夯擴(kuò)擠密渣土樁在雜填土中的加固機(jī)理分析及應(yīng)用

肖西衛(wèi)，沈宇鵬，陳萬成，范玥輝，蔡小培

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044;4.北京鐵路局質(zhì)量監(jiān)督站，北京100860)

夯擴(kuò)擠密渣土樁在雜填土中的加固機(jī)理分析及應(yīng)用

肖西衛(wèi)1，沈宇鵬2，3，陳萬成2，范玥輝4，蔡小培2，3

(1.中交公路規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，北京100088;2.北京交通大學(xué)土木建筑工程學(xué)院，北京100044; 3.軌道工程北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100044;4.北京鐵路局質(zhì)量監(jiān)督站，北京100860)

雜填土成分和工程性質(zhì)復(fù)雜，若處理不當(dāng)會(huì)因不均勻沉降造成其上構(gòu)筑物的破壞。論文以位于垃圾填埋區(qū)域的鐵路站場工程實(shí)例為背景，研究渣土樁加固雜填土地基的作用機(jī)理，并通過與雜填土注漿處理方案對比，分析兩種方案地基處理前后的沉降量、承載力、動(dòng)彈性模量等技術(shù)指標(biāo)。結(jié)果表明:采用夯擴(kuò)渣土樁承載力提高達(dá)2倍，動(dòng)探擊數(shù)提高2.5倍，動(dòng)彈性模量平均提高1.2倍，而注漿處理效果并不明顯，這說明渣土樁在處理大面積雜填土地基中具有良好的適用性。

雜填土 渣土樁 加固機(jī)理 注漿 地基承載力 動(dòng)彈性模量

隨著經(jīng)濟(jì)一體化大格局的形成、城市規(guī)模也在不斷擴(kuò)大，生活垃圾也在不斷增加。然而大多數(shù)發(fā)展中國家采取露天堆放、自然填溝的原始處理方式，不但污染環(huán)境，而且造成大量的土地浪費(fèi)，如何處理城市建設(shè)與城市用地成為當(dāng)今社會(huì)的重要課題。在垃圾填埋場等雜填土地段建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施，可以有效解決城市用地緊張的局面。目前國內(nèi)對于雜填土的處理方式主要有換填法、強(qiáng)夯法、碎石樁及灰土樁。對于大面積深厚雜填土地基，上述方法顯得不經(jīng)濟(jì)。隨著地基處理技術(shù)的發(fā)展，作為新型地基處理加固技術(shù)的夯擴(kuò)擠密渣土樁應(yīng)運(yùn)而生，渣土樁因其材料費(fèi)用低、適應(yīng)性強(qiáng)被廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土、雜填土、含水率低的軟弱土等地基中。目前，對于雜填土的加固機(jī)理的研究還處在初級階段，應(yīng)用渣土樁進(jìn)行地基處理工程案例非常少，在工后沉降要求非常嚴(yán)格的鐵路地基處理中幾乎沒有使用過。由于雜填土堆積物回填時(shí)間不同、顆粒大小不均、具有較強(qiáng)的濕陷性，使其力學(xué)性質(zhì)具有較大的離散性，給工程的設(shè)計(jì)施工帶來諸多困難。本文以某一鐵路站場地基處理為例，對夯擴(kuò)渣土樁與注漿法兩種地基處理方法的效果進(jìn)行對比，對不同渣土樁的設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上提出經(jīng)驗(yàn)性設(shè)計(jì)參數(shù)，以期為類似工程提供參考。

1 雜填土工程性質(zhì)及渣土樁工作機(jī)理

1.1 雜填土工程性質(zhì)

雜填土一般成分為城市生活垃圾及建筑垃圾，成分復(fù)雜，含有大量的有機(jī)及無機(jī)物質(zhì)。主要特點(diǎn):①成分不一，土質(zhì)呈不連續(xù)和各向異性，造成雜填土的工程性質(zhì)不穩(wěn)定;②粒徑大小不一，孔隙率較大，導(dǎo)致后期的不均勻沉降大;③厚度不一，造成沉降量計(jì)算困難;④其性質(zhì)隨著時(shí)間、深度和位置而改變。

