柱錘沖擴(kuò)樁法在某雜填土地基處理工程中的應(yīng)用

陳寶軍 時(shí) 磊 吳海燕

(1.北京巖土工程勘察院，北京 100083； 2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

柱錘沖擴(kuò)樁法在某雜填土地基處理工程中的應(yīng)用

陳寶軍1時(shí) 磊2吳海燕1

(1.北京巖土工程勘察院，北京 100083； 2.中國(guó)石油集團(tuán)工程設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司北京分公司，北京 100085)

結(jié)合某深厚雜填土地區(qū)地基處理工程實(shí)際，對(duì)柱錘沖擴(kuò)樁法加固機(jī)理和特點(diǎn)作了介紹，并對(duì)不同荷載要求情況下施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)化，闡述了該工法具體的施工技術(shù)，對(duì)同類工程具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值和參考意義。

柱錘沖擴(kuò)樁，地基處理，加固機(jī)理，雜填土

1 工程概況

某場(chǎng)區(qū)原為磚瓦廠取土留下的土坑，后又用作魚塘，直至地基處理前2月方回填完畢。南側(cè)回填土厚度較小，與北側(cè)地層差異較大。回填后作為檢測(cè)車間及廠區(qū)內(nèi)新建道路，回填后不能滿足承載力要求，故需進(jìn)行地基處理。場(chǎng)地工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件如下：①雜填土：雜色，濕，松散，局部稍密，厚度0.5 m～13.4 m，平均厚度6.19 m；含碎磚、石塊、建筑垃圾，夾雜粘質(zhì)粉土，欠壓密，均勻性較差；fak=80 kPa。②粘質(zhì)粉土～砂質(zhì)粉土：褐黃色，中密～密實(shí)，厚度0.7 m～5.2 m；土質(zhì)不均，屬于中壓縮性土。場(chǎng)地地下水位埋深16 m。

為加固場(chǎng)區(qū)土體提高地基承載力，現(xiàn)采用柱錘沖擴(kuò)樁法對(duì)地基進(jìn)行加固處理，處理后的地基承載力特征值，車間下獨(dú)立柱基礎(chǔ)不小于170 kPa，樁體材料采用水泥混合級(jí)配砂石；場(chǎng)區(qū)道路及其他部位不小于150 kPa，樁體材料采用水泥混合土。

2 柱錘沖擴(kuò)樁法概述

柱錘沖擴(kuò)樁法又稱DDC法，是河北工業(yè)大學(xué)和滄州市機(jī)械施工有限公司等單位自1993年開始自主研發(fā)的地基處理新技術(shù)。由于樁身材料可就地取材，且可利用工業(yè)廢渣，因此綠色環(huán)保，具有明顯的社會(huì)效益、經(jīng)濟(jì)效益和廣闊的應(yīng)用環(huán)境。采用直徑300 mm～600 mm、長(zhǎng)度3 m～6 m、質(zhì)量2 t～10 t的柱狀錘，現(xiàn)場(chǎng)使用起重機(jī)等起吊設(shè)備，提高柱錘至7 m～10 m后，釋放柱錘并使其自由下落，不斷沖擊地基土體成孔，到設(shè)計(jì)深度時(shí)再向達(dá)到設(shè)計(jì)要求深度的孔內(nèi)分層填入三合土等材料，再用柱錘并夯實(shí)填料形成致密豎向增強(qiáng)樁體，同時(shí)與被強(qiáng)制擠密的樁周圍土體共同作用形成復(fù)合地基。在樁頂可設(shè)置200 mm～300 mm厚砂石褥墊層[1]。

3 柱錘沖擴(kuò)樁法加固機(jī)理

在柱錘沖擴(kuò)樁成孔及成樁過(guò)程中，通過(guò)對(duì)原狀土的充填置換(包括樁身及擠入樁間土的骨料)、動(dòng)力擠密、動(dòng)力固結(jié)、強(qiáng)力夯實(shí)、生石灰(水泥)的水化和膠凝等作用，使軟弱地基土得到加固[2]。

