北京上莊東路巨型砂石坑回填路基復(fù)合處理技術(shù)

秦俊生，涂曉方，周自梁，陳 剛

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083;2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京100050;3.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100037）

北京上莊東路巨型砂石坑回填路基復(fù)合處理技術(shù)

秦俊生1，2，涂曉方2，周自梁2，陳 剛3

（1.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)〈北京〉，北京100083;2.北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，北京100050;3.北京市地質(zhì)工程勘察院，北京 100037）

根據(jù)北京上莊東路巨型砂石坑的地質(zhì)條件及周邊情況，采用振沖碎石樁、強(qiáng)夯置換及強(qiáng)夯復(fù)合地基處理技術(shù)與重錘夯擴(kuò)擠密碎石樁對(duì)砂石坑回填路基進(jìn)行綜合處理。在高水位的情況下，對(duì)由軟土和建筑垃圾回填形成的砂石坑，采用振沖碎石樁作為砂石坑滲水通道，通過強(qiáng)夯置換形成縱向增強(qiáng)體并加大處理深度，最后采用強(qiáng)夯處理的復(fù)合處理方案;對(duì)于橋樁兩側(cè)的回填土路基則采用重錘夯擴(kuò)擠密碎石樁方案，減少對(duì)橋樁的影響。

砂石坑回填路基;振沖碎石樁排水;強(qiáng)夯置換;強(qiáng)夯;重錘夯擴(kuò)擠密碎石樁;復(fù)合處理方案

1 工程概況

北京上莊東路道路工程位于北京市海淀區(qū)與石景山區(qū)交匯處，連接阜石路和復(fù)興路，道路全線長(zhǎng)2.15 km，紅線寬度40～50 m，規(guī)劃為市政主干道?，F(xiàn)狀為2個(gè)直徑約800 m的巨型砂石坑回填后形成的填方區(qū)，地基的承載力以及沉降均不滿足設(shè)計(jì)要求，需對(duì)本路段的橋頭以及南側(cè)路段的路基進(jìn)行處理，以達(dá)到以下目的:（1）使其承載力≮120 kPa;（2）消除新近填土的欠固結(jié)沉降;（3）確保橋臺(tái)最終沉降量≯50 mm;（4）確保附近變電站的正常使用，不能影響已施工橋樁的質(zhì)量及安全。

2 場(chǎng)地工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件

2.1 場(chǎng)地工程地質(zhì)條件

擬建場(chǎng)地位于永定河沖洪積扇中上部，下覆地層顆粒較粗。因開采砂石形成橫跨南北的兩個(gè)巨大砂坑，北端砂坑因橋梁施工已回填至地面，南端砂坑部分回填，原砂坑積水受采石場(chǎng)排渣影響，已被淤積的泥沙擠至擬建場(chǎng)地西側(cè)，場(chǎng)地內(nèi)地形起伏變化較大，地面標(biāo)高為53.66～63.88 m。

場(chǎng)地地面以下25 m深度范圍內(nèi)的地層劃分為人工堆積層、第四系沉積層及侏羅系基巖3大類。根據(jù)巖土體的物理力學(xué)性質(zhì)進(jìn)一步分層描述如下:

（1）人工填土層，該層土質(zhì)極不均勻。

粉土填土①層:褐黃色，稍密、稍濕，含磚渣、灰渣、植物根系等;

卵石填土①1層:雜色，中下密，濕～飽和，D大=20 cm，D一般=2～4 cm，亞圓形，含量約60%，粉土及細(xì)砂充填，含磚渣、灰渣等;

房渣土①2層:雜色，稍密，濕～飽和，含磚塊、灰渣、卵石等;

細(xì)砂填土①3層:褐黃色，中下密，濕 ～飽和，顆粒較均勻，含磚渣、卵石等;

淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土填土①4層:黃褐～灰色，飽和，流塑～軟塑，含磚渣、圓礫等。

該大層厚度為17.00～23.5 m，層底標(biāo)高為39.79～40.16 m。

（2）一般第四系沉積層，主要為卵石②層，雜色，密實(shí)，濕 ～飽和，D大=10 cm，D一般=2～4 cm，亞圓形，含量約70%，中粗砂充填。

（3）侏羅系基巖。

強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r③層:黃白色，巖體較破碎，節(jié)理、裂隙發(fā)育，裂隙面有紅褐色銹蝕斑點(diǎn);