雜填土的成分隨著地域和生成環(huán)境的不同而不同，處在同一地區(qū)的雜填土不同時(shí)期也存在著差異，我國目前雜填土的一般成分如表1所示［1］?？芍?，有機(jī)廢物占37.5%，無機(jī)廢物占62.5%。

表1 我國城市雜填土的一般成分%

1.2 渣土樁的加固機(jī)理

1.2.1 宏觀機(jī)理分析

夯擴(kuò)擠密法通過重錘對填入孔內(nèi)的建筑垃圾等填料分層強(qiáng)夯來成樁。首先在地基中進(jìn)行成孔，將建筑垃圾等填料填入樁孔底部，重錘在一定高度自由下落產(chǎn)生高動(dòng)能，對填料進(jìn)行砸、沖、擠，樁體在錘擊作用下底部不斷擠壓樁周，樁間土被擠壓密實(shí)，地基土發(fā)生了從置換到擠密再到固結(jié)的變化。土體在沖擊作用下向孔四周擠壓，樁間土逐漸被擠密，分層夯實(shí)，如此重復(fù)，樁間土不斷受到擠壓，從而將地基加固，渣土樁與有一定強(qiáng)度的樁間土共同形成復(fù)合地基［2］。

由于樁徑相對較小，在相同夯錘重和落距的條件下，孔內(nèi)單位面積內(nèi)夯擊能量比強(qiáng)夯法大得多，因而地基的加固效果也較強(qiáng)夯明顯。重錘高空落下產(chǎn)生的沖擊能使土體產(chǎn)生塑性變形，從而改善雜填土的變形特征，提高土體的密實(shí)度及抗剪強(qiáng)度。

除了重錘的沖擊使樁體密實(shí)，由于力的相互作用，在樁對樁周產(chǎn)生擠壓力的同時(shí)，樁周土對樁體也同樣產(chǎn)生約束作用，導(dǎo)致樁體既有剛性樁的特性，也有柔性樁的特性。雜填土場地建筑垃圾、生活垃圾混雜在一起，形成非均勻的土質(zhì)，呈現(xiàn)出不均勻的層狀分布。對于像雜填土這類軟硬不均、分層不均的土體，樁體在重錘夯擊的過程中，會(huì)形成串珠體，將樁體與樁周土緊密咬合，從而加強(qiáng)了樁體的側(cè)向摩阻力，并且隨著重錘的不斷夯擊，層與層之間相互滑動(dòng)錯(cuò)位，影響的范圍不斷增加。處理后的復(fù)合地基不僅剛度均勻，而且承載力顯著提高。

1.2.2 微觀機(jī)理分析

重錘夯擊產(chǎn)生的瞬時(shí)沖擊波從夯擊點(diǎn)往四周擴(kuò)散，在傳播過程中不斷擾動(dòng)土體，使土體顆粒逐漸密實(shí)，孔隙率降低，土體變得更加緊密，填料顆粒接觸面增大，增大了黏聚力，提高了內(nèi)摩阻力，減小了形變，從而快速高效地達(dá)到擠密填料的目的。

沖擊波在土體顆粒介質(zhì)中不斷往外擴(kuò)散，在沖擊能的作用下土體顆粒發(fā)生錯(cuò)位和移動(dòng)，往復(fù)的沖擊使土體顆粒聚合。在錘擊過程中，土體顆粒首先以就近聚合為主，隨著夯擊次數(shù)的增多，進(jìn)一步聚合使夯實(shí)后的土體顆粒重新排列，比夯擊前更為緊密，土體中較小的土粒在擠壓作用下沿大顆粒環(huán)向平行排列而形成旋渦狀結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)的存在是夯擊后土體的工程力學(xué)性質(zhì)得到改善的根本原因，同時(shí)孔隙率也顯著減小，土顆粒接觸面積增大［3］。

土體密實(shí)主要是由于重錘的沖擊作用，土體顆?？朔似溟g的摩阻力，重新排列為更為緊密的結(jié)構(gòu)，破壞了顆粒之間的架空結(jié)構(gòu)，減小了孔隙。同時(shí)在沖擊作用下小顆粒填充到大顆粒之間，使土體更加密實(shí)，結(jié)構(gòu)更加穩(wěn)定。地基的沉降變形也由大變小，逐漸降低，最后趨于穩(wěn)定，地基土則由塑性狀態(tài)轉(zhuǎn)為彈塑性狀態(tài)，最后接近于彈性狀態(tài)。

