地下水位變幅較大區域柱錘沖擴碎石樁復合地基處理工程實錄

摘 要：北京市豐臺區某雜填土地層碎石樁復合地基處理工程受南水北調影響，場區內地下水位多次出現快速升降，施工圖設計階段與地基處理施工階段水文地質及工程地質條件不完全一致，試驗性施工階段出現復合地基承載力不足的問題。該工程出現復合地基承載力不足的原因除設計條件變化外，還有施工質量控制不到位及設計基本參數取值偏大等。采取換填與擠密樁結合的補強措施。實踐結果表明，設計條件發生變化時，需要對方案作出相應調整；存在地基被浸泡的可能時，應提前評估柱錘沖擴碎石樁的適用性；雨季施工要嚴防雨水浸泡，預留足夠厚度的施工保護層；應根據雜填土的成分、厚度及壓縮性等分區進行評價，調整相應的設計參數及處理措施。

關鍵詞：柱錘沖擴碎石樁；復合地基；雜填土地層；地基處理；地下水位變化

Case history of composite foundation treatment with column hammer expanding gravel pile in area with large variation of groundwater level

REN Guisheng

（Beijing Geological Engineering Company， Beijing 100143， China）

Abstract： Affected by the South-to-North Water Diversion Project， the ground water level of a gravel pile composite foundation treatment project in Fengtai District of Beijing has experienced rapid rise and fall for many times， The hydrogeological and engineering geological conditions in the design stage and the construction stage are not completely the same， and the composite foundation bearing capacity is insufficient in the experimental construction stage. Based on the case of this project， The reasons for insufficient bearing capacity of composite foundation are analyzed， including changes in design conditions， inadequate construction quality control， and excessive values of basic design parameters. Introduced the reinforcement measures of combining replacement and compaction piles. The practice results show that when the design conditions change， the scheme should be adjusted accordingly; When the foundation is likely to be soaked， the applicability of the column hammer expanded gravel pile shall be evaluated in advance; During construction in rainy season， the foundation shall be strictly prevented from being soaked by rain; The evaluation shall be carried out according to the composition， thickness and compressibility of the fill， and corresponding design parameters and treatment measures should be adjusted.

Keywords： Column hammer expanded gravel pile; composite foundation; miscellaneous filling layer; foundation treatment; groundwater level change

柱錘沖擴碎石樁法是由細長柱錘沖擊成孔、填料沖擊成孔或跟套管沖擊成孔后，從孔底自下而上分層填放碎石料，用柱錘分層夯實成樁的一種地基處理工藝（陳寶軍等，2015）。在柱錘沖擊作用下，樁側土體被擠密，樁底土體被夯實，改善了原土層的力學性質，同時經夯擊填料形成的碎石樁體與處理后的土層共同承擔上部荷載，形成復合地基。該工藝具有成樁速度快，工程造價低，處理效果顯著的特點（王穎星等，2008；牛志榮，2004），適用于處理地下水位以上的雜填土、粉土、黏性土、素填土和黃土地基，一般處理深度不超過10 m，處理后復合地基承載力不大于180 kPa。

在北京地區，對于密實度差、可擠密性好的雜填土和素填土地層柱錘沖擴碎石樁應用較為廣泛。本文以北京市豐臺區某雜填土地層的地基處理工程為例，對其方案選型、試驗性施工后檢測結果分析及補強措施進行實錄，以供今后同類工程參考。

1" 工程概況

擬建工程占地約4萬m2，其中約有1萬m2主體結構基礎位于雜填土地層。位于雜填土區域的部分地下車庫及12#樓筏板底標高分別為45.90 m和49.75 m，地下車庫及12#樓基底壓力均為150 kPa，基底以下填土厚度1～9 m，填土以雜填土為主，均勻性較差，具有振陷性和濕陷性，無法滿足上部結構對地基的要求，且絕大部分深厚填土不具備換填條件。為滿足建筑結構對地基承載力、沉降及差異沉降的控制要求，根據上部結構荷載水平、地下水位變化、填土厚度分布、軟弱下臥土層條件等，設計采用柱錘沖擴碎石樁處理填土。

1.1" 工程地質及水文地質條件

工程場地原為采砂場，后經多次堆填房渣土、生活垃圾、素填土等，形成現有場地大面積的深厚雜填土地層。場區回填史10～15 a（圖1，場區衛星照片顯示2003年開始回填，2010年回填完成），自重固結完成情況待評價。

