孔內強夯法處理濕陷性黃土地基的應用綜述

周小松，朱才輝，喬建偉*，李鑫磊，王穎蛟

（1. 機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043；
2. 陜西省特殊巖土性質與處理重點實驗室，陜西 西安 710043；
3. 西安理工大學 巖土工程研究所，陜西 西安 710048）

我國西北地區廣泛發育濕陷性黃土層，在工程建設中存在大量黃土地基加固問題。自20世紀90年代孔內深層強夯技術開創以來，由于該技術采用高能量的高壓夯擊和動態沖、砸、擠壓的強力壓實和擠密作用，形成的樁體十分密實，樁周土也能得到強力擠密。目前困擾大厚度黃土地基遇水濕陷、承載力不足等問題也主要采用該技術進行處理。

然而，孔內深層強夯技術在實際施工時，往往面臨沒有合適的理論去指導施工參數，通常是在現場試樁來確定相關參數，造成了工期和資金上的浪費。因此本文通過大量孔內深層（超）強夯技術在濕陷性黃土地基處理的工程實踐為背景，選取了具有代表性的50個DDC工法[1-49]和6個SDDC工法[50-55]的工程實際案例進行分析，分別統計了研究區域、原始地層結構（原地基承載力、濕陷厚度和濕陷等級）、填料、施工參數（夯擊能、成孔直徑、成樁直徑、樁長、樁徑、布樁方式）等因素以及處理效果情況（濕陷性消除、復合地基承載力），對其進行了總結歸納，并分析了各個因素對處理效果的影響規律。為濕陷性黃土地區應用DDC或SDDC技術的設計和施工提供參考。

自孔內深層強夯（DDC）法開創以來，被廣泛應用于濕陷性黃土地區的地基處理中，它夯擊能量大，處理深度深，能有效消除處理范圍內的濕陷性，較大幅度提高地基土的密實度，降低地基土的變形，增強其承載力。然而，具體施工中填料類型以及施工參數中夯擊能、樁長、樁徑等因素究竟該如何選擇，目前尚沒有一個明確的結論。為了考察孔內深層強夯（DDC）法在濕陷性黃土地區應用情況和處理效果的影響因素，根據收集的 50多個典型應用案例，分析了研究區域與原始地層結構情況，填土材料和樁長、樁距等因素與處理后濕陷系數和復合承載力之間的關系。統計情況如表1所示。

表1 DDC法處理濕陷性黃土地基統計情況Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

續表1 DDC法處理濕陷性黃土地基統計情況Continuation of Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

續表1 DDC法處理濕陷性黃土地基統計情況Continuation of Table 1 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with DDC method

1.1 DDC法應用現狀

由表1、圖1可知，DDC工法主要應用于陜西（48%）、山西（20%）、甘肅（14%）、河南（11%）、青海（5%）和寧夏（2%）等地區具有不同濕陷等級的濕陷性場地。

圖1 DDC工法在不同區域的應用Fig. 1 Application of DDC in different areas

由圖2可知，根據DDC工法所應用的濕陷性黃土場地多為Ⅲ級自重濕陷性場地（30.6%），其次為Ⅱ級自重濕陷性場地（26.6%），再次為Ⅳ級自重濕陷性場地（20.1%），其余均為I、Ⅱ級非自重濕陷性場地（各占11.3%）?？梢?，DDC工法處理的濕陷地基類型多為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性場地。其中，DDC工法處理的濕陷場地中位于陜西地區的西安、咸陽、寶雞、渭南、銅川等地，其濕陷土層厚度最小值為6.0 m，最大值為30 m，平均值為12.3 m，濕陷類型存在自重和非自重，濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級。位于山西地區的長治，其濕陷土層厚度為 3.4～14.4 m，濕陷類型為非自重，濕陷等級為Ⅱ級。位于河南地區的洛陽，其濕陷土層厚度為14 m，濕陷類型和等級為Ⅱ級非自重濕陷。位于隴東陜北地區的榆林、慶陽、延安等地的濕陷土層厚度最小值為10 m，最大值為26.5 m，平均值為18.25 m。從中可以看出不同區域濕陷土層的厚度以及濕陷類型和等級會隨著隴西地區→隴東陜北地區→關中地區→山西地區→河南地區逐級遞減（圖3），這與文獻[21]提出的“中國濕陷性黃土工程地質分區略表和參考表”結果是一致的。由圖4可知，DDC工法在濕陷土層厚度一般（5～20 m）的場地中應用最多，其應用案例大于統計總數的一半以上（70.4%），而其它不同厚度的應用占比不足30%，如對于濕陷性土層深度在 25～35 m之間的 DDC工法應用占16.4%，在20～25 m之間占比約為6%，其中厚度較?。?～5 m）或超大（35～40 m）的地層中應用最少，分別占比4.5%和3.0%。主要原因可能是小厚度濕陷性黃土處理可采用其他簡便方法，如強夯法、墊層法，而超大厚度濕陷性黃土地基采取 DDC工法時，施工工藝及造價相對較高，且處理效果較差。

