SDDC樁地基處理技術(shù)在鹽什一級公路中的應(yīng)用研究

王玉金

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，甘肅 蘭州730000）

0 引言

近年來，路線穿越疑難地基的情況越來越多，因改線避讓而增加橋梁、隧道，工程造價陡增，或全部挖除而新增加大量棄方，環(huán)保問題突出，唯有進(jìn)行地基處理，然而前期設(shè)計階段很少開展現(xiàn)場試驗(yàn)，設(shè)計方案選擇不甚科學(xué)，常造成施工困難或根本無法施工，變更量巨大，已成為影響工程質(zhì)量、工期及造價的關(guān)鍵因素之一。

SDDC是由孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法（down-hole dynamic compaction, DDC）演變而來，有著DDC技術(shù)無法比擬的優(yōu)越性。該技術(shù)綜合了重錘夯實(shí)、強(qiáng)力夯實(shí)、鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁、灰土樁、碎石樁等地基處理技術(shù)，集高動能、超壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密各效應(yīng)于一體，通過特種重錘沖擊成孔、機(jī)械（大直徑鉆機(jī)、旋挖鉆機(jī)、機(jī)械洛陽鏟等）引孔或沖孔配合，施工至預(yù)定深度，迫使孔內(nèi)原狀土被擠壓、擾動和重塑，形成樁體填料的通道，然后采用特種重錘自下而上分層填料強(qiáng)夯，迫使樁周更大范圍內(nèi)的土體再次受到擠壓，強(qiáng)夯巨大的夯擊能量產(chǎn)生的波和動應(yīng)力反復(fù)作用，使土骨架產(chǎn)生塑性變形，消除了黃土濕陷性，形成串珠狀樁體與樁間土相互咬合(見圖1)，從而提高地基土的密實(shí)度和承載力，最后在樁頂鋪筑褥墊層，形成具有高承載力的復(fù)合地基。

圖1 成樁擠密示意圖

1 研究區(qū)地質(zhì)、水文狀況

蘭州北繞城東段高速公路鹽場堡至什川一級公路K5+580～K7+055段沿大浪溝布線(見圖2)，主要以填方路基通過，溝道呈“U”型，溝底寬度80-120m，大部分為人工平整后的建筑用地，兩岸自然斜坡坡度50°-80°，植被覆蓋率20%左右。根據(jù)地勘報告(詳勘)[1]，地層巖性①主要為雜填土，厚4-20m，磚紅色、青灰色、灰褐色等雜色，稍濕、稍密-中密，以黃土狀土為主，含砂巖碎塊、粉土、卵石及鐵絲、塑料袋等生活、建筑垃圾。②細(xì)砂，淡粉色，稍濕、稍密，成分以石英長石為主，云母、粉粒含量較高，含少量礫石顆粒；或者②/粉土，黃褐色，濕-飽和，土質(zhì)較均勻，含少量卵礫石及砂巖碎屑，約占3%，局部呈軟塑狀，縮孔嚴(yán)重。③強(qiáng)風(fēng)化白堊系砂巖，褐紅色，泥質(zhì)弱膠結(jié)，層狀構(gòu)造，巖芯呈短柱狀，錘擊易碎，礦物成分以石英，長石為主。溝內(nèi)無常年性流水，地下水類型為基巖裂隙水，主要分布于溝道白堊系砂巖裂隙中，一般分布不連續(xù)，無穩(wěn)定的水位面，受大氣降雨補(bǔ)給；工程地質(zhì)條件復(fù)雜。

圖2 公路線位平面圖

該路段的主要問題是填方路基的穩(wěn)定性。填方路基位于大浪溝道雜填土地基上，其分布廣、厚度大、土質(zhì)松軟、微地貌人為擾動嚴(yán)重，地基的壓實(shí)度變化較大，且無規(guī)律性。另外，受黃土濕陷性影響，地基穩(wěn)定性差，易造成新填路基不均勻沉降。由于雜填土地基體量很大，無法完全挖除，因此，需采用工程措施進(jìn)行處理。

2 主要問題

《蘭州北繞城東段高速公路鹽場堡至什川連接線兩階段施工圖設(shè)計》[2]中，該路段地基采用灰土擠密樁進(jìn)行處治?；彝翗吨睆?0cm，樁間距1.2m，樁長10m；等邊三角形布置；灰土樁樁身采用過篩素土拌和消石灰粉，灰、土體積配合比為3:7；樁頂標(biāo)高以上設(shè)置80cm厚的2:8灰土墊層，壓實(shí)度不小于96%。但是在實(shí)際成孔施工過程中，沉管拔出后，4～5m深度以下即縮孔，松散土體掉落造成塌孔，在不同位置試驗(yàn)5～6根樁，均不能夠完整成孔(見圖3所示)。由于成孔無法完成，灰土亦無法回填，因此，需要變更原設(shè)計方案。

