大厚度雜填土地基處理實例分析

熊 維，戚長軍，吳學(xué)林，李海濤

（機械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西 西安 710043）

0 引 言

隨著城市的發(fā)展，主城區(qū)土地資源越來越少，城市往郊區(qū)或新區(qū)發(fā)展是必然。很多城市郊區(qū)或新區(qū)往往存在規(guī)模不等的人工取砂坑或取土坑，后期又被當?shù)卮迕窕蛲练絾挝划斪鹘ㄖ⒒娱_挖土的堆放場地。隨著城市的發(fā)展，工程建設(shè)過程中，此類規(guī)模不等的雜填土坑的工程問題越來越突出。本文以西安西咸新區(qū)灃東新城某工程為實例，分析大厚度雜填土地基處理應(yīng)注意的問題[1-2]。

1 場地及擬建建筑概況

工程位于西咸新區(qū)灃東新城，車城西路東側(cè)，連霍高速南側(cè)。場地內(nèi)建筑物主要為高層住宅樓（30～33 F）、小高層住宅樓（9～11 F）及配套幼兒園、商業(yè)及地下車庫，高層住宅樓分布在擬建場地北側(cè)區(qū)域。據(jù)西安地質(zhì)地貌圖，場地地貌單元屬渭河南岸高漫灘，地基土層主要為砂層，表層為薄層黃土狀土，下部夾粉質(zhì)黏土薄層。由于場地砂層埋深淺，便于采砂，當?shù)卮迕裼?007—2010年在場地北側(cè)區(qū)域進行砂料開采，經(jīng)過多年的人工取砂，場地北側(cè)區(qū)域形成大型取砂坑（見圖 1），取砂坑長約300 m、寬約90 m、深20～27 m。2011年后又被作為堆填建筑垃圾的場地，形成大型雜填土坑。

圖1 場地歷史影像（2009年場地內(nèi)取砂坑情況）Fig.1 Historical site (Situation of sand pits in the site in 2009)

2 地基土工程性質(zhì)

據(jù)擬建工程巖土工程勘察報告，場地地基土層主要為雜填土、黃土狀土、砂層及粉質(zhì)黏土層。雜填土以建筑垃圾為主，主要為磚渣碎塊，含混凝土塊等，充填約20%黏性土；局部分布有素填土，以黏性土為主，含植物根系、腐植物，局部夾雜少量生活垃圾。雜填土層最大厚度26.90 m，雜填土層以下砂層均呈密實狀態(tài)、砂層中的粉質(zhì)黏土層夾層均屬中壓縮性土層，場地地基土層結(jié)構(gòu)可見圖 2。為了更好、更直觀了解場地雜填土平面分布及厚度分布情況，繪制場地雜填土平面及等厚度分布示意圖可見圖3。

圖2 場地地基土層結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.2 Soil structure of site foundation

圖3 場地大厚度雜填土平面及厚度分布示意圖Fig.3 Plan and thickness distribution of large thickness miscellaneous fill in the site

由圖2和圖3可見，場地內(nèi)擬建的高層住宅樓（30～33 F）均位于大厚度雜填土區(qū)域，基底下雜填土厚度 16～24 m，且地下水位下尚分布有 2～5 m厚雜填土。由于雜填土堆積條件、堆積時間、物質(zhì)來源和組成成分復(fù)雜和差異，造成雜填土的性質(zhì)很不均勻、密度變化大、分布差異大等特點，地基處理難度極大。

3 地基處理方案分析

工程場地分布有大面積大厚度雜填土，由于雜填土工程性質(zhì)差、處理難度大，對地基處理影響極大。主要需從雜填土的處理方法、雜填土地基的利用、雜填土對樁基的影響等綜合考慮地基處理方案。

3.1 雜填土地基的處理方法

選擇雜填土地基的處理方法時，主要考慮其加固效果、經(jīng)濟費用、工程周期、環(huán)境影響以及地區(qū)經(jīng)驗等方面綜合比較，結(jié)合當?shù)爻Ｓ玫奶幚矸椒?，主要考慮以下幾種方法：

（1）強夯法：對于雜填土，處理最大厚度一般難以超過10 m（需根據(jù)處理雜填土厚度選擇合適的夯擊能）。

（2）柱錘沖孔樁法：對于雜填土，處理最大厚度不易超過 10 m；錘柱直徑 300～500 mm、長度2～6 m、質(zhì)量4～10 t。

（3）孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）：該方法先成孔至預(yù)定深度，然后自下而上分層填料強夯或邊填料邊強夯。但該方法處理地下水位以下地層時效果不佳，或者需考慮其它加固方案同時使用。對于雜填土而言，可采用機械成孔，處理深度一般不宜超過15 m，夯錘重量約10 t，成孔直徑約1 200 mm，夯后樁徑1 500～1 800 mm，中心距可按2～3 d考慮。

（4）樁基方法：采用樁基穿透雜填土層，若雜填土層厚度不大，不處理雜填土層時，需考慮負摩阻力；采用上述（1）或（2）或（3）方法預(yù)處理后，可采用正摩阻力，但應(yīng)注意大厚度雜填土的處理難度和有效處理深度，且應(yīng)注意雜填土對樁基施工的影響。

