柱錘沖擴(kuò)樁法在雜填土路基處理中的應(yīng)用

張林濤

（鄭州市市政工程勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院，河南 鄭州450018）

0 引言

路基是按照路線位置和一定技術(shù)要求修筑的帶狀構(gòu)造物，是路面的基礎(chǔ)，承受路面?zhèn)鱽淼男熊嚭奢d。因此，路基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性是保證道路工程質(zhì)量的基本條件。近年來，隨著城市框架的不斷擴(kuò)大，在城市外圍擴(kuò)建區(qū)的市政道路建設(shè)中常遇到大小不一、疏松且不均勻的雜填土路基需要處理。選取合適的處理方法，可有效減少工程投資，保證工期，降低雜填土路基對(duì)于道路工程的不良影響。

柱錘沖擴(kuò)樁法具有適用性強(qiáng)、取材靈活、成樁快速、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于建筑地基處理，但在道路路基處理中應(yīng)用較少。本文簡(jiǎn)述了柱錘沖擴(kuò)樁法加固地基的特點(diǎn)和計(jì)算方法，并結(jié)合工程實(shí)例介紹了其在雜填土路基處理中的技術(shù)應(yīng)用。

1 柱錘沖擴(kuò)樁的加固機(jī)理及特點(diǎn)

1.1 柱錘沖擴(kuò)樁的加固機(jī)理

柱錘沖擴(kuò)樁是指，利用柱狀重錘反復(fù)沖擊成孔，到達(dá)設(shè)計(jì)深度后分層填入磚渣三合土等材料，用柱錘夯實(shí)填料，同時(shí)利用天然土體對(duì)夯填料的約束作用，形成強(qiáng)度較高的散體材料增強(qiáng)體。根據(jù)建筑工程地基處理情況，其加固機(jī)理與樁間土性狀、樁身填料類型、成樁工藝等密切相關(guān)，主要表現(xiàn)為以下四個(gè)方面：

（1）柱錘沖孔及填料夯實(shí)過程中的側(cè)向擠密和鑲嵌作用；

（2）柱錘在孔內(nèi)深層強(qiáng)力夯實(shí)的動(dòng)力擠密及動(dòng)力固結(jié)作用；

（3）對(duì)原有地基土進(jìn)行動(dòng)力置換，形成的柱錘沖擴(kuò)樁具有一定樁身強(qiáng)度，起到樁體效應(yīng)；

（4）樁身填料的物理化學(xué)反應(yīng)[1]。

1.2 柱錘沖擴(kuò)樁的特點(diǎn)

（1）適用性強(qiáng)

柱錘沖擴(kuò)樁法地基處理適用于地下水位以上的素填土、雜填土、液化土及濕陷性黃土等各類軟弱土，同時(shí)，還適用于廢料回填垃圾地基、軟硬不均勻地基等各種復(fù)雜場(chǎng)地的處理，特別是對(duì)人工填筑的溝、坑、洼地、浜塘等欠固結(jié)松軟土層和雜填土的處理，更顯示出特有的優(yōu)越性。

相較于強(qiáng)夯法，柱錘沖擴(kuò)樁施工時(shí)產(chǎn)生的振動(dòng)和噪音低，對(duì)周邊既有建筑影響較小，不受施工場(chǎng)地影響，適合各類城市開發(fā)區(qū)內(nèi)的地基處理。

（2）取材靈活

樁體用料廣泛，可以采用各種無污染的無機(jī)固體材料，設(shè)計(jì)可根據(jù)工程需要和材料來源，因地制宜，靈活選用碎磚三合土、礦渣、級(jí)配砂石、灰土、水泥混合土等。

（3）成樁快速

柱錘沖擴(kuò)樁施工所采用的設(shè)備簡(jiǎn)單，易于操作；施工機(jī)械化程度高，施工質(zhì)量容易控制；施工速度快，受季節(jié)及氣候影響較小。

（4）經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著

與混凝土灌注樁相比，一般可減少地基處理費(fèi)用50%以上。當(dāng)采用磚渣、碎磚三合土作為樁身填料時(shí)，可以大量消耗建筑垃圾，減少污染、保護(hù)環(huán)境，經(jīng)濟(jì)及社會(huì)效益顯著。

2 復(fù)合地基設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 復(fù)合地基承載力計(jì)算

