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高铁湿陷性黄土路基水泥土挤密桩施工塌孔原因分析及应对措施研究

发表时间：2021/6/1 来源：《基层建设》2021年第1期作者：段彦志

[导读] 摘要：本文针对水泥土挤密桩施工中出现的塌孔问题，通过分析及实验，形成防塌孔的有效措施及塌孔处理的质量保证措施。

        中铁七局集团西安铁路工程有限公司陕西西安 710000
        摘要：本文针对水泥土挤密桩施工中出现的塌孔问题，通过分析及实验，形成防塌孔的有效措施及塌孔处理的质量保证措施。
        关键词：高铁；湿陷性黄土；水泥土挤密桩；塌孔；二次成孔；洛阳铲、柴油锤、冲程
        1 引言
        湿陷性黄土是一种特殊性质的土，其土质较均匀、结构疏松、孔隙发育。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小。在较大荷载或遇水浸湿的作用下，湿陷性黄土很容易出现湿陷、沉降等问题。水泥土挤密桩是一种经济、高效处置湿陷性黄土的施工工艺，但是在施工过程中经常会出现塌孔现象。如果不能采取有效措施解决塌孔问题会直接影响工程质量，造成后期地基不均匀沉降，威胁到高速铁路运营的安全。
        本文结合中兰客专（甘肃段）某项目湿陷性黄土路基地基处理施工，阐述了水泥土挤密桩施工过程中塌孔的原因分析及应对措施。
        2 工程概况
        项目位于白银市白银区和兰州市皋兰县境内，起终点里程DK190+632.4～DK213+998.275，正线长度23.366km，路基共计18段长度6.796km。路基工点内地层岩性主要为第四系上更新统风积层（Q3eol）砂质黄土，下伏白垩下统（K1）砂岩。特殊岩土主要为黄土和松软土。第四系上更新统风积层砂质黄土具有湿陷性，各段湿陷土层厚约1m～22m，属于Ⅱ级（中等）～Ⅳ级（很严重）自重或非自重湿陷性黄土场地。设计采用水泥土挤密桩地基处理措施，设计参数为桩长3~8m，桩间距1m，桩径0.4m，正三角形布设。在进行试桩过程出现了塌孔现象，塌孔深度0.5～4.2米。
        3 水泥土挤密桩施工塌孔原因分析
        现场用D40型导杆柴油锤打桩机进行成孔，打桩机气缸最大冲程3m，为了加快施工进度现场采用最大冲程进行成孔。施工顺序按照隔排隔行，间隔1孔跳打的方案进行实施。场地平整后，根据平面布置图及桩间距定出桩位，并做好引桩和护桩，保证桩位的准确。做好原地面标高测量工作，以便挤密桩标高和桩长控制。
        3.1 柴油打桩机振动过大引起塌孔
        柴油锤打桩机工作原理为柴油喷入汽缸燃烧室内形成雾化，受高压高温后燃爆产生强大压力驱动锤头工作，爆发力向下冲击使钢管下沉，向上顶推、汽缸回升，形成循环冲击。由于柴油锤打桩机自身成孔的机理，打桩时钢管对地层的冲击力引起土体振动从而导致塌孔。
        3.2 成孔过程对邻孔的挤压力过大导致塌孔
        水泥土挤密桩施工由柴油锤打桩机成孔，是将带有锥头的钢管打入土中成孔并使土层挤密，在未往孔内夯填入水泥土形成桩之前，新成孔过程中的土体挤压容易造成周边成孔塌孔。
        3.3 桩身垂直度偏差引起塌孔
        由于拔管过程中的力是竖直向上，沉管如果是倾斜状态在拔管过程中钢管会受到F1、F2、F3、g四个方向的力和摩擦力。由于力是相对的土体会受到除摩擦力外的水平方向作用力F4、F5。水平方向作用力容易破坏土体颗粒之间的粘聚力导致塌孔。此外水平方向的作用力还增加土体和钢管的摩擦力这也增大了塌孔的体积及数量。采取办法保证钢管的垂直度是减少塌孔的重要措施。