圖2 DDC工法在不同濕陷性等級場地的應用Fig. 2 Application of DDC in different collapse loess site

圖3 黃土濕陷等級變化示意圖Fig. 3 Schematic of change of loess collapsibility grade

圖4 DDC工法在不同濕陷土層深度的應用Fig. 4 Application of DDC in different depth of collapse loess layers

綜上所述，DDC工法已被廣泛應用于不同濕陷等級和濕陷類型的黃土地基處理中，應用于一般濕陷厚度土層中，且處理效果較好，但對于大厚度和超大厚度濕陷性黃土地基處理應用還較少，對其處理效果有待進一步研究。

1.2 填料對地基處理效果影響

DDC工法常用填料包括素土、灰土（其配比主要采用2∶8和3∶7）、水泥土（其配比主要采用1∶4、1∶5、1∶6、1∶9）、碎石、渣土和建筑垃圾等，DDC工法施工期間，填料的用量每循環約0.12～0.14 m3，單循環用料過多會導致擠密效果不夠，過少則造成工程浪費。

統計已有案例DDC工法中填料占比如圖5所示。由圖5可知，2∶8灰土使用頻率最高，達35%，3∶7灰土使用頻率次之，約為25%，素土使用頻率約為15%，渣土使用頻率約為8%，1∶9的水泥土使用頻率約為4%，其余占比均低于2%。由此可見，目前DDC工法在處理濕陷性黃土地基使用的填料以灰土為主，總占比約為60%。

圖5 DDC工法中填料的應用Fig. 5 Application of fill materials with DDC method

根據不同填料進行DDC處理前后的地基承載力對比發現（見圖 6，其中橫坐標表示統計數據的編號）：原地基的承載力范圍為70～175 kPa，平均值為133 kPa；
DDC法處理后復合地基的承載力范圍為160～800 kPa，平均值為324 kPa，處理后的承載力提高范圍為1.4～4.7倍，平均為2.5倍。因此，采取 DDC處理后復合地基承載力顯著提高，且均達到了工程建設要求的地基承載力許可值。

圖6 DDC工法處理前后地基承載力對比分析Fig. 6 Comparison of bearing capacity of foundation soil after and before DDC method treatment

統計采用素土處理后的復合地基承載力特征值平均值為300 kPa；
2∶8灰土樁的復合地基承載力特征值最大值為407 kPa，最小值為200 kPa，平均值為375 kPa；
3∶7灰土樁的復合地基承載力特征值最大值為450 kPa，最小值為250 kPa，平均值為341 kPa；
1∶5水泥土樁的復合地基承載力特征值為320 kPa；
碎石土樁的復合地基承載力特征值為450 kPa；
渣土樁的復合地基承載力特征值最大值為 302 kPa，最小值為210 kPa，平均值為274 kPa?？梢钥闯鲭S著填料強度的增大，處理過后復合地基承載力特征值也隨之增大。DDC處理后地基承載力由大到小順序依次為：碎石→2∶8灰土→3∶7灰土→1∶5水泥土→素土→渣土。