強(qiáng)～全風(fēng)化凝灰?guī)r③1層:黃白～棕紅色，全風(fēng)化，結(jié)構(gòu)已破壞，呈土狀。

2.2 場(chǎng)地水文地質(zhì)條件

本路段揭露2層地下水，第一層為上層滯水，靜止水位標(biāo)高54.96～51.59 m（埋深0.10～5.50 m），主要受砂石場(chǎng)洗砂排水影響;第二層為地下潛水，靜止水位標(biāo)高41.04～40.46 m（埋深13.00～14.60 m）。

3 回填砂石坑地基處理方案

3.1 回填土的特征及地基處理難點(diǎn)

3.1.1 回填土的特征

回填時(shí)間長(zhǎng)短不一，絕大部分為近期砂石廠的廢棄物;回填的材料主要有砂子、粘性土、石子，普遍夾淤泥;回填土層分布不均勻，雜亂無章;地下上層滯水豐富?？傮w特征表現(xiàn)為地基承載力低，沉降量大及沉降不均勻。

3.1.2 地基處理難點(diǎn)

回填土處理深度較大，平均深度20 m;回填土處理的面積大，約15700 m2;淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土填土①4層普遍分布，厚度1.5～2.0 m，呈流塑～軟塑狀態(tài)，承載力低，沉降量大，固結(jié)時(shí)間長(zhǎng);地下水較淺。3.2 地基處理方案的選擇與優(yōu)化

根據(jù)勘察報(bào)告和路基設(shè)計(jì)要求，本工程地基處理主要是加固處理人工填土。

對(duì)橋臺(tái)兩側(cè)，由于橋臺(tái)灌注樁已經(jīng)施工，采用強(qiáng)夯進(jìn)行施工時(shí)考慮到震動(dòng)對(duì)樁身質(zhì)量的不利影響，因此采用重錘夯擴(kuò)擠密碎石復(fù)合地基處理方法，該方法具有處理深度大、樁間土擠密效果好等優(yōu)點(diǎn)，既能滿足路基的承載力要求又能同時(shí)保證地基土的均勻性和壓實(shí)度，減小路基沉降量和沉降差，而且可有效的保護(hù)橋臺(tái)灌注樁不受施工影響。

南側(cè)路段填土地基處理可采用方法較多，常見的方法有:（1）換填碾壓;（2）拋石擠淤;（3）沉管擠密碎石樁或振沖碎石樁;（4）夯擴(kuò)擠密碎石樁;（5）CFG樁法;（6）振沖碎石樁排水、強(qiáng)夯置換結(jié)合面層強(qiáng)夯復(fù)合處理方案。方法（1）～（5）分別存在土方開挖量大，需采取截排水措施、處理深度小，處理效果得不到保證、成孔深度受回填物影響大，施工用電量大，用電量得不到保證、工程造價(jià)高等不足，方法（6）具有處理效果好、處理影響深度大、工程造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)。

強(qiáng)夯法處理填土地基具有施工工藝簡(jiǎn)單、施工速度快、造價(jià)低廉等特點(diǎn)，但對(duì)于本工程中重點(diǎn)要處理的高飽和度淤泥來說，單純的強(qiáng)夯法施工無論是增加強(qiáng)夯能量還是強(qiáng)夯的擊數(shù)對(duì)于粘性土中孔隙水的消散作用都不顯著。本工程地基處理的關(guān)鍵是加速軟粘土中孔隙水的釋放和消散，加速軟粘土的固結(jié)，只有通過增加排水通道才能達(dá)到上述目的，強(qiáng)夯置換磚渣土（碎卵石）樁法可以很好解決上述難題。

強(qiáng)夯置換原理:重錘自高空落下瞬間形成巨大的能量對(duì)被加固土體產(chǎn)生3個(gè)方面的作用，一是直接位于重錘底下面的土在瞬間高能沖擊下形成一個(gè)壓密體;二是土體在巨大能量沖擊下發(fā)生豎向剪切破壞，形成圓柱形深坑;三是錘體落下沖壓和沖切土體形成夯坑的同時(shí)，還產(chǎn)生強(qiáng)烈的震動(dòng)，以震波的形式將能量向土層深處傳播，基于震動(dòng)液化、排水固結(jié)和震動(dòng)擠密等聯(lián)合作用，使置換體周圍的土體也同時(shí)得到加固。其原理如圖1、圖2所示。

圖1 強(qiáng)夯動(dòng)能在地層中的轉(zhuǎn)換傳遞路徑

圖2 填料夯擴(kuò)樁端地層壓縮變形示意圖

為保證工程質(zhì)量，提高工程效果，對(duì)施工場(chǎng)地先進(jìn)行拋石整平提供作業(yè)面后，在路基兩側(cè)采用振沖碎石樁，達(dá)到排水滲水的目的，同時(shí)也能限制坡角的位移，待降水、排水結(jié)束后再進(jìn)行強(qiáng)夯置換施工，強(qiáng)夯置換施工完成后再進(jìn)行強(qiáng)夯施工。

