烏魯木齊雜填土路基處理的比選及對策

高勐

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

烏魯木齊雜填土路基處理的比選及對策

高勐

（上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，上海市200092）

以烏魯木齊地區(qū)雜填土地基道路工程為實例，介紹了雜填土工程特性，對實用地基加固方法進行了分析比選，確定換填法與強夯法為相對較優(yōu)的地基處理方法。同時，結(jié)合烏魯木齊地區(qū)戈壁土特點，確定戈壁土為路基填筑材料和換填材料優(yōu)先選項，同時對戈壁土壓實技術(shù)要求進行了明確。

路基；雜填土；換填；強夯；戈壁土

1 工程背景

工程位于烏魯木齊，該區(qū)域地勢起伏懸殊，山地面積廣大，易形成沖溝地貌，區(qū)域內(nèi)多見雜填土，且厚薄不均。如何利用、處理厚層雜填土成為一件棘手的巖土問題，對后續(xù)的城市建設(shè)也提出了挑戰(zhàn)。

1.1 區(qū)域工程地質(zhì)條件

烏魯木齊市區(qū)南為柴窩堡斷陷盆地，北為準(zhǔn)噶爾盆地，城區(qū)處于妖魔山、東山等低山丘陵所環(huán)抱的山間盆地之中。烏魯木齊河從南向北縱貫市區(qū)，地貌以兩岸階地及山前坡洪積、沖洪積傾斜平原為主。其典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 由北向南中軸位置地質(zhì)剖面圖

該工程地層由上至下為雜填土、粉質(zhì)黏土含礫、卵石及風(fēng)化基巖。對道路有影響土層為雜填土和粉質(zhì)黏土含礫。其巖土特性如下：

（1）雜填土：分布于整個場地內(nèi)，一般厚度7.00～11.50 m，由在場地平整過程中從外運進的土料在原沖溝內(nèi)經(jīng)過多次堆填形成。鉆探過程中漏漿嚴(yán)重，提鉆后有塌孔現(xiàn)象，說明填土未經(jīng)過碾壓或其他壓密措施處理，密實度很差。

（2）粉質(zhì)黏土含礫：在近半勘探孔內(nèi)揭露，厚度分布呈沖溝底厚度大、坡面厚度小，埋深5.50～16.80 m，厚度0.50～5.50 m。粉質(zhì)黏土中礫石粒徑約0.5～2 c m。該層土為回填前沖溝內(nèi)坡積物，沉積時間短、固結(jié)性差。本層土動力觸探擊數(shù)介于7～9擊[1]。

對類似于該工程地質(zhì)條件的烏魯木齊地區(qū)道路路基而言，雜填土性質(zhì)較差，必須進行處理。以解決建設(shè)于這類場地之上的道路沉陷等一系列工程問題。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

該區(qū)域地下水類型主要為第四系孔隙潛水，按其補給條件又可分為兩種亞型：一是河谷兩側(cè)坡洪積平原的潛水，主要是受其上部山區(qū)大氣降水及基巖裂隙水補給；二是沖洪積平原中的潛水，主要受烏魯木齊河滲漏補給。前者水量小、水質(zhì)差；后者含水層為砂卵礫石層，水量豐富、水質(zhì)良好。地下水埋深因受地質(zhì)構(gòu)造控制從南到北成有規(guī)律變化。自烏魯木齊河出山口進入柴窩堡斷陷盆地，河水大量下滲補給地下水，形成沖洪積扇頂部的地下水深埋帶。隨著地下水向北徑流，由于受到基巖隆起的阻擋，地下水位壅高，到妖魔山南側(cè)的倉房溝一帶埋深小于2 m，并在空九軍東邊的沖溝處有下降泉出露，到新疆水泥廠至十二中一帶河谷最窄，地下水埋深為3～6 m，再向北進入老城區(qū)，河谷漸開闊，地下水埋深變大，在新疆飯店附近為10 m左右，繼續(xù)向北，由于受到紅山及妖魔山的阻擋，地下水位再次壅高，出紅山谷口往北地下水埋深再次變大，從明園附近的5～6 m，到鐵路局一帶埋深大于26 m。

2 雜填土工程特性

本文所提及工程，其填土主要成分以土、建筑垃圾土、生活垃圾為主。建筑垃圾土成分有黏性土、碎石土、混凝土塊等，很松散，雜色，以黑色和灰色為主。雜填土具有以下各項工程特性：

