地下水位變幅較大區(qū)域柱錘沖擴(kuò)碎石樁復(fù)合地基處理工程實(shí)錄

摘 要：北京市豐臺(tái)區(qū)某雜填土地層碎石樁復(fù)合地基處理工程受南水北調(diào)影響，場(chǎng)區(qū)內(nèi)地下水位多次出現(xiàn)快速升降，施工圖設(shè)計(jì)階段與地基處理施工階段水文地質(zhì)及工程地質(zhì)條件不完全一致，試驗(yàn)性施工階段出現(xiàn)復(fù)合地基承載力不足的問(wèn)題。該工程出現(xiàn)復(fù)合地基承載力不足的原因除設(shè)計(jì)條件變化外，還有施工質(zhì)量控制不到位及設(shè)計(jì)基本參數(shù)取值偏大等。采取換填與擠密樁結(jié)合的補(bǔ)強(qiáng)措施。實(shí)踐結(jié)果表明，設(shè)計(jì)條件發(fā)生變化時(shí)，需要對(duì)方案作出相應(yīng)調(diào)整；存在地基被浸泡的可能時(shí)，應(yīng)提前評(píng)估柱錘沖擴(kuò)碎石樁的適用性；雨季施工要嚴(yán)防雨水浸泡，預(yù)留足夠厚度的施工保護(hù)層；應(yīng)根據(jù)雜填土的成分、厚度及壓縮性等分區(qū)進(jìn)行評(píng)價(jià)，調(diào)整相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)及處理措施。

關(guān)鍵詞：柱錘沖擴(kuò)碎石樁；復(fù)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(kuò)碎石樁法是由細(xì)長(zhǎng)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(shí)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(cè)土體被擠密，樁底土體被夯實(shí)，改善了原土層的力學(xué)性質(zhì)，同時(shí)經(jīng)夯擊填料形成的碎石樁體與處理后的土層共同承擔(dān)上部荷載，形成復(fù)合地基。該工藝具有成樁速度快，工程造價(jià)低，處理效果顯著的特點(diǎn)（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(guò)10 m，處理后復(fù)合地基承載力不大于180 kPa。

在北京地區(qū)，對(duì)于密實(shí)度差、可擠密性好的雜填土和素填土地層柱錘沖擴(kuò)碎石樁應(yīng)用較為廣泛。本文以北京市豐臺(tái)區(qū)某雜填土地層的地基處理工程為例，對(duì)其方案選型、試驗(yàn)性施工后檢測(cè)結(jié)果分析及補(bǔ)強(qiáng)措施進(jìn)行實(shí)錄，以供今后同類(lèi)工程參考。

1" 工程概況

擬建工程占地約4萬(wàn)m2，其中約有1萬(wàn)m2主體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)位于雜填土地層。位于雜填土區(qū)域的部分地下車(chē)庫(kù)及12#樓筏板底標(biāo)高分別為45.90 m和49.75 m，地下車(chē)庫(kù)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(wú)法滿足上部結(jié)構(gòu)對(duì)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(jié)構(gòu)對(duì)地基承載力、沉降及差異沉降的控制要求，根據(jù)上部結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)采用柱錘沖擴(kuò)碎石樁處理填土。

1.1" 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

工程場(chǎng)地原為采砂場(chǎng)，后經(jīng)多次堆填房渣土、生活垃圾、素填土等，形成現(xiàn)有場(chǎng)地大面積的深厚雜填土地層。場(chǎng)區(qū)回填史10～15 a（圖1，場(chǎng)區(qū)衛(wèi)星照片顯示2003年開(kāi)始回填，2010年回填完成），自重固結(jié)完成情況待評(píng)價(jià)。

工程場(chǎng)地的典型地質(zhì)剖面如圖2所示，場(chǎng)地土層由淺到深構(gòu)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(guò)程中漏漿嚴(yán)重，動(dòng)探擊數(shù)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(zhì)黏土—黏質(zhì)粉土素填土①2、圓礫素填土①3、砂質(zhì)粉土素填土①4。②層～④層為一般第四紀(jì)沉積卵石層及第三紀(jì)沉積礫巖、泥巖層。

勘查期間測(cè)得一層地下水，地下水類(lèi)型為潛水，地下水穩(wěn)定水位標(biāo)高為35.91～38.1 m。施工圖設(shè)計(jì)審查階段采用以上水位標(biāo)高。正式施工前，受南水北調(diào)影響，場(chǎng)區(qū)內(nèi)最高水位標(biāo)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(zhì)