因此，采用振沖碎石樁排水+強(qiáng)夯置換+強(qiáng)夯法復(fù)合處理方案既能滿足路基的承載力要求又能保證地基土的均勻性和壓實(shí)度，減小路基沉降量和沉降差，是本場(chǎng)地地基處理的最佳方案。

4 地基處理方案及設(shè)計(jì)參數(shù)

4.1 振沖碎石樁設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)參數(shù):樁徑800 mm;樁長(zhǎng)13 m，樁端進(jìn)入卵石層①1或②（按地質(zhì)勘察報(bào)告孔口標(biāo)高+地面鋪填1 m的砂石）;樁體材料選用直徑3～5 cm的碎石或卵石;碎石樁布置在路基的兩側(cè)，間距3.0 m。

4.2 強(qiáng)夯置換地基處理設(shè)計(jì)

對(duì)于回填土路基，在進(jìn)行大面積強(qiáng)夯施工前，先進(jìn)行強(qiáng)夯置換施工。強(qiáng)夯置換施工前，為確保強(qiáng)夯機(jī)械安全平穩(wěn)施工作業(yè)，應(yīng)先進(jìn)行場(chǎng)地平整，去除表層的冰層和凍土，鋪設(shè)1 m厚的毛石，再鋪0.5 m厚的砂石。

強(qiáng)夯置換設(shè)計(jì)參數(shù):強(qiáng)夯錘重15 t;重錘直徑1200 mm;填充材料為碎石或卵石;碎石墩體直徑2000 mm;碎石墩深度4 m;終孔標(biāo)準(zhǔn):采用深度和貫入度雙控原則，即:深度4 m和最后2錘貫入度＜10 cm;孔位間距5 m×4 m，三角形布置。

4.3 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)計(jì)算

強(qiáng)夯設(shè)計(jì)施工參數(shù)包括:錘重和落距、最佳夯擊能、單點(diǎn)夯擊能、單點(diǎn)夯擊數(shù)、夯點(diǎn)布置、夯擊遍數(shù)以及兩遍間隔時(shí)間、處理范圍等。

4.3.1 單點(diǎn)夯擊能

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2002）和公式（1）即可確定:

式中:H——加固深度，大于 7 m;M——錘重;h——錘落距，m;α——修正系數(shù)，取 0.5 ～0.8，本工程可以取0.5。

經(jīng)計(jì)算，當(dāng)錘重18 t，落錘高度15 m時(shí)，即夯擊能3000 kN·m時(shí)，即可滿足設(shè)計(jì)要求。

4.3.2 單點(diǎn)夯擊擊數(shù)

單點(diǎn)夯擊隨著擊數(shù)增加，土體越來越密，此時(shí)具有一個(gè)最佳夯擊擊數(shù)，超過此擊數(shù)時(shí)，地基土不但不會(huì)加密，反而會(huì)越夯越松，因此單點(diǎn)夯擊擊數(shù)應(yīng)由現(xiàn)場(chǎng)單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)確定。夯點(diǎn)的夯擊次數(shù)應(yīng)滿足下列條件:最后兩擊的平均夯沉量≯50 mm;夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起;不因夯坑過深而發(fā)生提錘困難。一般單點(diǎn)夯擊擊數(shù)為4～6擊。

4.3.3 夯點(diǎn)布置

為了保證整個(gè)場(chǎng)地都能均勻加固不留空白，同時(shí)又要考慮到夯擊坑的有效影響范圍，因此單點(diǎn)夯擊間距與夯錘直徑有密切關(guān)系，一般夯錘直徑為2.5 m，由單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)隆起曲線確定單點(diǎn)夯擊間距，遍夯單點(diǎn)夯擊間距為6～7 m。根據(jù)本工程基礎(chǔ)大小形式，設(shè)計(jì)采用直徑為2.4 m的夯錘，單點(diǎn)夯擊間距為7 m，采用三角形布置。

4.3.4 夯擊遍數(shù)

夯擊時(shí)單點(diǎn)重夯應(yīng)采取2遍，布點(diǎn)梅花型交叉布置，最后一遍為低能量滿夯。滿夯能量為1000 kN·m，采用低落距錘，錘印搭接1/3。

4.3.5 處理范圍

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2002），考慮到本工程結(jié)構(gòu)要求以及地質(zhì)條件，設(shè)計(jì)基礎(chǔ)外超出的處理范圍為最外邊基礎(chǔ)外皮向外3.0 m。