（1）性質(zhì)不均、密度變化大。由于場地雜填土的物質(zhì)來源和組成成分的復(fù)雜和差異，造成場地雜填土性質(zhì)很不均勻，密度變化大。

（2）強度低、壓縮性大。場地雜填土組成成分復(fù)雜，堆積時間短，未經(jīng)過碾壓或其他壓密措施處理，孔隙大，具有很低的強度和很大的壓縮性。

（3）自重壓密變形大，并有濕陷性。場地雜填土屬于欠壓密土，具有很大的壓縮性，除正常荷載作用下的沉降外，還存在自重壓力下沉降，且往往具有濕陷變形的特點。生活垃圾還存在因進一步分解腐殖質(zhì)而引起的變形。

3 雜填土地基處理方法比選

由于雜填土的成分復(fù)雜，性質(zhì)很不均勻，孔隙較大，結(jié)構(gòu)性差等特點，因此，雜填土地基處理有其固有特點。常見的雜填土地基處理方法有如下幾種。

（1）砂石樁法

砂石樁法采用振動沉管工藝或柱錘夯實成孔，將砂石擠壓入樁孔之中形成密實樁體,并對樁間土有擊碎并擠密加固作用。

雜填土土體結(jié)構(gòu)比較松散，在沉管過程中，樁管對周圍土層產(chǎn)生很強的橫向擠壓力，對樁周填土產(chǎn)生擠密作用。同時，砂石樁將樁管位置的工程性質(zhì)較差的雜填土擠排至四周，然后用工程性質(zhì)較好的砂石來代替部分雜填土，從而形成復(fù)合地基。

（2）振沖法

振沖法指在振沖器水平振動和高壓水的共同作用下使松砂土層振密或在軟弱土層中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成樁柱，并和原地基土組成復(fù)合地基。

（3）水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法

水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法指以水泥作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機械或噴漿設(shè)備，將固化劑和地基土強制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的樁體的地基處理方法。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（J G J79-2012）規(guī)定：水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法適用于處理粉土、黏性土、飽和松散砂土、淤泥質(zhì)土與淤泥、飽和黃土、填土等地基。

（4）換填法

換填法是將雜填土挖除,然后按規(guī)范要求分層回填填充材料直至設(shè)計標(biāo)高，并經(jīng)過碾壓、夯實的地基處理方法。該方法一般適用于換填土較薄的情況。

當(dāng)雜填土土層厚度較小時，可以考慮采用換填法。在本質(zhì)上，換填法適用于地基淺層處理，換填法處理深度一般應(yīng)控制在3 m以內(nèi)[2]。

（5）強夯法

強夯法主要是降低土體孔隙率，增加土體密實度。強夯法加固非飽和土?xí)r，夯擊所產(chǎn)生的沖擊波和動應(yīng)力使得土體顆粒受到擠壓，雜填土顆粒重新進行排列，土體孔隙中的氣體被迅速排出，土體的孔隙率減小，密實度增加。土體在外荷載作用下逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。地基土經(jīng)強夯法加固后，其強度提高作用機理大致可分為4個階段：a.夯擊能量轉(zhuǎn)化，同時伴隨強制壓縮或振密，表現(xiàn)為土體中水及氣體排出，孔隙水壓力上升；b.土體液化或土體結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為土體強度降低或抗剪強度喪失；c.排水固結(jié)壓密，表現(xiàn)為滲透性能改變，土體裂隙發(fā)展，土體強度提高；d.觸變恢復(fù)并伴隨固結(jié)壓密，包括部分自由水又變成薄膜水，土的強度繼續(xù)提高。

經(jīng)過強夯法處理后的地基既提高了地基土的強度，又降低了地基的壓縮性，同時還能改善地基抗振動液化的能力。

強夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。所以，從適用范圍而言，強夯法天然特別適用于處理低含水量的雜填土地基。

強夯法具有施工方便、設(shè)備簡單、加固效果顯著、施工周期短、節(jié)約材料、施工費用低等優(yōu)點，同時考慮到施工振動影響，強夯特別適合于如烏魯木齊地區(qū)場地開闊且周邊無建(構(gòu))筑的情況。