2 工程案例

站場地處厚層雜填土中，該區(qū)域多年生活垃圾、建筑垃圾堆積，造成埋深較大，且深度隨地勢而改變，最深處達(dá)到8 m左右，平均深度為6 m。由于雜填土的特殊性，且渣土樁沒有規(guī)范可循，因此需要通過現(xiàn)場試驗(yàn)來提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)參數(shù)。設(shè)計(jì)單位擬定了兩個(gè)地基加固方案，擬通過試驗(yàn)，以樁間距、沉降量、橫縱波為地基加固效果的評價(jià)指標(biāo)，擇優(yōu)選取加固方案。

2.1 處理方法

A，B兩區(qū)雜填土的成分見表2。A區(qū)雜填土厚度6.4 m，B區(qū)雜填土厚度6.2 m。分別在這兩區(qū)采用注漿和渣土樁兩種地基處理方法，將A區(qū)又劃分為不同注漿壓力的兩個(gè)亞區(qū)，B區(qū)又劃分為不同樁間距的三個(gè)亞區(qū)。試驗(yàn)區(qū)的平面布置見圖1。

表2 A、B區(qū)雜填土成分含量%

圖1 試驗(yàn)區(qū)平面布置

2.2 試驗(yàn)方法

在地基試驗(yàn)前后，分別對2個(gè)試驗(yàn)區(qū)進(jìn)行了動(dòng)力觸探試驗(yàn)、單樁靜載荷試驗(yàn)和波速測試獲取對應(yīng)的力學(xué)指標(biāo)，對比其處理效果。

2.2.1 注漿試驗(yàn)(A區(qū))

對A區(qū)采用2 MPa和5 MPa兩種注漿壓力進(jìn)行注漿加固。設(shè)計(jì)參數(shù)如下:注漿孔直徑110 mm，深度10 m，全孔注漿，漿材配合比為水∶水泥∶粉煤灰∶水玻璃=1∶0.6∶0.4∶0.05，水泥采用P.O32.5普通硅酸鹽水泥，水玻璃濃度38～43 Be'，細(xì)度模數(shù)2.4～3.4。

注漿結(jié)束的標(biāo)志:地面冒漿或者地面發(fā)生隆起或龜裂。注漿時(shí)先邊排、后中排，間隔跳躍式進(jìn)行。注漿前做好孔口的止?jié){工作，在注漿過程中對地表及附近建筑物進(jìn)行變形監(jiān)測。注漿過程中發(fā)現(xiàn)壓力突然下降、流量突然增大時(shí)，應(yīng)立即停止，檢查是否冒漿跑漿，速度控制在30～50 L/min。

2.2.2 渣土樁試驗(yàn)

對B區(qū)采用不同樁間距進(jìn)行渣土樁加固。試驗(yàn)樁長9 m，樁徑0.5 m，按照1.6，1.8和2.0 m三種樁間距等邊三角形布樁，每種樁間距大致布置50根。采用長5 m，直徑0.335 m的柱狀重錘擴(kuò)樁機(jī)。提升高度控制在8～10 m，填料采用建筑垃圾，最大粒徑不超過15 cm，每次填料的厚度控制在50 cm，填料每次夯擊2～3次，貫入變形最后一擊控制在20 cm以內(nèi)。

2.3試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.3.1 動(dòng)探試驗(yàn)

在A，B區(qū)不同注漿壓力和不同樁間距試驗(yàn)前后各鉆了1個(gè)動(dòng)探孔分別進(jìn)行對比。做動(dòng)探試驗(yàn)時(shí)，保證重錘沿導(dǎo)桿垂直下落，錘擊頻率控制在20擊/min，現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)需要做深度修正。A，B區(qū)試驗(yàn)前后動(dòng)探擊數(shù)的對比曲線見圖2。