柱錘沖擴(kuò)樁為散體材料增強(qiáng)體，根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）7.8.4條第7款規(guī)定，其復(fù)合地基承載力可按式（1）進(jìn)行估算：

式中：fspk為復(fù)合地基承載力特征值，kPa；fsk為處理后樁間土承載力特征值，kPa，對(duì)于新填溝壑、雜填土等松軟土層，可按照當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)或根據(jù)重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)N63.5確定，當(dāng)天然地基承載力特征值fak≥80 kPa時(shí)，應(yīng)取fsk=fak；m為面積置換率，一般宜控制在0.2～0.5，對(duì)于正三角形布樁對(duì)于矩形布樁其中，d為樁身平均直徑（m），s1s2分別為縱向樁間距和橫向樁間距，m；n為復(fù)合地基樁土應(yīng)力比，無經(jīng)驗(yàn)值時(shí)可取2～4，樁間土承載力較低時(shí)取大值[2]。

2.2 復(fù)合地基沉降計(jì)算

柱錘沖擴(kuò)樁法應(yīng)用于道路路基處理時(shí)，復(fù)合地基的沉降計(jì)算可根據(jù)《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194—2013）第7.2.9條相關(guān)規(guī)定，按式（2）、式（3）計(jì)算：

式中：Sz為柱錘沖擴(kuò)樁樁長(zhǎng)深度內(nèi)地基的沉降；μs為樁間土應(yīng)力折減系數(shù)；S為柱錘沖擴(kuò)樁樁長(zhǎng)深度內(nèi)原地基的沉降，估算時(shí)，S可按分層總和法計(jì)算，即同式（1）[3]。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

3.1 工程地質(zhì)概況

某擬建工程是鄭州市南四環(huán)外一條新建市政道路，道路紅線寬度40 m，規(guī)劃為城市次干道，其中，K0+086～K0+340段跨越一個(gè)被建筑渣土回填的取土坑，封場(chǎng)時(shí)間小于3 a。根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，該段分布有厚度為8.4～9.4 m的建筑生活垃圾，其成分中建筑垃圾以水泥塊、紅磚塊和泡沫磚為主，其含量約30%～60%，生活垃圾以防塵網(wǎng)碎片、紙片和碎塑料布為主，含量約10%～20%，其下為中密的粉土及粉砂。

勘探深度范圍內(nèi)未揭露地下水，可不考慮地下水影響。

3.2 存在問題分析

由于取土坑內(nèi)主要為新近堆填土，填土厚度大，土體性質(zhì)不均、顆粒懸殊、有機(jī)質(zhì)含量較高，呈嚴(yán)重欠固結(jié)狀態(tài)，路基強(qiáng)度及密實(shí)度均不能滿足路基的正常使用要求，須進(jìn)行路基處理。

擬建場(chǎng)地周邊有已建廠房和已運(yùn)行城市高架橋，無強(qiáng)夯處理?xiàng)l件。受揚(yáng)塵管控及工程費(fèi)用影響，換填法亦無實(shí)施條件。綜合考慮場(chǎng)地限制條件和工程成本，最終采用柱錘沖擴(kuò)樁法進(jìn)行路基處理。

3.3 路基處理方案設(shè)計(jì)

（1）路基處理要求

根據(jù)道路填方高度情況及路床下管線相關(guān)要求，確定本工程路基處理后復(fù)合地基承載力特征值fspk≥130 kPa。

（2）路基處理方案

根據(jù)區(qū)域豎向規(guī)劃，本段道路路面標(biāo)高較原地面高2 m，污水管線平均埋深3.2 m。擬先將表層2 m雜填土挖除并平整場(chǎng)地，采用柱錘沖擴(kuò)樁法處理下部雜填土路基，再向上填筑4 m至設(shè)計(jì)路面標(biāo)高。

為充分利用場(chǎng)地周邊建筑拆遷廢料，本次設(shè)計(jì)采用建筑磚渣填料，綜合考慮雜填土強(qiáng)度和磚渣強(qiáng)度，樁土應(yīng)力比n取3.5；柱錘采用φ377公稱錘，結(jié)合土質(zhì)情況，確定樁徑d為600 mm；為使地基擠密均勻，有效提高樁間土的密實(shí)度，采用正三角形布樁形式，樁長(zhǎng)h=9-2=7 m。