4.3.6 兩遍之間的時(shí)間間隔

因本工程地下水水位埋深較淺，同時(shí)，需要進(jìn)行處理的地基土含水量相對(duì)較大，根據(jù)有關(guān)經(jīng)驗(yàn)，兩遍強(qiáng)夯施工不可連續(xù)進(jìn)行，需要間隔1周進(jìn)行孔壓水消散。在大面積施工前應(yīng)消除地面積水，保證機(jī)械正常作業(yè)。

4.3.7 強(qiáng)夯現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)

在進(jìn)行正式的強(qiáng)夯施工前，在現(xiàn)場(chǎng)有代表性的地點(diǎn)進(jìn)行單點(diǎn)試驗(yàn)和小區(qū)試驗(yàn)，以確定最佳強(qiáng)夯施工參數(shù)。

4.3.7.1 單點(diǎn)夯試驗(yàn)

進(jìn)行單點(diǎn)夯試驗(yàn)的目的是為了合理選擇夯擊數(shù)，每個(gè)試夯小區(qū)均布設(shè)2個(gè)單點(diǎn)夯擊試驗(yàn)點(diǎn)及2個(gè)地面變形觀測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)，測(cè)量其周圍的地面變形（即高程變化和水平位移量）。

用隨機(jī)抽樣檢驗(yàn)法，抽取2個(gè)單點(diǎn)作夯擊試驗(yàn)點(diǎn)，詳細(xì)觀測(cè)每擊夯沉量，并作出擊數(shù)N與沉降量s的曲線圖。

圖3 點(diǎn)夯試驗(yàn)變形觀測(cè)布置圖

4.3.7.2 小區(qū)群夯試驗(yàn)

小區(qū)群夯試驗(yàn)的目的是判斷強(qiáng)夯的適宜性和夯后地基所能達(dá)到的物理力學(xué)指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。是在單點(diǎn)夯試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，按設(shè)計(jì)確定的夯擊能、夯擊數(shù)和布點(diǎn)間距分遍施工，并控制最后兩擊的平均夯沉量滿足設(shè)計(jì)要求，使地基土在水平方向和垂直方向均得到有效加固。群夯試驗(yàn)過程中取得的參數(shù)將是指導(dǎo)工程施工的依據(jù)。工程施工的程序與群夯試驗(yàn)施工完全一致。

小區(qū)試驗(yàn)內(nèi)容包括:強(qiáng)夯施工前的重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N63.5）和輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N10）;強(qiáng)夯施工后重型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N63.5）和輕型動(dòng)力觸探試驗(yàn)（N10）;以及夯前夯后的ω、γ、Es;

在進(jìn)行小區(qū)試驗(yàn)夯擊后，間隔6天以后，進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)檢測(cè)，檢驗(yàn)強(qiáng)夯處理效果。同時(shí)通過試驗(yàn)夯取得施工最佳參數(shù)，從而更有效的保證地基加固的效果。

4.3.8 強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)

強(qiáng)夯錘重20 t;重錘直徑2400 mm;強(qiáng)夯能量3000 kN·m;夯點(diǎn)間距7 m×4 m;遍數(shù)為2遍點(diǎn)夯、1遍平夯;夯擊擊數(shù)暫定5擊。

4.4 橋臺(tái)兩側(cè)填方段夯擴(kuò)擠密碎石樁設(shè)計(jì)計(jì)算

4.4.1 柱錘夯擴(kuò)擠密碎石樁復(fù)合地基設(shè)計(jì)

擠密碎石樁設(shè)計(jì)參數(shù):設(shè)計(jì)樁徑550 mm;設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)5～9 m;設(shè)計(jì)樁間距1.4 m;置換率m=0.12。

擠密碎石樁復(fù)合地基承載力按照下式進(jìn)行計(jì)算:

式中:fpk——樁體承載力特征值，取400 kPa;m——碎石樁面積置換率，為 0.12;β——影響系數(shù)，為1.1;fsk——樁間土承載力特征值，取90 kPa。

經(jīng)過計(jì)算，碎石樁復(fù)合地基承載力特征值fspk=135 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4.2 復(fù)合地基沉降計(jì)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007-2002），按照下式進(jìn)行復(fù)合地基沉降量計(jì)算:

其中各復(fù)合土層壓縮模量按下式計(jì)算:

根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，取經(jīng)過夯擴(kuò)擠密后的地基土壓縮模量為8.0 MPa，則復(fù)合土層壓縮模量為12.0 MPa。