圖2 A，B區(qū)試驗(yàn)前后動(dòng)探擊數(shù)的對比曲線

由圖2(a)可見:不同的注漿壓力對地基土的加固效果并沒有明顯的差別，但是同處理前相比，注漿對地基土的加固效果有明顯提高，在5 MPa注漿壓力下，2～5 m深處動(dòng)探擊數(shù)較處理前提高約100%，隨著穿過雜填土段，與處理前相比提高效果變得不明顯，但是注漿后雜填土以下的地基土承載力還是有所提高。這是因?yàn)闈{液通過土體的孔隙進(jìn)入下層土體，與土體凝結(jié)成為整體，起到了提高地基承載力的作用。

由圖2(b)可見:采用不同樁間距加固處理后地基土的承載力有著較大的區(qū)別，其中1.6 m樁間距的處理效果最好，2.0 m樁間距的處理效果最差，地基表層加固效果與處理前基本無差別，主要是因?yàn)楸韺油馏w沒有約束，土體顆粒會(huì)向上移動(dòng)，致使加固效果不明顯。隨著深度的增加，加固效果越來越明顯。在3 m深度時(shí)效果最為明顯，渣土樁處理后動(dòng)探擊數(shù)提高了200%以上，注漿處理后動(dòng)探擊數(shù)提高了75%左右。在6.4 m深度以下，由于穿過了雜填土層，動(dòng)探擊數(shù)趨于相同。根據(jù)《鐵路工程地質(zhì)原位測試規(guī)程》中依據(jù)動(dòng)探擊數(shù)推算地基承載力的方法，可求得處理前地基承載力為90 kPa，注漿處理后為180 kPa，渣土樁處理后為250 kPa?？傮w而言，渣土樁處理此類地基土的效果優(yōu)于注漿。

2.3.2 單樁靜載荷試驗(yàn)

采用平板載荷試驗(yàn)測定試驗(yàn)區(qū)的地基承載力，在A，B區(qū)分別采用不同的注漿壓力和不同的樁間距進(jìn)行地基處理，并對每個(gè)亞區(qū)進(jìn)行單樁靜載試驗(yàn)。選取50 cm×50 cm的剛性承壓板，在安裝之前整平板下的試坑面，使承壓板與試坑面均勻接觸，逐級加載。沉降曲線見圖3。

圖3 A，B區(qū)加固處理后P-S曲線對比

由圖3(a)可見，A區(qū)荷載加載到200 kPa左右，P-S曲線開始出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)，隨后沉降明顯增大，說明地基土開始破壞。注漿壓力大小并沒有對加固效果產(chǎn)生明顯影響。主要是因?yàn)殡s填土內(nèi)的孔隙相互貫通，孔隙率很大，漿液不需要很大的壓力就能夠貫穿于整個(gè)土體中。

由圖3(b)可見，B區(qū)樁間距1.6 m和1.8 m的區(qū)塊內(nèi)加荷至275 kPa時(shí)，地基土未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，且未出現(xiàn)明顯的拐點(diǎn)和陡降段，P-S曲線為一條完整連續(xù)的平緩光滑曲線。樁間距2.0 m區(qū)塊加荷至225 kPa時(shí)出現(xiàn)拐點(diǎn)，說明地基出現(xiàn)破壞。

2.3.3 波速測試

波速測試是通過測試巖土彈性波速度，用以確定與波速相關(guān)的巖土參數(shù)，檢驗(yàn)巖土加固與改良效果的一種原位測試方法。根據(jù)實(shí)測獲得的彈性波速(剪切波速和壓縮波速)，即可計(jì)算土體的動(dòng)彈性力學(xué)參數(shù)，為工程設(shè)計(jì)提供參考［4］。計(jì)算公式為［5］

式中:μ為泊松比;VP為壓縮波速度，m/s;VS為剪切波速度，m/s;ρ為介質(zhì)密度，g/cm3;Ed為動(dòng)彈性模量，GPa;Gd為動(dòng)剪切模量，GPa。

地基土的動(dòng)彈性模量是在動(dòng)荷載作用下應(yīng)力與應(yīng)變比值。其值越大，表明在相同的荷載作用下，其變形越小，可反映地基的固結(jié)效果。通過現(xiàn)場測得的波速可求得地基土體處理前后的動(dòng)彈性模量，見圖4。由圖可見，地基經(jīng)過處理后動(dòng)彈性模量有了明顯的提高，平均提高120%左右，在深度為3～4 m時(shí)提高最大，能夠達(dá)到200%。穿過雜填土后，動(dòng)彈性模量的增長速度開始變緩，趨于處理前的地基土。同時(shí)，動(dòng)彈性模量的增長也說明施工后地基在上部列車等動(dòng)荷載的作用下，其彈性變形量也會(huì)減小。