4 雜填土地基處理方法選擇分析

各種雜填土地基處理方法，有其各自優(yōu)點及局限性。

砂石樁適用于含砂石或素土成分較多的雜填土，對含建筑垃圾較多的雜填土，亦存在施工困難問題，故不太適用；振沖法適用于處理粉土、粉質(zhì)黏土、砂土和雜填土等地基，但烏魯木齊地區(qū)屬于缺水地區(qū)，此法并不適用；水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法可以用于處理雜填土地基，但其處理成本相對較高，且對含有生活垃圾等有機質(zhì)雜填土處理效果較差。

因此，針對烏魯木齊地區(qū)雜填土地基的道路，對較薄的雜填土可以采用換填壓實的方式，對較厚的雜填土，可以采用強夯的方式進行處理。

對常用的換填法，主要考慮換填層厚度，當(dāng)雜填土土層厚度較小時，可以考慮采用換填法。換填法有兩個前提條件：填料來源充足且成本低，棄土外運和處置成本低。對烏魯木齊地區(qū)而言，這兩個前提條件都基本具備，存在采用的合理性。

因此，對于淺層換填（不大于1 m），結(jié)合烏魯木齊地區(qū)填料供給情況，優(yōu)先考慮采用換填天然級配的戈壁土，并分層碾壓地基處理方案。處理方案要求如下：（1）換填墊層地基處理的換填材料為天然級配戈壁土；（2）采用分層回填、碾壓的辦法處理；（3）每層鋪填厚度可取200～300 mm；（4）為保證分層壓實質(zhì)量，應(yīng)控制機械碾壓速度；（5）回填土要求同路基填料要求。

對填土較厚情況，全部采用換填不是一種經(jīng)濟合理的處理方式。如前所述，對強夯法而言，特別適用于處理建筑垃圾，同時亦特別適用于處理低含水量的各類填土及建筑垃圾。烏魯木齊地區(qū)少雨且其地下水位很低，因此在該地區(qū)采用強夯處理較厚雜填土地基有著天然技術(shù)優(yōu)勢。

強夯法處理雜填土地基，沒有棄方的堆置及填方的取土問題，因此強夯處理的造價也遠(yuǎn)低于換填方案。同時，強夯法具有施工方便、設(shè)備簡單、施工周期短、節(jié)約材料、施工費用低等優(yōu)點?？紤]到施工振動影響，強夯又特別適合于烏魯木齊地區(qū)場地開闊且周邊無建(構(gòu))筑的情況。

對于強夯加固，主要確定地基處理深度和夯擊能參數(shù)。在處理深度上，可通過數(shù)值分析軟件分析在行車荷載作用下路面和路基內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變場,從而確定合理的地基處理深度和范圍,其分析模型如圖2所示。

圖2 荷載影響深度力學(xué)計算模型

在夯擊能確定上，根據(jù)式（1）可以確定夯錘重量和落距：

式中：H為有效加固深度；M為錘重；h為落距；α為系數(shù)，可取0.5～1.0。

工程經(jīng)驗表明,強夯法處理雜填土可達(dá)到預(yù)期效果。

以烏魯木齊某住宅小區(qū)強夯處理雜填地基為例，其夯擊參數(shù)見表1。

表1 強夯加固參數(shù)

處理后地基土的壓縮模量有較大程度的提高，見表2。

表2 加固后壓縮模量統(tǒng)計

對2 000 k N·m夯擊能：0～5 m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)的提高幅度較明顯，夯后10.0～29.0擊（夯間），平均22.0擊，比夯前增加15.1擊，比夯前平均6.9擊提高220%；5 m以下效果沒有這么明顯。對3 000 k N·m夯擊能：0～7 m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)的提高幅度較明顯，夯后16.0～30.0擊（夯間），平均23.0擊，比夯前增加16.1擊，提高240%。綜合分析強夯處理前后標(biāo)貫指標(biāo)的情況，可以認(rèn)為：2 000 k N·m強夯的加固深度約為5.0～7.0 m，以5.0 m以淺較明顯，3 000 k N·m強夯的加固深度為7.0～9.0 m，以7 m以淺為佳[3]

因此，對基底雜填土較厚情況，從類似工程經(jīng)驗來看，處理厚度不大于3 m的區(qū)域采用點夯夯擊能2 000 k N m，處理土層厚度大于3 m區(qū)域選用點夯夯擊能3 000 k N m，滿夯夯擊能1 000 k N m。點夯和滿夯遍數(shù)宜根據(jù)試夯效果確定。