工程場地的典型地質剖面如圖2所示，場地土層由淺到深構成如下：

雜填土①：以房渣土、卵石、生活垃圾為主，含少量黏性土、粉土、砂土等，鉆探過程中漏漿嚴重，動探擊數變異性較大，具有濕陷性及振陷性。該層含有粉砂素填土①1、粉質黏土—黏質粉土素填土①2、圓礫素填土①3、砂質粉土素填土①4。②層～④層為一般第四紀沉積卵石層及第三紀沉積礫巖、泥巖層。

勘查期間測得一層地下水，地下水類型為潛水，地下水穩定水位標高為35.91～38.1 m。施工圖設計審查階段采用以上水位標高。正式施工前，受南水北調影響，場區內最高水位標高曾上漲至49.50 m，后又回落至約41 m。

1.2" 填土的工程性質

為評價填土的工程性質，勘察單位進行了現場標準貫入及重型動力觸探，標準貫入試驗及重型動力觸探試驗成果列于表1、表2。

2" 方案選型及設計參數

擬處理地層以雜填土為主，基底雜填土分布厚度差異性較大（圖3），要求處理后地基承載力達到150 kPa。填土自重固結穩定性待評價，具有振陷性和濕陷性。若采用CFG樁等有黏結樁進行處理，不僅不宜考慮深厚填土層提供的側摩阻，而且要考慮由于填土進一步固結引起的負摩阻力，樁體需進入下臥卵石層深度較長，施工難度大，且不夠經濟；直接采用樁基礎更加不經濟。采用柱錘沖擴碎石樁，通過成樁過程中的擠密及振動作用，不僅可以消除雜填土層的振陷性和濕陷性，提高地基承載力，而且施工速度快、造價低，對于本工程較為適用（熊緯等，2021；盛偉，2020；張維秀等，2016）。

碎石樁設計參數：樁徑≥600 mm，樁間距1.5 m，樁長1～9 m（以樁端抵達原狀土體為限），施工時用固定體積料斗或裝料車，將填料分層填入樁孔夯實，每層填料量不大于0.5 m3，填料為現場天然級配砂石；錘重不小于2 t， 柱錘落距不小于4 m，擊數不小于8擊，且最后2擊沉降平均值小于5 cm；每個樁孔夯填至樁頂設計標高以上0.5 m后夯封。柱錘沖擴樁施工完成14 d后進行復合地基承載力檢測及樁身、樁周土動力觸探檢測，要求復合地基承載力大于150 kPa，樁間土N63.5重型動力觸探平均擊數不小于5擊，樁身不小于10擊。地基處理區域碎石樁布置平面圖見圖4。

3" 試驗性施工及檢測結果

正式施工前，在場區東北角基礎埋深較淺的12#樓區域進行了試驗性施工，成樁最長9 m，最短3.5 m，平均樁長5.5 m，充盈系數不小于1.5，填料過程中抽測成樁直徑不小于600 mm。

成樁后對樁身及樁間土進行了動力觸探檢測，檢測結果如表3所示。由表3可見，樁間土及樁身重型動力觸探擊數均未達到設計要求。成樁14 d后進行單樁復合地基靜載荷測試，地基承載力亦未能達到設計要求（表4）。

從動力觸探成果及樁身及樁間土重型動力觸探測試曲線（圖5、圖6）可以看出，地基表層處理效果較差，隨著深度的加深，處理效果轉好。

4" 地基承載力不足的原因分析

試驗性施工完成的地基不滿足設計要求的原因如下：

1）施工與設計的地下水條件不同。工程施工圖設計時間為2018年12月，碎石樁施工時間為2020年7月，其間，受南水北調永定河補水影響，場區地下水水位2 次由基底下10 m上漲至基底標高以上，雖柱錘沖擴碎石樁施工期間地下水位已回落至基底標高以下約6 m，但基底填土層由于受到浸泡已處于飽和狀態，又因施工期正值雨季，成樁過程中黏性土填土層中產生的超靜孔隙水壓力不能快速消散，擠密效果差。另外，受到施工擾動的表層飽和填土對碎石樁體的側限能力和自身承載力均有下降。碎石樁復合地基中，碎石樁承載力靠樁間土的束縛而發揮，樁間土強度的變化對復合地基承載力影響很大（肖星球，2010）。這也是造成樁間土動力觸探擊數較處理前無明顯提高甚至降低、地基承載力不足的主要原因。以上判斷可以由柱錘沖擴樁成樁過程中鄰近樁孔涌水（圖7），以及碎石樁樁體頂部動力觸探擊數明顯較低的情況得到證明。