（3）布樁計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)重力觸探試驗(yàn)結(jié)果，N63.5=2.5，按《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79—2012）查表并根據(jù)雜填土性質(zhì)折減后，可得

將上述數(shù)據(jù)代入式（1）中，即

反算得s≤1.25 m，取布樁間距s=1.2 m，則置換率

（4）變形計(jì)算

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告，雜填土平均重度為17.8 kN/m3，平均壓縮模量為4.2 MPa。根據(jù)《公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》表4.2.5，車輛附加荷載取q0=20 kPa[4]。路基填料重度取γ路基=23 kN/m3。考慮挖方換填段填料置換，作用在復(fù)合地基頂面的附加應(yīng)力（大面積荷載應(yīng)力）：

柱錘沖擴(kuò)樁樁長(zhǎng)Δh=7 m，沉降系數(shù)取ms=1.2，將樁長(zhǎng)深度范圍內(nèi)按一層計(jì)算，則原地基的沉降為：

根據(jù)式（2）、式（3）計(jì)算，樁長(zhǎng)深度內(nèi)地基的沉降為：

本工程范圍內(nèi)為粉質(zhì)土，滲透系數(shù)較大，且存在大直徑的排水通道，超靜孔隙水壓力消散速度快，所需固結(jié)時(shí)間短，經(jīng)超載碾壓后，土層固結(jié)度及工后沉降易滿足相關(guān)要求。

4 施工要點(diǎn)

4.1 施工工藝

路基基槽開挖平整后，調(diào)整起重機(jī)位置使柱錘對(duì)準(zhǔn)設(shè)計(jì)樁位，將柱錘提升到6～8 m，使之自由落下，反復(fù)沖擊路槽成孔至設(shè)計(jì)孔深，用運(yùn)料車分次向孔內(nèi)填入分揀合格的磚渣，再提升柱錘將孔內(nèi)填料分層夯實(shí)，反復(fù)夯填至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上50 cm，隨后施工機(jī)具移位，重復(fù)上述步驟進(jìn)行下一根樁施工。樁體施工完成后，清除松上部散樁頭及松軟樁間土后鋪設(shè)30 cm砂石墊層，并采用振動(dòng)壓路機(jī)壓實(shí)，形成柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基。

4.2 施工注意事項(xiàng)

（1）在沖擊成孔過程中，若出現(xiàn)縮頸或塌孔時(shí)，可采用填料沖擊成孔、復(fù)打成孔或套管成孔方式；

（2）為保證樁身均勻，作為填料的磚渣粒徑宜控制在60 mm左右，不應(yīng)大于120 mm，嚴(yán)禁使用粒徑大于240 mm的磚料及混凝土塊；

（3）分層填料量、分層夯實(shí)厚度及總填料量是樁體施工的關(guān)鍵，應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定，填料充盈系數(shù)一般不宜小于1.5；

（4）為保證處理效果，成樁時(shí)應(yīng)自中間向四周施工，且成樁及填料夯實(shí)的順序應(yīng)間隔進(jìn)行。

5 結(jié)語

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)合地基承載力檢測(cè)結(jié)果，經(jīng)處理后路基有效提高了路基的強(qiáng)度和密實(shí)性，能夠保證路基運(yùn)行期間的穩(wěn)定性，達(dá)到了設(shè)計(jì)預(yù)期目標(biāo)，表明柱錘沖擴(kuò)樁法在道路工程雜填土路基處理中具有良好的適用性。

根據(jù)柱錘沖擴(kuò)樁加固機(jī)理和特點(diǎn)，柱錘沖擴(kuò)樁法處理雜填土路基，不但施工工期短、速度快，機(jī)械化程度高，施工質(zhì)量容易控制，處理效果好，而且低振動(dòng)、低噪音，適用性強(qiáng)。當(dāng)樁身采用磚渣填料時(shí)還可以消耗大量拆遷產(chǎn)生的建筑垃圾，節(jié)省大量的水泥、石灰等建筑材料，減少大氣污染及固體廢棄物污染，綠色環(huán)保，同時(shí)大大降低工程成本，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。隨著城鎮(zhèn)化進(jìn)程的持續(xù)深入，柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基將在市政道路建設(shè)中得以全面推廣應(yīng)用。