為評(píng)價(jià)填土的工程性質(zhì)，勘察單位進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)準(zhǔn)貫入及重型動(dòng)力觸探，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)及重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)成果列于表1、表2。

2" 方案選型及設(shè)計(jì)參數(shù)

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(dá)到150 kPa。填土自重固結(jié)穩(wěn)定性待評(píng)價(jià)，具有振陷性和濕陷性。若采用CFG樁等有黏結(jié)樁進(jìn)行處理，不僅不宜考慮深厚填土層提供的側(cè)摩阻，而且要考慮由于填土進(jìn)一步固結(jié)引起的負(fù)摩阻力，樁體需進(jìn)入下臥卵石層深度較長(zhǎng)，施工難度大，且不夠經(jīng)濟(jì)；直接采用樁基礎(chǔ)更加不經(jīng)濟(jì)。采用柱錘沖擴(kuò)碎石樁，通過(guò)成樁過(guò)程中的擠密及振動(dòng)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(jià)低，對(duì)于本工程較為適用（熊緯等，2021；盛偉，2020；張維秀等，2016）。

碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù)：樁徑≥600 mm，樁間距1.5 m，樁長(zhǎng)1～9 m（以樁端抵達(dá)原狀土體為限），施工時(shí)用固定體積料斗或裝料車(chē)，將填料分層填入樁孔夯實(shí)，每層填料量不大于0.5 m3，填料為現(xiàn)場(chǎng)天然級(jí)配砂石；錘重不小于2 t， 柱錘落距不小于4 m，擊數(shù)不小于8擊，且最后2擊沉降平均值小于5 cm；每個(gè)樁孔夯填至樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上0.5 m后夯封。柱錘沖擴(kuò)樁施工完成14 d后進(jìn)行復(fù)合地基承載力檢測(cè)及樁身、樁周土動(dòng)力觸探檢測(cè)，要求復(fù)合地基承載力大于150 kPa，樁間土N63.5重型動(dòng)力觸探平均擊數(shù)不小于5擊，樁身不小于10擊。地基處理區(qū)域碎石樁布置平面圖見(jiàn)圖4。

3" 試驗(yàn)性施工及檢測(cè)結(jié)果

正式施工前，在場(chǎng)區(qū)東北角基礎(chǔ)埋深較淺的12#樓區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)性施工，成樁最長(zhǎng)9 m，最短3.5 m，平均樁長(zhǎng)5.5 m，充盈系數(shù)不小于1.5，填料過(guò)程中抽測(cè)成樁直徑不小于600 mm。

成樁后對(duì)樁身及樁間土進(jìn)行了動(dòng)力觸探檢測(cè)，檢測(cè)結(jié)果如表3所示。由表3可見(jiàn)，樁間土及樁身重型動(dòng)力觸探擊數(shù)均未達(dá)到設(shè)計(jì)要求。成樁14 d后進(jìn)行單樁復(fù)合地基靜載荷測(cè)試，地基承載力亦未能達(dá)到設(shè)計(jì)要求（表4）。

從動(dòng)力觸探成果及樁身及樁間土重型動(dòng)力觸探測(cè)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(zhuǎn)好。

4" 地基承載力不足的原因分析

試驗(yàn)性施工完成的地基不滿足設(shè)計(jì)要求的原因如下：

1）施工與設(shè)計(jì)的地下水條件不同。工程施工圖設(shè)計(jì)時(shí)間為2018年12月，碎石樁施工時(shí)間為2020年7月，其間，受南水北調(diào)永定河補(bǔ)水影響，場(chǎng)區(qū)地下水水位2 次由基底下10 m上漲至基底標(biāo)高以上，雖柱錘沖擴(kuò)碎石樁施工期間地下水位已回落至基底標(biāo)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(tài)，又因施工期正值雨季，成樁過(guò)程中黏性土填土層中產(chǎn)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(dòng)的表層飽和填土對(duì)碎石樁體的側(cè)限能力和自身承載力均有下降。碎石樁復(fù)合地基中，碎石樁承載力靠樁間土的束縛而發(fā)揮，樁間土強(qiáng)度的變化對(duì)復(fù)合地基承載力影響很大（肖星球，2010）。這也是造成樁間土動(dòng)力觸探擊數(shù)較處理前無(wú)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(kuò)樁成樁過(guò)程中鄰近樁孔涌水（圖7），以及碎石樁樁體頂部動(dòng)力觸探擊數(shù)明顯較低的情況得到證明。

