兰州新区地下综合管廊一期工程位于甘肃省兰州市高新区, 包含25条管廊项目。该工程位于陇西黄土高原西北部的秦王川盆地, 该黄土呈中等~严重湿陷性, 管廊底拟采用素土挤密桩进行地基处理。根据国家及地方现有的相关规定, 大厚度湿陷性黄土场地区段的管廊地基处理厚度>15m和宽度大于3倍的管廊宽度时, 地基处理费用很高。为降低造价, 现场进行地基处理后的浸水试验, 分析研究不同桩长素土挤密桩处理后的湿陷性消除、浸水过程中地表的竖向沉降, 通过浸水试验得到了一系列结论, 可用于指导该地区未来大规模的工程建设。

该试验场地位于兰州市西北的秦王川盆地, 是兰州、白银两市的接合部, 拟建场地属剥蚀堆积黄土丘陵地貌, 具体细分为黄土梁 (峁) 、黄土冲沟2种地貌单元。黄土冲沟内分布有粉砂、砾砂, 上覆次生黄土状土;黄土梁 (峁) 上分布有第四系上更新统马兰黄土, 下覆冲洪积圆砾, 圆砾磨圆度较好。勘察探明Q₃^eol马兰黄土分布较厚, 最深可达20m。土层物理参数如表1所示, 试验段管廊沿线主要地层从上至下如下所述。

1) 人工填积 (Q^ml) 层 (1) 素填土 (Q₄^ml) , 褐黄色, 经人工回填而成, 颗粒组成以粉土、粉砂为主, 含少量砾砂、角砾等, 稍湿, 大部分经压实或夯实, 呈稍密状态, 局部未经压实, 呈松散状态。

2) 第四系全新统冲洪积 (Q₄^al+pl) 层 (2) ₁黄土状粉土, 褐黄色, 以粉粒为主、砂砾次之, 土质不纯, 局部含砂量较大, 具白色钙质斑点条纹, 呈大孔隙, 稍湿、稍密~中密状态。该层土场地黄土冲沟中分布, 埋藏浅、厚度大, 属比较均匀的中等压缩性地基土, 具有中等~严重的湿陷性。

3) 第四系上更新统风积 (Q₃^eol) 层 (3) ₁马兰黄土, 黄褐色, 以粉粒为主, 土质纯净、均匀, 具有大孔隙, 可见少量钙质条纹, 呈稍湿、中密状态。该层土场地黄土梁 (峁) 上分布, 埋藏浅、厚度大, 属比较均匀的中等压缩性的地基土, 具有较强的湿陷性。

本场地的土体含水量普遍在4%~8%, 难以保证挤密法地基处理施工的效果, 场地地基处理前需增湿土体, 使土体的含水率接近最优。经过击实试验, 最优含水量为13.27%~13.87%。

本试验共布置3个试验区, 挤密桩桩长分别为6, 8, 10m, 桩间距、桩径分别统一为1.0m, 400mm。涵盖管廊地基处理的不同深度, 具体布置如表2所示。

增湿孔均采用正三角形布置, 内填砂石, 为了评价未增湿区域的地基处理效果, 试验1区不进行增湿处理。

挤密桩采用机械沉管成孔, 孔内分层回填土料、分层夯实。施工主机采用带立架的50t履带式起重机, 柴油锤锤重4.9t。试验区挤密桩顶垫层施工完成并检测合格后, 修筑围堰且浸水, 水头高0.5m。桩长处理剖面如图1所示, 浸水区域平面如图2所示。

挖探井取桩身、桩间土样, 自桩顶以下0.5m起, 每1m取1组试样, 测定桩身的压实系数、桩间土的挤密系数、桩间土湿陷性等数据。

桩身压实系数检测时, 试验2区取3根桩, 试验3 区取2根桩, 每个试坑取2个点 (见图3a) , 根据试验分区-试坑-检测点进行编号。

根据JGJ79—2012《建筑地基处理技术规范》及文中检测方法取土样检测桩间土的挤密系数, 桩间土挤密系数按重型击实标准计算, 每个试坑检测2个点 (见图3b) 。

浸水试验监测主要包括地表沉降监测。每个试验区共6个沉降观察点, 其中A, B, C点位于浸水区域内部, D, E, F点位于围堰之上 (见图4) 。采用高精度水准仪进行沉降监测, 在注水前监测初始数据, 注水期间, 每天观测1次, 进行统计。

对处理后的挤密桩 (8, 10m) 不同桩长区域进行探井取桩身、桩间土样, 检验桩体、桩周土体挤密情况。由室内试验可知, 素土最大干密度1.85~1.87g/cm³, 最优含水量为13.27%~13.87%, 平均最大干密度为1.86g/cm³, 平均最优含水量为13.7%。

由图5a可以看出, 桩芯处的压实系数0.86~0.95, 桩边处的压实系数0.82~0.92, 桩芯处的压实系数高于桩边。桩身范围内的压实系数随深度变化有所起伏。

由图5b可以看出, 桩芯处的压实系数0.867~0.884, 桩边处的压实系数0.65~0.846, 平均压实系数0.86, 桩芯处的压实系数高于桩边。桩身范围内的压实系数随深度变化有所起伏。

试验2区挤密桩直径400mm, 间距1.0m。从图6a, 7a可以看出, 试验2区桩间土的挤密系数0.794~0.832, 桩间土的平均挤密系数0.81, 挤密系数随深度变化有所起伏。

从图6b, 7b可以看出, 试验3区桩间土的挤密系数0.807~0.824, 桩间土的平均挤密系数0.816, 挤密系数随深度变化有所起伏。

从表3可以看出, 试验1区桩间土的自重湿陷性和非自重湿陷性并未完全消除, 出现该情况主要是由于该区域施打挤密桩前未进行土体增湿, 土体含水量较低, 影响挤密桩的处理效果。

从表4~7可以看出, 挤密桩施工完成后, 在处理厚度范围桩间内, 土的自重湿陷性和非自重湿陷性已全部消除, 桩身土体已无湿陷性。

选取试验2, 3区的地表沉降数据进行分析, 观测时间均至7月28日。

由图8可以看出, 无论试验2区还是3区, 监测点A, B, C点沉降相对较大, 监测期间最大沉降量为1.4cm, D, E, F点沉降相对较小, 最大沉降量约0.7cm。试验3区及2区的最终沉降量相差不大, 说明2个区域素土挤密桩的效果良好。

1) 挤密桩桩芯处的压实系数高于桩边, 桩身范围内的压实系数随深度变化有所起伏。

2) 试验2区 (8m) 、试验3区 (10m) 经素土挤密桩增湿处理后, 桩身和桩间土湿陷性均完全消除, 试验1区 (6m) 由于前期未进行增湿试验, 桩身和桩间土湿陷性未完全消除。

3) 经素土挤密桩处理后的试验2区、3区的最大地表沉降约为1.4cm, 8m桩长和10m桩长的地表沉降相差不大, 均达到设计要求。

4) 选用长8m、桩径400mm及桩间距1.0m的素土挤密桩可以有效节约成本, 降低工程造价。