橋臺(tái)中心點(diǎn)最大沉降計(jì)算結(jié)果分別為41.05 mm。滿足設(shè)計(jì)要求。

4.5 場(chǎng)地平整有關(guān)要求

由于場(chǎng)地仍在生產(chǎn)砂石，地表大量洗砂水漫流，且地面高差較大，堆積了大量砂石料和建筑垃圾。為了保證強(qiáng)夯機(jī)械的安全作業(yè)，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)場(chǎng)地應(yīng)進(jìn)行平整，清除表層的凍塊和冰塊。鋪設(shè)1.0 m厚毛石及0.5 m厚砂石，壓實(shí)后方可進(jìn)行強(qiáng)夯施工。

5 工程質(zhì)量檢測(cè)

上莊東路（復(fù)興路—阜石路）砂石坑地基采用振沖碎石樁、強(qiáng)夯置換、強(qiáng)夯復(fù)合處理方案與重錘夯擴(kuò)擠密碎石樁方案，為業(yè)主節(jié)省了投資，縮短了工期。施工完成后，經(jīng)過北京市勘察設(shè)計(jì)研究院檢驗(yàn)，結(jié)果全部合格，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。該工程的成功實(shí)施對(duì)類似砂石坑回填土地基的設(shè)計(jì)、施工具有指導(dǎo)和借鑒作用。

6 結(jié)語(yǔ)

通過本工程的實(shí)踐，可以得出如下啟示:

（1）砂石坑等復(fù)雜場(chǎng)地的地基處理方案確定，一定要根據(jù)場(chǎng)地的地質(zhì)條件和施工條件，結(jié)合周邊環(huán)境特點(diǎn)，利用各自處理方法的優(yōu)勢(shì)，揚(yáng)長(zhǎng)避短，綜合確定，做到技術(shù)可行、經(jīng)濟(jì)合理。

（2）方案比選決定工程造價(jià)及工期，是項(xiàng)目投資控制的關(guān)鍵內(nèi)容。

（3）施工過程中要加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防范管理，識(shí)別危險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)，做好各項(xiàng)應(yīng)急預(yù)案工作，確保項(xiàng)目的技術(shù)、質(zhì)量及施工的安全。

［1］ 龔曉南.地基處理手冊(cè)（第三版）［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

［2］ 上莊東路巖土工程勘察報(bào)告［R］.北京:北京市地質(zhì)工程勘察院，2005.

［3］ JGJ79-2002，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［4］ 沈保漢.樁基與深基坑支護(hù)技術(shù)進(jìn)展:沈保漢地基基礎(chǔ)論文論著選集［M］.北京:知識(shí)產(chǎn)權(quán)出版社，2006.

［5］ 劉景政，楊素春，鐘冬波.地基處理與實(shí)例分析［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2000.

Comprehensive Treatment Technology of Roadbed of Large Sandstone Pit Backfill in Beijing

QIN Jun-sheng1，2，TU Xiao-fang1，ZHOU Zi-liang1，CHEN Gang3（1.China University of Geoscience，Beijing 100083，China;2.Beijing Geology and Mineral Resources Prospecting and Developing Company，Beijing 100050，China;3.Beijing Institute of Geological Engineering，Beijing 100037，China）

According to the geological conditions of the large sandstone pit and the peripheral conditions，the ideal comprehensive application of vibor-replacement stone column，dynamic replacement＆ dynamic composite foundation treatment and heavy compacted crushing stone pile in Shangzhuangdonglu backfill roadbed of sandstone pit was introduced.At high water level，for the sandstone pit back-filled with soft soil and construction waste，vibro-replacement stone column was taken as the seepage tunnel，by dynamic replacement to form vertical reinforcement with the treatment depth increasing，and finally the compound treatment scheme of compact consolidation was adopted.For the backfill roadbed at both sides of bridge pile，the scheme of heavy compacted crushing stone pile was used in order to reduce the impact to bridge pile.

backfill roadbed of sandstone pit;seepage by vibro-replacement stone column;dynamic replacement;dynamic compaction;heavy compacted crushing stone pile;compound treatment scheme

U416.1

A

1672-7428（2012）02-0060-04

2011-07-12;

2011-12-09

秦俊生（1970-），男（漢族），安徽人，中國(guó)地質(zhì)大學(xué)（北京）博士在讀，北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司副總經(jīng)理、高級(jí)工程師、國(guó)家注冊(cè)一級(jí)建造師、注冊(cè)安全工程師，探礦工程專業(yè)，從事探礦工程、巖土工程、地質(zhì)災(zāi)害工程及礦山環(huán)境治理新技術(shù)研究工作，北京市西城區(qū)南緯路4號(hào)北京市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)總公司，flowboy@163.com。