设3排桩.桩距0.70m.正三角形布桩，桩长10.0m，桩孔填料均为3∶7 灰土，构成灰土桩挤密土体防水墙。布桩平面如图3-18所示。
施工顺序要求由外向里，由两头向中间，同一基础两侧对称进行，桩孔灰土的压实系数不低于0.95。为保证质量，抽样检验桩数不少于总桩数的2%，且每台班不少于一个桩。地基处理完成后，及时将室内外散水及排水系统及设施完善。防止水分继续浸人跳基。
3.5.4 施工方法
冲击法成孔是土桩及灰土桩成孔的主要方法之一。在新建工程中，一般是用冲击钴机将特制的1.0~3.2t 锥形冲击锤头提升0.5~2.0m 高度后，自由下落，在土中反复冲击成孔，冲孔直径可达0.50~0.60m（大干锤径约1.5倍）.孔深可到 20m左右。然后在孔内填入素土或灰土，用同一机械夯实成桩。一般常用冲击法施工的程序如图3-19所示。
冲击法成孔.桩孔深度不受机架高度的限制，孔深可达 20m左右.对处理大厚度的湿陷
性黄土地基特别适用，同时夯填质量较好，有的还可二次扩孔挤密，因此在国外早已广泛应用。国内可能因在大厚度湿陷性黄土地区建筑的工程较少，同时也受到施工机械条件的限制，目前使用很少。
对既有建筑沉降事故的地基加固，我国甘肃地区采用了小型冲击成孔灰土桩挤密法，已在多处工程加固中应用，收到了良好的技术经济效果，本工程即是一例。
本工程所用小型成孔法施工，其工艺如图3-20所示。冲击锤杆质量约0.25～0.30t，落距1.0~2.0m，由电动卷扬机带动，反复冲击，在土中造成直径0.18~0.20m的小桩孔;然后向孔内填入灰土，每次填约0.25~0.30t，虚填土层厚度约0.8~1.0m，再用冲击夯锤夯实8～12次，夯至厚度约0.4m.。由于夯击能量较高，桩孔扩大到0.3m左右，同时夯实后灰土的干密度和压实系数较大。
3.5、5 质量检验
施工.中按 2%抽检灰土桩的夯填质量，桩身灰土的压实系数均符合或超过设计要求。同时桩间土的测试结果表明，加固前场地东侧土的含水量为 16.1%～27.3%，平均值为22.6%，而加固后土的含水量平均降低了5.3%。地基土的湿陷性消除，承载力大幅度提高。由此可见，灰土桩挤密法的加固效果和吸水效果是显著的。
建筑物沉降观测结果表明.从加固开始到加固结束，三个月内的沉降量为 2~7mrn，平均沉降量为5.1mam.沉降已趋于稳定，墙体裂缝处所贴石膏片未再出现裂纹。
3.5.6 技术经济效果
冲击成孔灰土桩挤密法侧旁加固既有建筑地基，施工机具小巧，工艺简便易行，可在较小范围和空间内机动作业，施工振动及噪声较小，较少影响建筑物的正常使用。灰土桩挤密法加固地基，具有消除湿陷性，提高地基承载力和变形模量，以及吸水与防渗等作用，技术效果显著可靠，是-种实用经济的地基加固方法。甘肃地区正在多处建筑物沉陷事故中，采用这种方法加固黄土地基，均获得了满意的技术经济效果。以本工程为例，若采用旋喷桩法或化学注浆法等，其费用可能增高一倍，工期也需延长;其次对环境的污染和对使用的影响也远超过灰土桩挤密法。