3.2 雜填土地基的利用

當考慮利用雜填土作為地基時（高層建筑不適宜），宜采取一定的建筑和結(jié)構(gòu)措施，以提高和改善建筑物對填土地基不均勻沉降的適應(yīng)能力?？刹扇∪缦陆ㄖ徒Y(jié)構(gòu)措施：

（1）建筑體形盡量簡單，以適應(yīng)不均勻沉降。

（2）基礎(chǔ)應(yīng)選擇面積大、整體剛度較好的基礎(chǔ)形狀，如筏板基礎(chǔ)、十字交叉梁基礎(chǔ)等。

（3）適當加強上部結(jié)構(gòu)的剛度和強度。

（4）當采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理，雜填土可作為部分填料使用。

3.3 大厚度雜填土對樁長的影響

工程建筑物基礎(chǔ)底面下剩余雜填土層厚度16～24 m，地下水位下尚有厚2～5 m雜填土，對地基處理難度影響極大，主要體現(xiàn)在：

（1）樁基成孔影響：若不處理上部雜填土，由于其樁身負摩阻力作用，會造成樁長很長，可能大于45 m，對于現(xiàn)有施工工藝，在未處理雜填土條件下，由于雜填土層結(jié)構(gòu)松散，顆粒骨架結(jié)構(gòu)會造成泥漿漏漿，泥漿護壁循環(huán)成孔工藝難以成孔。

（2）對雜填土本身處理質(zhì)量影響：由于雜填土厚度大，對下部雜填土處理質(zhì)量有較大影響。且地下水位下尚有 2～5 m雜填土需處理，若不進行工程降水，地下水位下雜填土處理效果難以滿足設(shè)計要求。

（3）當采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理，素土回填夯實時，由于地下水位下尚有2～5 m雜填土需處理，若不進行工程降水，地下水位下雜填土難以處理。工程場地降水方案難實施（降水井成孔難度極大）。因此，地下水位下可考慮采用級配砂石回填（必要時可采取振動措施擠密砂石）。由于下部回填砂石夯實效果可能達不到設(shè)計要求，建議采用后插鋼筋籠工藝鉆孔灌注樁+后壓漿加固處理。當采用后插鋼筋籠工藝鉆孔灌注樁時，受目前施工設(shè)備施工能力限制，最大有效樁長約33 m。

（4）當?shù)叵滤幌虏捎眉壟渖笆靥顣r，成樁時可對該部分進行后壓漿加固處理，以確保其工程效果。

3.4 地基處理方案

據(jù)上述分析，并結(jié)合建筑物設(shè)計參數(shù)，大厚度雜填土區(qū)域高層住宅樓地基處理方案為：采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法、素土回填）結(jié)合后插鋼筋籠鉆孔灌注樁與后壓漿加固工藝。SDDC素土擠密樁樁徑1 600 mm，樁間距2 200 mm，三角形滿堂布樁，樁長按全部處理完雜填土為準；后插筋鉆孔灌注樁樁徑600 mm，樁長33.00 m，三角形滿堂布樁，采用旋挖成孔和長螺旋成孔相互配合工藝；后壓漿加固工藝對地下水位下采用級配砂石作為填料段進行加固處理。

施工過程中應(yīng)注意以下注意事項：

（1）采用SDDC工法時，每次空夯擊數(shù)不小于8擊，提錘高度不小于施工作業(yè)面6 m。

（2）孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理后，由于上部3～4 m受地基土側(cè)限影響，密實度達不到要求，可對整個雜填土場地采用夯擊能量不小于100 t·m 重錘滿夯。

（3）后插鋼筋籠長度不應(yīng)小于樁長的2/3，且進入下部砂層不得小于2 m。考慮到后插鋼筋籠長度大，避免后插鋼筋籠時振搗時間過長，混凝土產(chǎn)生離稀造成樁身強度不夠問題，因此建議上部SDDC工法素土擠密樁身段采用旋挖成孔，下部砂層采用長螺旋成孔工藝相互配合施工。下部長螺旋成孔樁身段壓罐混凝土至樁頂10 m處時，直接提鉆，振搗方式插入鋼筋籠至設(shè)計深度，上部10 m樁身采用澆灌混凝土方式成樁。

3.5 大厚度雜填土地基處理設(shè)計應(yīng)注意事項

大面積大厚度雜填土區(qū)域地基處理設(shè)計時，應(yīng)注意以下事項：

（1）地基外圍防水措施問題。由于工程場地分布有大面積大厚度雜填土，不論采取哪種地基處理方案時，都應(yīng)充分考慮后期周邊環(huán)境對工程的影響。受雜填土自身材料結(jié)構(gòu)、顆粒骨架結(jié)構(gòu)影響，地基處理方案設(shè)計時，應(yīng)考慮后期浸水的影響。因此，為了有效保障工程安全性，可考慮采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理，外放3～5排灰土樁或水泥土樁，減小后期外界浸水對地基的影響。