2）試驗(yàn)性施工質(zhì)量沒(méi)有得到有效控制。由表3可見(jiàn)，樁身重型動(dòng)力觸探擊數(shù)（N63.5）平均值為8～8.6擊，小于設(shè)計(jì)要求的平均值（gt;10擊），樁間土重型動(dòng)力觸探擊數(shù)（N63.5）平均值為4.5～7.3擊，小于設(shè)計(jì)要求的平均值（gt;5擊）。以上測(cè)試數(shù)據(jù)證明，樁身材料沒(méi)有得到有效夯實(shí)，樁間土也沒(méi)有得到有效擠密，施工質(zhì)量沒(méi)有得到有效控制。

3）地基處理設(shè)計(jì)估算處理后樁間土承載力偏高。設(shè)計(jì)按JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》中對(duì)散體材料增強(qiáng)體復(fù)合地基公式（1）估算：

f spk=[1+m（n-1）] f sk （1）

式中，f spk為復(fù)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(yīng)力比。

設(shè)計(jì)樁徑600 mm，樁間距1.5 m，則置換率m = 0.125，取樁土應(yīng)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(bào)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(lèi)不同而有所區(qū)別（高大釗，2014）。95#復(fù)合地基檢測(cè)點(diǎn)區(qū)域是塑性指數(shù)較高的黏性土填土（軟塑狀態(tài)），其他區(qū)域?yàn)橥杆暂^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(duì)于飽和黏性土，受到成樁過(guò)程中的擠壓和振動(dòng)等強(qiáng)烈擾動(dòng)，黏粒之間的結(jié)合力以及黏粒、離子、水分子所組成的平衡體系受到破壞，強(qiáng)度降低，壓縮性增大（龔曉南，2008）。

5）雜填土中黏性土填土區(qū)孔隙水壓力消散慢，位于黏性土填土區(qū)域的檢測(cè)點(diǎn)養(yǎng)護(hù)周期偏短，應(yīng)適當(dāng)延長(zhǎng)。

5" 方案補(bǔ)強(qiáng)措施

解決問(wèn)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(yuǎn)小于基底以上土重，基底附加應(yīng)力小于0，因而由附加應(yīng)力引起的沉降量為0，因此在提高地基承載力的同時(shí)，只需控制好填土層的工后自身固結(jié)沉降。

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

具體補(bǔ)強(qiáng)措施：地庫(kù)區(qū)域基底先挖除2 m原雜填土，換填0.5～1 m厚的級(jí)配砂石，然后在換填層表面進(jìn)行擠密砂石樁施工，施工完成后，再回填級(jí)配砂石至基底標(biāo)高。級(jí)配砂石回填分層碾壓，保證換填砂石密實(shí)度不小于0.97。已完成試驗(yàn)性施工的12#樓區(qū)域，因基礎(chǔ)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(bǔ)打碎石樁，樁徑600 mm，填料系數(shù)控制在1.5，樁端進(jìn)入原狀土。

靜載荷測(cè)試表明，按照以上補(bǔ)強(qiáng)方案施工后的地基達(dá)到了地基承載力大于150 kPa的設(shè)計(jì)要求。

6" 結(jié)論

1）雜填土地層因成分構(gòu)成差異性較大，且受固結(jié)歷史等因素影響，性質(zhì)多變，在進(jìn)行該類(lèi)地層柱錘沖擴(kuò)樁設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用規(guī)范公式估算，更應(yīng)以現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)為主。設(shè)計(jì)條件發(fā)生變化時(shí)，應(yīng)對(duì)方案作出相應(yīng)調(diào)整。

2）柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基工藝目前還處于半理論和半經(jīng)驗(yàn)狀態(tài)，成孔和成樁工藝及地基固結(jié)效果直接受到土質(zhì)條件的影響。柱錘沖擴(kuò)碎石樁處理大粒徑透水性較好的雜填土效果較好，但對(duì)于黏性土填土處理效果不明顯；對(duì)于雜填土地層，碎石樁檢測(cè)要根據(jù)填土的性質(zhì)分區(qū)確定檢測(cè)周期；對(duì)于存在地基土被浸泡的可能時(shí)，應(yīng)提前評(píng)估柱錘沖擴(kuò)碎石樁的適用性。

3）施工期間要嚴(yán)防雨水浸泡碎石樁。雨季施工要預(yù)留足夠厚度的保護(hù)層。

4）對(duì)于填土成分分布非常不均勻的雜填土地基，應(yīng)該按照雜填土的成分、厚度及壓縮性等分區(qū)、分層進(jìn)行評(píng)價(jià)，調(diào)整相應(yīng)的處理參數(shù)或措施。

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