        图3-1 拔管时钢管、土体受力简图
        3.4 地层的原因
        从塌孔的土体中取样观察可以发现样品的含砂率很大。湿陷性黄土中存在含砂率高、土体粘聚性小的地层，是导致塌孔的重要原因。
        4 减少挤密桩施工塌孔方法的措施和试验
        通过对塌孔问题的原因分析项目部有针对的制定了多项措施并进行验证。
        4.1 调整设备参数和加强施管理减少塌孔
        1）之前柴油锤采用3m冲程施工冲击力强震动大，现场通过调节油门将柴油锤控制在2.5m冲程进行施工减少震动。
        2）现场水泥土堆放距施工区域不小于5m，上料采用小型装载机进行上料减少扰动。
        3）对已成孔，应防止雨淋受潮，尽快回填夯实。
        4）打桩机至设计深度时要停留5S左右再提起沉管，提管的过程要匀速缓慢。
        4.2 调整施工工艺增大空孔间距减小挤压
        原方案采用隔排隔行，间隔1孔跳打，成孔后立即回填。优化后的方案采用增加间隔距离的方式进行调整，即采用隔1行隔2列的工序施工，以减少邻孔之间互相挤压造成相邻孔缩孔或坍塌。

        图4-1 原方案施工顺序          图4-2 优化后施工顺序
        现场按照隔1行隔2列的方案重新进行了试桩，挤密桩塌孔的数量和孔内坍塌土体的量比原方案明显减少。具体情况如下表所示。
        方案优化前后成孔塌孔情况对比表        表4-1

        4.3 采取措施保障沉管的垂直度减少塌孔
        1）施工前应查清土质是否均匀以及地下障碍物的分部情况，并挖出障碍物防止影响沉管的垂直度。施工场地应当整平并用压机碾压4~6编。
        2）桩机就位，使沉管尖对准桩位，调平扩桩机架，使桩管保持竖直。用线坠吊线检查桩管垂直度，确保垂直度偏差不大于1.5%。
        3）施工中应加强观察，一旦发现桩管倾斜率超过1.5%应及时停止沉管，并将管拔出，待孔中填入土料后重新复打。
        4.4 灌水增湿试验
        塌孔的一个重要原因是土体的粘聚力小，采用预浸水增湿的方法增加土体的粘聚力可能会解决塌孔问题，本项目在现场进行了试验，具体情况如下：
        因设计桩长为8米，采用地表水畦与深层浸水孔相结合的方法进行试验。现场设置10m2的水畦（高30cm~50cm）场地，并设置直径8cm深度6m间距1.5m的浸水孔，预浸水的加水量按照浸水后达到最佳湿度进行计算。
        在水畦内加水19m³，浸水5天后发现地面平均沉降6cm，用铁锹挖孔验证发现土体含水率差别较大，浸水10天后用柴油锤打桩机成孔。具体试验数据如下表所示。
        灌水前后成孔塌孔情况对比表       表4-1

        灌水后塌孔情况比灌水前略有改善，不能根本上解决塌孔问题。本项目所在地区缺水，灌水经济成本比较高，因此在正式施工中未采用此工法。
        通过采取以上多种措施后塌孔情况有了明显改善，但任然有塌孔现象。为了保障工程质量必须采取合理措施对塌孔进行处置。
        5 水泥土挤密桩施工塌孔处置方法总结
        为了保障水泥土挤密桩的施工质量现场统一将桩身加长0.5m，然后根据不同的塌孔深度采取了不同处理方法。
        5.1 重夯法进行孔底夯实
        对于塌孔在1.5m以下的情况，采用重夯法在原孔上夯实。施工时先调整夯实机夯锤与地面齐平，夯锤随重力自由下落至孔底，提起夯锤至地面，反复12次，夯实孔底。
        5.2 二次复打处理措施
        对于塌孔在 1.5m 以上的情况，用柴油锤打桩机重新成孔至设计标高位置，重新成孔后尽快用夹杆锤夯填水泥土回填至地面。
        5.3 洛阳铲掏土
        二次成孔后部分孔还会塌孔，主要是存在含砂率很高的土层，这类土层应该尽可能减少扰动。针对这种情况现场采用直径0.3m的洛阳铲掏土至设计标高。
        总结：
        本项目施工时采取了加强施工管理、调整设备参数、改变成孔顺序、严控垂直度的措施有效的减少了塌孔量。塌孔处理过程中采取了加深孔深、重夯法、二次成孔、洛阳铲掏土结合的方法基本解决了塌孔桩的处理问题。
        在西北地区采用水泥土挤密桩对湿陷性黄土进行处理经常会出现塌孔的现象，施工用一定要高度重视采取合理措施才能保障施工进度和质量。
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