1.3 DDC設計參數對地基處理效果的影響

由表1給出的統計數據可以得出孔內深層強夯法在施工中要控制的參數包括夯擊能、成孔直徑、成樁直徑、樁距、樁長、樁的布置方式。統計結果如下：

（1）夯擊參數。統計上述50個文獻，發現DDC工法采用的夯錘質量一般為 1～20 t不等，常用夯錘質量為1.5～3.0 t；
落距為0.5～12 m不等，常見夯錘落距為5～8 m；
夯擊次數一般為5～10次不等，常用夯次為6～8次；
夯擊能一般為90～5 000 kJ/層，常用夯擊能為800～2 000 kJ/層。由于地層、填料、施工控制水平的差異性，導致夯擊次數、夯擊能與地基處理效果之間的關系較為離散，且目前針對該方面研究成果較少。

（2）成孔直徑d。統計成孔直徑如圖7所示。由圖7可見，DDC工法成孔直徑一般在0.35～2.0 m不等，其中成孔直徑主要為0.35～0.4 m，占83.7%，其原因主要是工程實際成孔工藝一般采用機械鉆孔、掏孔，受到施工機具的影響較大。

圖7 DDC工法處理地基成孔直徑分布范圍Fig. 7 Distribution range of hole diameter of foundation treated by DDC method

（3）成樁直徑D。統計成樁直徑分布范圍如圖8所示。由圖8可知，實際工程中樁體直徑分布在0.49～2.2 m，其中成樁直徑主要分布在0.55～0.70 m范圍內，約占88%。定義擠密比=成樁直徑/成孔直徑，繪制成孔直徑、成樁直徑和擠密比分布曲線如圖9所示。從圖9可知，擠密比約分布在1.2～2.0之間，平均擠密比約為1.5，表明DDC工法的擠密擴孔效應明顯，可顯著提高0.5倍成孔直徑范圍土體的密實度。

圖8 DDC工法處理地基成樁直徑分布范圍Fig. 8 Diameter distribution range of piles treated by DDC method

圖9 DDC工法處理地基擠密比分析Fig. 9 Analysis of compaction ratio of foundation treated by DDC method

（4）樁間距l。統計樁間距分布范圍如圖10所示。從圖10可知，實際工程中常用的樁距分布范圍為0.7～4.5 m不等，其中樁間距為0.9～1.2 m占比最大，為82.3%。繪制樁間距與成孔直徑和成樁直徑的比值變化曲線如圖11所示，由圖11可知工程常用樁間距是成樁直徑的1.4～2.2倍，平均值約為1.7；
樁間距是成孔直徑的 2.2～3.4倍，平均值為2.5，與規范《孔內深層強夯法技術規程》（CECS197∶2006）[51]建議的樁間距為2.0～3.0 d相符。此外，黃雪峰等[52]研究發現當不同樁間距布樁可以消除黃土濕陷性時，選擇樁間距較大布樁可以節約大量工程建設成本，但當樁間距越小消除濕陷性效果和地基承載力提高系數也越高，因此采用DDC工法進行地基處理時需要確定最優樁間距。

圖10 DDC工法成孔樁間距分布范圍Fig. 10 Spacing distribution range of pore-forming piles by DDC method

圖11 樁間距與成孔直徑、成樁直徑比值Fig. 11 Ratio of pile spacing to hole diameter and pile diameter

（5）樁長L。繪制處理深度與濕陷性土層厚度變化曲線如圖12所示。由圖12可知，地層濕陷性深度與 DDC處理深度基本保持一致，實際處理深度（樁長）可能與設計承載力需求及建筑物重要性等級有關。樁長是根據濕陷性土層厚度以及建筑物級別設計，若要全部消除濕陷量，樁長要大于等于濕陷土層厚度，若允許存在一定的剩余濕陷量，則樁長小于濕陷土層厚度。在填料相同條件下，樁長越長，復合地基承載力也就越高，其消除的濕陷性土層厚度也就越大。