（2）特征周期的確定。由于大厚度雜填土場地現(xiàn)場進行鉆孔剪切波速測試試驗時，其20 m內(nèi)鉆孔等效剪切波速平均值小于250 m/s，以此確定抗震參數(shù)是不合理的。可進行深孔波速測試，測試孔深不應(yīng)小于80 m，查明場地覆蓋層厚度，特征周期可根據(jù)實測等效波速及覆蓋層厚度進行綜合確定。

4 地基處理效果

地基處理效果主要由3部分構(gòu)成，分別為：樁間雜填土擠密處理效果、樁身素土擠密效果及單樁豎向承載力。

4.1 樁間雜填土擠密效果

由于雜填土難以檢測其壓實系數(shù)，對于本工程，采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理后，建議對樁間雜填土采用重型動力觸探進行檢測其密實度和均勻性。為了更直觀了解雜填土采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理后的效果，將處理前后重型動力觸探修正值繪制隨深度變化曲線進行對比分析（異常值剔除），可見圖4。

圖4 處理前后重型動力觸探修正值繪制隨深度變化曲線Fig.4 Correction value of heavy dynamic penetration test with depth before and after treatment

據(jù)圖4可知，重型動力觸探試驗結(jié)果表明：處理前雜填土沿深度方向每10 cm錘擊數(shù)（經(jīng)桿長修正后）平均值介于3～9擊，呈松散～稍密狀態(tài)。采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）處理后，沿深度方向每10 cm錘擊數(shù)（經(jīng)桿長修正后）平均值介于10～20擊，說明樁間雜填土密實度達到中密，滿足設(shè)計要求。

4.2 素土擠密樁效果

對素土作為填料的樁體可進行壓實系數(shù)檢測。經(jīng)試驗確定擬建場地素土最大干密度為1.75 g/cm3，最優(yōu)含水量為17.0%。密實度試驗用鉆芯取樣，電子天平稱重，測讀濕密度ρ，并用2個稱量盒采樣，測取含水量w，由ρd=ρ/(1+0.01w)計算干密度。根據(jù)室內(nèi)擊實試驗確定素土最大干密度ρdmax，由式λc=ρd/ρdmax計算每個樣的壓實系數(shù)λci，并由λc=(Σλci)/n，計算每根樁樁身的平均壓實系數(shù)。

為確定樁身壓實系數(shù)，采用鉆芯取樣試驗，確定SDDC素土樁密實度。樁身素土密實度試驗的試樣取自距素土樁中心1/2～2/3半徑處。每根樁的第一組試樣取自距樁頂標高1.0 m處，以后每米取樣一組。

根據(jù)試驗結(jié)果，按照上述方案施工時，樁身素土平均壓實系數(shù)均不小于0.97，滿足設(shè)計要求。

4.3 樁基豎向承載力

據(jù)3.4節(jié)中的地基處理方案，根據(jù)現(xiàn)場試樁及樁基檢測結(jié)果，單樁豎向承載力極限值均達到4 800 kN，滿足設(shè)計要求，說明工程地基方案是合理可行的。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制載荷試驗成果圖Q-s曲線和s-lgt曲線可見圖5。

圖5 Q-s曲線和s-lgt曲線Fig.5 Q-s curve and s-lgt curve

5 建筑物沉降情況

根據(jù)目前擬建工程主體均已竣工一段時間（大于3個月），根據(jù)擬建建筑物沉降觀測資料，擬建的高層住宅樓（30～33 F）最小沉降量為12.53 mm，最大沉降量為19.59 mm，相臨點的差異沉降不大，沉降均勻。為了更好了解建筑物沉降量隨時間變化規(guī)律，現(xiàn)將建筑物沉降觀測數(shù)據(jù)繪制沉降觀測時間-沉降量變化曲線，可見圖6。

據(jù)圖6可知，高層住宅樓在主體施工階段觀測時間-沉降量曲線較陡，沉降量占比重大，約占總體沉降量90%。主體施工完成后，建筑物觀測時間-沉降量曲線相對平緩，其沉降趨于穩(wěn)定。

圖6 沉降觀測時間-沉降量變化曲線Fig.6 Observed settlement with time

6 結(jié) 論

（1）對類似大厚度雜填土區(qū)域建筑，地基處理方案采用孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法、素土回填）結(jié)合后插鋼筋籠鉆孔灌注樁及后壓漿加固工藝可以滿足設(shè)計和工程要求。

（2）對此類地質(zhì)條件場地，后插鋼筋籠鉆孔灌注樁可以采用旋挖成孔和長螺旋成孔相互配合工藝，可以確保樁身質(zhì)量。

（3）對于地下水位以下的雜填土，采用級配砂石回填后與后壓降加固工藝，能滿足設(shè)計要求。

（4）此類地質(zhì)條件場地建筑物采用樁基方案后，建筑物沉降變形量不大。為更進一步了解樁的應(yīng)力分布、樁身側(cè)摩阻力和樁端阻力發(fā)揮情況，可考慮進行滑動測微計或分布式光纖測試試驗，為以后工程提供更全面參考。