5 路基填料分析

對于配套道路的路基土填料，應(yīng)優(yōu)先選用級配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，填料最大粒徑應(yīng)小于150 mm。當(dāng)采用細(xì)粒土填筑時，路堤填料最小強度應(yīng)符合規(guī)定。表3為路堤填料最小強度要求。

表3 路堤填料最小強度要求

烏魯木齊屬于新疆戈壁地區(qū)，新疆戈壁地區(qū)主要分布戈壁土。戈壁土是分布在戈壁地區(qū)的薄層粉質(zhì)黏土、黃土、鹽漬土、粉土、粉砂、細(xì)砂以及細(xì)圓礫土、粗圓礫土、細(xì)角礫土、粗角礫土、碎石土、卵石土和分布在上述粗顆粒土中的中砂、粗砂、礫砂的總稱，其最大特點是土體顆粒粒徑比較大，大部分屬于粗粒土。戈壁土來源豐富，且戈壁土按分類屬于四類沙礫堅土（這里指含碎卵石在30%以內(nèi)、其粒徑在3 mm以內(nèi)的雜質(zhì)黏土、天然級配砂石），為天然級配料的優(yōu)質(zhì)填料[4]。

影響粗粒土壓實的因素很多，場地條件、施工工藝、壓實機械、壓實能量、碾壓速度等是影響壓實特性的外因，填料的自身特性和顆粒組成是內(nèi)因。粗粒土的顆粒級配組成對其工程特性極其重要，其顆粒組成成分對現(xiàn)場壓實效果有顯著影響。研究表明：當(dāng)粗料含量大于30%～40%時，粗料開始起骨架作用，細(xì)、粗料彼此填充，干密度增長較快；當(dāng)填料中粗料含量在60%～70%、填料級配處于T a i lo r理想級配范圍內(nèi)時，粗料形成骨架，細(xì)料又能填充孔隙，干密度值最大，壓實效果良好；當(dāng)粗料含量超過70%后，細(xì)料填不滿粗料的孔隙，粗料起主要作用，干密度呈下降趨勢。

考慮新疆戈壁地區(qū)填料的最大干密度隨著粗料含量的增加而急劇增大，當(dāng)填料中粗料含量在60%～70%時，最大干密度最大。最大干密度與粗料含量及細(xì)粒含量存在著良好的線性關(guān)系。因此，針對戈壁土中細(xì)粒土相對缺乏，可考慮適當(dāng)增加細(xì)粒土。另外，根據(jù)戈壁土的最優(yōu)含水量在6%左右，在施工過程中可適當(dāng)加水以控制施工含水量。

6 結(jié)論

針對烏魯木齊地區(qū)雜填土道路工程，可得出如下工程對策：

（1）通過對地基處理方法比選，同時結(jié)合烏魯木齊雜填土層特點、地下水位低以及戈壁土料豐富等情況，對薄層雜填土地基可采用換填方式處理，對雜填土層相對較厚，優(yōu)先采用強夯法處理，其效果好，成本低，工期短。

（2）強夯處理厚度不大于3 m及大于3 m的區(qū)域分別采用點夯夯擊能2 000 k N·m和3 000 k N·m的強夯工藝，滿夯夯擊能1 000 k N·m。點夯和滿夯遍數(shù)根據(jù)試夯效果確定工程采用的各項強夯參數(shù)。

（3）換填材料和道路路基填料可優(yōu)先采用戈壁土進行填筑，施工過程中應(yīng)控制戈壁土的粗顆粒含量，并在施工過程中控制好含水量，其經(jīng)驗最優(yōu)含水量宜控制在6%左右。

[1]新疆西北巖土工程咨詢有限公司.烏魯木齊市高鐵片區(qū)核心區(qū)站房配套設(shè)施工程——北廣場巖土工程勘察報告[R].烏魯木齊：新疆西北巖土工程咨詢有限公司，2013.

[2]王飛,李鯤.戈壁地區(qū)高速鐵路路基工程技術(shù)研究[J].中國鐵路，2009(12)：37-40.

[3]上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司.烏魯木齊高鐵站區(qū)配套設(shè)施建設(shè)項目——北廣場及場站配套設(shè)施工程初步設(shè)計說明[R].上海：上海市政工程設(shè)計研究總院（集團）有限公司，，2014.

[5]J G J 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

U416.1

B

1009-7716（2017）06-0068-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.019

2017-03-01

高勐（1981-），男，上海人，助理工程師，從事道路工程工作。