圖12 DDC法處理地基深度與濕陷性地層厚度關系Fig. 12 Relationship between foundation depth and collapsible loess thickness treated by DDC method

（6）樁的布置方式。目前DDC工法在工程上采用的布置方式都是正三角形。

孔內深層超強夯法（SDDC）是在孔內深層強夯法（DDC）基礎上發展起來的，SDDC法相對于DDC法錘體自重更重，一般約為10～15 t，夯擊能更大，成孔直徑也會增大，從而樁間土以及樁體的密實度更大，產生的復合地基承載力高。SDDC地基處理統計情況見表2。

表2 SDDC法地基濕陷性黃土處理的統計情況Table 2 Statistics analysis of foundation treatment in collapsible loess site with SDDC method

2.1 SDDC法應用現狀

由表2可知，目前SDDC法應用情況相對DDC而言數量較少，主要集中在關中地區的西安，其處理的濕陷土層厚度最大值為13.0 m，最小值為7.5 m，平均值為 9.8 m，濕陷類型為自重濕陷或非自重濕陷，濕陷等級為Ⅱ～Ⅲ級；
位于隴東地區的慶陽濕陷土層厚度為 7.0～26.0 m，濕陷類型為I～Ⅳ自重濕陷?？梢钥闯雠c1.1節分析結果是一致的。

2.2 填料對地基處理效果影響

根據表2統計數據可見，SDDC工法處理濕陷性黃土地基所采用的填料主要為：灰土、渣土、素土。采用不同填料地基處理后的承載力相比原地基承載力均顯著提高，采用素土樁的復合地基承載力特征值最大值為290 kPa，最小值為260 kPa，平均值為275 kPa；
采用3∶7灰土樁處理后的復合地基承載力特征值最大值為375 kPa，最小值320 kPa，平均值為 352 kPa；
采用渣土復合地基樁承載力特征值為273 kPa?？傮w而言，提高倍數平均約為天然地基的2.33倍，與DDC處理效果基本相當。

2.3 SDDC參數對地基處理效果的影響

根據表2的統計資料顯示，SDDC法施工參數中錘重一般為2～15 t不等，常用夯錘質量為10～15 t；
其落距一般為5～13 m不等；
夯擊次數一般為4～6次；
夯擊能平均為1 000～3 000 kJ/層；
成孔直徑一般為1.2～2.0 m，平均由DDC的0.4 m增大到1.2 m；
成樁直徑由DDC的0.6 m擴大到1.8 m；
樁間距也保持著2.0～3.0倍成孔直徑，為2.6～4.5 m；
布樁方式仍為正三角形布置。樁長的設計也是根據原地基濕陷厚度來確定。擠密后，地基的濕陷性系數一般能降至0.015以下，完全消除地基濕陷性。

（1）濕陷土層厚度和濕陷等級隨著隴西地區→隴東陜北地區→關中地區→山西地區→河南地區逐級遞減，DDC工法使用頻次較SDDC工法高。

（2）DDC工法采用的填料多為灰土，總占比為 60%，其復合地基承載力特征值由大到小依次為：碎石→2∶8灰土→3∶7灰土→1∶5水泥土→素土→渣土，處理后的地基承載力提高范圍為1.4～4.7倍，平均為2.5倍。

（3）DDC法在濕陷性厚度為5～15 m的Ⅲ級自重濕陷性場地集中應用廣泛，其錘重一般為1.5～3.0 t，落距平均為5～8 m，夯次平均為6～8次/循環，夯擊能平均為800～2 000 kJ/層，平均成孔和成樁直徑分別為0.4 m和0.6 m。

（4）SDDC法常用的錘重為10～15 t，落距一般為5～13 m，夯次為4～6次/循環，夯擊能平均為1 000～3 000 kJ/層，平均成孔和成樁直徑分別增大到1.2 m和1.8 m。

（5）DDC法和SDDC法的樁間距基本為2.0～3.0倍成孔直徑，布樁方式基本為正三角形布置，但SDDC法處理深度較DDC法更深，其對濕陷性地基的擠密加固效果更為明顯。