1)沖擊荷載作用分析。

在柱錘沖擴(kuò)樁法加固地基的作用機(jī)理中，最直接最明顯的還是柱錘以多達(dá)25 m/s速度撞擊地基土體，對(duì)土體作用非常大的瞬時(shí)沖擊能量。試驗(yàn)研究表明，沖擊次數(shù)愈多，柱錘越重，抬升高度越高，施工次數(shù)越多，產(chǎn)生的沖擊速度也就越快，夯擊能量就自然越大，成孔深度也就越深，地基加固效果也就越明顯。另外，柱錘沖擴(kuò)樁法中的柱錘長(zhǎng)細(xì)比較大，所以一般情況下底面積比較小，產(chǎn)生的接地靜壓力值普遍都大于150 kPa，最高甚至可達(dá)380 kPa。與一般的強(qiáng)夯法產(chǎn)生30 kPa～50 kPa的接地壓力值相比，作用效果自然更好。柱錘在沖擊成孔時(shí)，產(chǎn)生的沖擊波，不僅使地基土體產(chǎn)生側(cè)向擠壓作用，也會(huì)產(chǎn)生豎直沖擊作用，疊加上沖擊應(yīng)力的擴(kuò)散效應(yīng)，因柱錘產(chǎn)生充足的動(dòng)力而使地基土體起到加固密實(shí)作用。

地基土體承受柱錘沖擊荷載作用下的受力狀態(tài)如圖1所示，主要包括柱錘沖孔時(shí)的孔壁上的橫向切應(yīng)力Qs和橫向擠壓力Ph，以及作用效果最好的錘底沖擊壓力Pv；試驗(yàn)和理論分析均證實(shí)，樁孔深度、地基土性質(zhì)以及柱錘的沖擊能量等多因素都影響著Pv的大小。

土體之所以產(chǎn)生動(dòng)力密實(shí)，正是由于應(yīng)力擴(kuò)散和沖擊波的雙重作用效應(yīng)。對(duì)于飽和軟土等松散土層，如果埋深淺時(shí)，沖擊力較大時(shí)因土層覆蓋壓力較小，會(huì)產(chǎn)生隆起而使局部土體松動(dòng)破壞。因此，采用柱錘沖擴(kuò)樁進(jìn)行地基處理時(shí)，為保證處理效果，樁頂應(yīng)由一定厚度的覆蓋土體產(chǎn)生足夠大的覆蓋壓力。

2)側(cè)向擠密作用分析。

一般來(lái)說(shuō)，魏西克圓筒形孔擴(kuò)張理論可以很好地來(lái)描述側(cè)向擠密作用。當(dāng)不斷增加孔內(nèi)作用均布橫向壓力Ph時(shí)，圓筒孔初始半徑外周圍的原本為彈性的環(huán)形區(qū)域?qū)⒅饾u變成塑性區(qū)域。呈環(huán)形的塑性區(qū)域隨著Ph增加，不斷向周圍延伸和發(fā)展，直到Ph達(dá)到最大值Pm時(shí)，塑性區(qū)土體的半徑也同時(shí)達(dá)到最大值Rmax。Rmax范圍以內(nèi)的土體是可以看作可壓縮性固體的。半徑Rmax的計(jì)算表達(dá)式為：

(1)

其中，Rmax為沖孔環(huán)形塑性區(qū)域半徑，沖擴(kuò)孔的半徑；E為待加固地基土體的變形模量；q為地基土中原始固結(jié)壓力；μ為場(chǎng)地待加固土體的泊松比；c為場(chǎng)地土體的粘聚力；φ為土體內(nèi)摩擦角。

由計(jì)算式(1)可知，樁沖孔塑性區(qū)的最大環(huán)形半徑Rmax與樁沖孔半徑Ru成正比例關(guān)系，同時(shí)也與地基土體參數(shù)有關(guān)，如泊松比、粘聚力、內(nèi)摩擦角以及變形模量等也影響著Rmax的大小。利用魏西克上述理論分析側(cè)向擠密作用可知，在柱錘沖擊產(chǎn)生的擴(kuò)張應(yīng)力作用下，場(chǎng)地土體受到擠壓而密實(shí)，大大提高了樁周土體的密實(shí)程度。