2）試驗性施工質量沒有得到有效控制。由表3可見，樁身重型動力觸探擊數（N63.5）平均值為8～8.6擊，小于設計要求的平均值（gt;10擊），樁間土重型動力觸探擊數（N63.5）平均值為4.5～7.3擊，小于設計要求的平均值（gt;5擊）。以上測試數據證明，樁身材料沒有得到有效夯實，樁間土也沒有得到有效擠密，施工質量沒有得到有效控制。

3）地基處理設計估算處理后樁間土承載力偏高。設計按JGJ 79-2012《建筑地基處理技術規范》中對散體材料增強體復合地基公式（1）估算：

f spk=[1+m（n-1）] f sk （1）

式中，f spk為復合地基承載力特征值（kPa），f sk為處理后樁間土承載力（kPa），m為樁土面積置換率，n為樁土應力比。

設計樁徑600 mm，樁間距1.5 m，則置換率m = 0.125，取樁土應力比n = 4，f spk=150 kPa，代入公式（1）反算，得到地基處理后樁間土承載力 f sk=109.39 kPa，是勘察報告天然地基承載力建議值的2.18倍。

4）碎石樁的作用原理因地基土的土類不同而有所區別（高大釗，2014）。95#復合地基檢測點區域是塑性指數較高的黏性土填土（軟塑狀態），其他區域為透水性較好的一般雜填土，碎石樁在透水性較好的松散土層中的主要作用是擠密，而在黏性土地基中的主要作用是置換，擠密效果較差。對于飽和黏性土，受到成樁過程中的擠壓和振動等強烈擾動，黏粒之間的結合力以及黏粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞，強度降低，壓縮性增大（龔曉南，2008）。

5）雜填土中黏性土填土區孔隙水壓力消散慢，位于黏性土填土區域的檢測點養護周期偏短，應適當延長。

5" 方案補強措施

解決問題的核心是提高地基承載力和控制沉降，特別是差異沉降。本工程基底埋深約15 m，基底壓力150 kPa，遠小于基底以上土重，基底附加應力小于0，因而由附加應力引起的沉降量為0，因此在提高地基承載力的同時，只需控制好填土層的工后自身固結沉降。

本工程為大面積筏板基礎，且填土相對較厚，換填法不適用。表5列出了不同處理方式的優缺點。

具體補強措施：地庫區域基底先挖除2 m原雜填土，換填0.5～1 m厚的級配砂石，然后在換填層表面進行擠密砂石樁施工，施工完成后，再回填級配砂石至基底標高。級配砂石回填分層碾壓，保證換填砂石密實度不小于0.97。已完成試驗性施工的12#樓區域，因基礎埋深較淺、填土層較厚，除按上述要求換填外，還要按照1.5 m樁間距補打碎石樁，樁徑600 mm，填料系數控制在1.5，樁端進入原狀土。

靜載荷測試表明，按照以上補強方案施工后的地基達到了地基承載力大于150 kPa的設計要求。

6" 結論

1）雜填土地層因成分構成差異性較大，且受固結歷史等因素影響，性質多變，在進行該類地層柱錘沖擴樁設計時，可以采用規范公式估算，更應以現場試驗為主。設計條件發生變化時，應對方案作出相應調整。

2）柱錘沖擴樁復合地基工藝目前還處于半理論和半經驗狀態，成孔和成樁工藝及地基固結效果直接受到土質條件的影響。柱錘沖擴碎石樁處理大粒徑透水性較好的雜填土效果較好，但對于黏性土填土處理效果不明顯；對于雜填土地層，碎石樁檢測要根據填土的性質分區確定檢測周期；對于存在地基土被浸泡的可能時，應提前評估柱錘沖擴碎石樁的適用性。

3）施工期間要嚴防雨水浸泡碎石樁。雨季施工要預留足夠厚度的保護層。

4）對于填土成分分布非常不均勻的雜填土地基，應該按照雜填土的成分、厚度及壓縮性等分區、分層進行評價，調整相應的處理參數或措施。

參考文獻

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龔曉南，2008.地基處理手冊［M］.3版.北京：中國建筑工業出版社.

牛志榮， 2004.地基處理技術及工程應用［M］．北京：中國建筑工業出版社.

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熊緯，戚長軍，吳學林，李海濤，2021. 大厚度雜填土地基處理實例分析［J］. 地基處理，3（2）：165-169.

張維秀，張元琦，2016. 碎石樁復合地基承載力計算探討［J］. 化工設計，26（6）：40-42.