圖4 渣土樁加固地基前后動(dòng)彈性模量對比

3 結(jié)論

對雜填土的工程性質(zhì)和渣土樁的加固機(jī)理進(jìn)行了分析，并結(jié)合試驗(yàn)現(xiàn)場測試結(jié)果得出以下結(jié)論:

1)樁間距1.6 m的渣土樁對地基加固效果較好，動(dòng)探擊數(shù)提高了2倍左右，而注漿只提高1倍左右。渣土樁單樁承載力是注漿的1.5倍。

2)雜填土成分復(fù)雜，內(nèi)部孔隙較多且相互貫通，無規(guī)律性，不同地段差異較大，全區(qū)域注漿注漿量大，指標(biāo)難以控制，同時(shí)加固效果不明顯，注漿法不適宜深厚雜填土地基的處理。

3)渣土樁可以很大程度提高雜填土的地基承載力，改善土體的性質(zhì)，土體動(dòng)彈性模量與處理前相比平均提高120%左右，適合處理深厚大面積的雜填土。

［1］王德寶，胡瑩.我國生活垃圾組成成分及處理方法［J］.環(huán)境衛(wèi)生工程，2010，18(1):40-44.

［2］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)與施工問題［J］.建筑技術(shù)，1998(3):145-152.

［3］陳志敏，劉國伍.人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)用于夯擴(kuò)擠密復(fù)合樁地基設(shè)計(jì)的可行性分析［J］.巖土工程技術(shù)，2001(4):305-309.

［4］焦瑞玲，吳連海，崔維孝，等.北京高速鐵路動(dòng)車段垃圾填埋場地基處理現(xiàn)場試驗(yàn)研究［J］.鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2009(2):76-80.

［5］蔡立挺，韓玉慶.波速測試技術(shù)在巖土工程勘察中的應(yīng)用［J］.西部探礦工程，2009(3):32-37.

Analysis on reinforcing mechanism of miscellaneous fill including sediment ramming squeezing piles and application in practice

XIAO Xiwei1，SHEN Yupeng2，3，CHEN Wancheng2，F(xiàn)AN Yuehui4，CAI Xiaopei2，3
(1.CCCC Highway Consultants Co.，Ltd.，Beijing 100088，China;2.School of Civil Engineering，Beijing Jiaotong University，Beijing 100044，China;3.Beijing Key Laboratory of Track Engineering，Beijing 100044，China;4.Supervision Station of Quality，Beijing Railway Administration，Beijing 100860，China)

M iscellaneous filled soil，with complex composition and engineering performance，is prone to induce uneven settlement or even the damage of the upper structure.Under such background，the paper takes reference from a railway station and yard project that takes place at a waste landfill area，and looks into the application of slag pile and its mechanism in the reinforcement of miscellaneous filled foundation.T he paper then compares its reinforcement results with that of grouting treatment，and introduces the technical index of settlement，bearing capacity and modulus of dynamic elasticity to analyzes the before and after performances of both schemes.T he results indicate that thanks to the application of compaction slag piles，the foundation delivers twice the bearing capacity，2.5 the dynamic penetration performance and an average of 1.2 the modulus of dynamic elasticity.On the other hand，grouting treatment fails to improve the foundation visibly，therefore it can be said that slag pile stands as a preferable choice in the reinforcement of large-scale miscellaneous filled foundation.

M iscellaneous filled soil;Slag pile;Reinforcing mechanism;Grouting;Bearing capacity of foundation; M odulus of dynamic elasticity

TU472.3+2

A

10.3969/j.issn.1003-1995.2015.05.29

1003-1995(2015)05-0118-04

(責(zé)任審編葛全紅)

2014-04-08;

2015-03-20

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(41271072);中國鐵路總公司科技研究開發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2013G009-G);中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目(2014JBZ012)

肖西衛(wèi)(1975—)，男，河南洛陽人，高級工程師，碩士。