3)填料過(guò)程的二次擠密夯實(shí)作用效應(yīng)。

在填料分層夯實(shí)擠密成樁過(guò)程中，由于柱錘的夯擊能量非常大，填料在樁孔夯實(shí)過(guò)程中由于沖擊力大于周圍土體剪應(yīng)力，填料破壞周圍土體再次形成環(huán)形塑性區(qū)域，同時(shí)迫使填料強(qiáng)制嵌入周圍達(dá)到極限狀態(tài)的樁周土體中，即形成樁身周圍土體的二次擠密作用，同時(shí)擴(kuò)大樁徑。實(shí)踐證明，夯擴(kuò)后樁徑可達(dá)到成孔直徑的1.5倍～2.5倍左右，可達(dá)到600 mm～1 000 mm。

4 柱錘沖擴(kuò)樁設(shè)計(jì)及計(jì)算

在設(shè)計(jì)中，一般根據(jù)巖土工程勘察單位提供的地基承載力和地基處理后復(fù)合地基應(yīng)滿足的承載力特征值，并考慮實(shí)際的施工機(jī)械，參考當(dāng)?shù)氐氖┕そ?jīng)驗(yàn)來(lái)確定相應(yīng)的樁徑、樁距和置換率等參數(shù)，最后通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)靜載荷試驗(yàn)確定所選參數(shù)是否正確。綜合考慮以上因素，本工程選取樁徑為500 mm，根據(jù)雜填土厚度，分區(qū)域柱錘沖擴(kuò)樁樁長(zhǎng)為8 m～14.5 m，車間柱下獨(dú)立基礎(chǔ)樁間距為1.4 m×1.4 m，道路及其他部位樁間距為1.5 m×1.5 m。

復(fù)合地基承載力特征值按照相關(guān)的規(guī)范，依據(jù)計(jì)算式(2)來(lái)進(jìn)行估算[3]：

(2)

其中，fspk為處理后的復(fù)合地基承載力特征值，按設(shè)計(jì)要求達(dá)到170 kPa/150 kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值，根據(jù)勘察報(bào)告，取80 kPa；λ為單樁承載力發(fā)揮系數(shù)，取0.85；β為樁間土承載力折減系數(shù)，取0.9；m為面積置換率。

5 柱錘沖擴(kuò)樁法施工技術(shù)

5.1 成孔作業(yè)

成孔方法依據(jù)土質(zhì)、設(shè)備、樁長(zhǎng)、環(huán)境等要求分別選用，沖擊成孔方法最常用，其主要工藝有如下三種：

1)沖擊成孔。適用于地下水位以上不會(huì)坍孔土層，否則應(yīng)采用跟管成孔。

2)填料沖擊成孔。當(dāng)出現(xiàn)縮頸或孔壁不穩(wěn)的坍孔現(xiàn)象，可將適量大塊碎石或生石灰塊等填入孔內(nèi)，柱錘分層夯實(shí)時(shí)擠入孔的周圍軟弱土體，以加固周圍土體。

3)復(fù)打成孔。當(dāng)坍孔嚴(yán)重時(shí)，可先錘擊成孔，再分層將水泥、生石灰和大塊碎石等填入孔內(nèi)，待填料吸水膨脹使孔周圍土體性質(zhì)有所改善加強(qiáng)并穩(wěn)定后，再二次復(fù)打成孔。

5.2 填料成樁

1)填料。將拌好的填料分層填入樁孔并夯實(shí)。

2)夯填要求。按設(shè)定配合比將拌合好的填料填入樁孔并分層夯實(shí)。采用套管進(jìn)行時(shí)，隨著夯實(shí)進(jìn)度逐漸拔出套管，防止套管難于拔出。填料超過(guò)樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高50 cm，未填料的樁孔用原地基土回填夯實(shí)。

5.3 施工注意事項(xiàng)

1)有積水時(shí)應(yīng)采取措施降低水位。2)沖擴(kuò)成孔時(shí)若出現(xiàn)縮頸或坍孔等現(xiàn)象，在成孔過(guò)程中可不斷將碎磚等填料擠入孔壁周圍土體及孔底土體并充分拌合，必要時(shí)應(yīng)適當(dāng)調(diào)整柱錘的落距和沖孔速度。3)樁徑和樁長(zhǎng)應(yīng)根據(jù)規(guī)范及設(shè)計(jì)要求在設(shè)計(jì)時(shí)進(jìn)行設(shè)定，填料充盈系數(shù)一般不小于1.5(或達(dá)到設(shè)計(jì)要求)，必須保證樁體密實(shí)程度，這是檢驗(yàn)施工質(zhì)量好壞的關(guān)鍵。4)注意成樁順序，一般自中間向四周施工；尤其要保護(hù)好毗鄰已建建筑物。

6 試驗(yàn)檢測(cè)

依據(jù)相關(guān)規(guī)范和圖紙要求，本工程共進(jìn)行19根單樁復(fù)合地基承載力靜載試驗(yàn)。載荷試驗(yàn)應(yīng)在成樁14 d后進(jìn)行。

通過(guò)對(duì)198號(hào)樁等共19個(gè)單樁復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)P—S曲線的分析(見圖2)，當(dāng)加至最大極限試驗(yàn)荷載時(shí)，并未出現(xiàn)明顯拐點(diǎn)，P—S曲線呈緩變形曲線。因此，綜合分析得出結(jié)論，復(fù)合地基承載力滿足設(shè)計(jì)要求。

7 結(jié)語(yǔ)

1)通過(guò)對(duì)場(chǎng)地雜填土體的動(dòng)力擠密、置換等加固機(jī)理分析，柱錘沖擴(kuò)樁法理論上證明加固了場(chǎng)地的軟弱地基土體是非常有效的。

2)在樁身材料中加入水泥、生石灰等材料，樁身材料具有一定的強(qiáng)度，使柱錘沖擴(kuò)樁法形成復(fù)合地基，減少了雜填土的不均勻沉降，大幅度地提高了地基承載力。

3)實(shí)踐證明，柱錘沖擴(kuò)樁法在處理欠固結(jié)的雜填土上使用具有明顯的工程效果，同時(shí)通過(guò)對(duì)不同承載力要求的不同部位，樁身材料創(chuàng)新性地采用水泥土混合料水泥級(jí)配砂石混合料，既滿足了工程要求，也具有樁身材料可就地取材、項(xiàng)目費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。

[1] 任振甲.重錘沖孔夯擴(kuò)垃圾擠密樁復(fù)合地基的設(shè)計(jì)與施工問(wèn)題[J].建筑技術(shù)，1999,30(3)：96-97.

[2] 王恩遠(yuǎn),劉熙媛.柱錘沖擴(kuò)樁法加固機(jī)理研究[J].建筑科學(xué)，2008(9)：53-55.

[3] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

Application of DDC method in miscellaneous fill foundation treatment engineering

Chen Baojun1Shi Lei2Wu Haiyan1

(1.BeijingGeotechnicalEngineeringSurveyInstitute,Beijing100083,China; 2.BeijingBranchCompany,ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignCo.,Ltd,Beijing100085,China)

Combining with deep miscellaneous fill foundation treatment engineering practice, the paper introduces reinforcement methods and properties of DDC method, optimizes construction design scheme under different loading conditions, and describes specific construction technologies, which has certain promoting value and guiding meaning for similar engineering.

piles thrusted-expanded with column-hammer (DDC), foundation treatment, reinforcement mechanism, miscellaneous fill

1009-6825(2015)16-0053-02

2015-03-28

陳寶軍(1981- )，男，碩士，工程師； 時(shí) 磊(1981- )，男，工程師； 吳海燕(1984- )，女，工程師

TU472

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