圖3 塌孔

3 方案擬定

3.1 分析地勘資料

根據(jù)該路段地質(zhì)鉆孔柱狀圖(僅列舉K6+685樁號右側(cè)17m，見圖4)，得出計算參數(shù)地基承載力基本容許值[fa0]及摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qk(見表1)。

圖4 鉆孔柱狀圖

表1 地基參數(shù)

3.2 地基承載力驗(yàn)算

從表1可知，天然地基承載力基本容許值[fa0]均小于等于150kPa；而K5+580～K7+050段填高不均勻，最大填高約10m，見表2。

表2 路基填土高度

根據(jù)土工試驗(yàn)，最佳含水量下填土最大容重19.8kN/m3，則填土在原地基表面產(chǎn)生壓應(yīng)力p=10×19.8kPa。根據(jù)JGJ 79-2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[3]及《工程地質(zhì)手冊》(第五版)[4](圖5)，由于存在粉土類軟弱下臥層，填土產(chǎn)生的垂直壓力會分散，需驗(yàn)算軟弱下臥層頂面的應(yīng)力。根據(jù)鉆孔資料，取最小厚度的持力層h=3.7m，其變形模量E1=18MPa，下臥層變形模量E2=7.8MPa；持力層及下臥層的泊松比分別為υ1=0.25，υ1=0.3；與土的壓縮性有關(guān)的系數(shù)

圖5 應(yīng)力計算圖

v=[E1×(1-υ2)2]÷[E2×(1-υ1)2]=[18×(1-0.3)2]÷[7.8×(1-0.25)2]=2.01；b1=13.2m；查表并計算得附加應(yīng)力系數(shù)α=1；則垂直應(yīng)力作用下，持力層與軟弱下臥層分界面中心產(chǎn)生的附加應(yīng)力δz=α×p=1×198=198kPa。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)論，地基層重度rm=20.1kN/m3，則地基層在軟弱層頂面產(chǎn)生的自重應(yīng)力δcz=20.1×3.7=74.4kPa；軟弱下臥層承載力fak=90kPa，并查表取粘粒含量≥10%（未做試驗(yàn)）的最不利情況，粉土層地基埋深承載力修正系數(shù)ηd=1.5，根據(jù)GB 50007-2011《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》[8]，軟弱下臥層頂面進(jìn)行埋深修正后的承載力fa=fak+rmηd(h-0.5)=90+20.1×1.5×(3.7-0.5)=186.5kPa；因此，下臥層承載力不滿足路堤填高要求，應(yīng)進(jìn)行地基處理。經(jīng)現(xiàn)場踏勘后，初步擬定沖擴(kuò)樁(SDDC)地基處理方案。

3.3 理論分析

根據(jù)《地基極限承載力的計算》[5]中魏克西擴(kuò)孔理論的橢球形樁擴(kuò)孔，見圖6。要想知道SDDC樁復(fù)合地基的承載力，必須分析擴(kuò)孔后復(fù)合地基的剛度指標(biāo)Ir，并根據(jù)其判定地基土的破壞模式，然后分析在一個同心球面上的所有點(diǎn)都具有相同的應(yīng)力狀態(tài)，見圖7。

圖6 空的擴(kuò)張圖

圖7 點(diǎn)的應(yīng)力圖

所有力建立半徑方向的平衡微分方程，通過庫侖-摩爾破壞條件，并引入塑性區(qū)內(nèi)體積應(yīng)變，依據(jù)徑向位移的拉梅解，在彈性區(qū)與塑性區(qū)的交界處，亦即在r=Rp處，應(yīng)力δr與δθ必須滿足極限平衡條件：δr-δθ=（δr+δθ）sinφ+2c cosφ，最終計算地基土剛度指標(biāo)：

式中：

E—土的變形模量；

v—土的泊松比；

c—土的內(nèi)聚力；

φ—土的內(nèi)摩擦角。

經(jīng)過SDDC樁處理后的地基剛度指標(biāo)計算結(jié)果Ir=15；考慮形狀系數(shù)，ξc=1+BNq/LNc，ξq=1+(B/L)·tgφ，ξγ=1-0.4B/L，承載該段路堤的地基可看作條形基礎(chǔ)，B/L=0，則 形狀系數(shù)ξc=ξq=ξγ=1，于是地基承載力公式qf=cNcξc+qNqξq+0.5γBNγξγ變成qf=cNc+qNq+0.5γBNγ，計算得處理后地基極限承載力qf=683kPa。上述計算是把地基土當(dāng)作理想剛塑性材料，沒有考慮到地基土破壞前的壓縮變形，換言之，計算結(jié)果只適用于地基土的整體剪切破壞的情況。為了判定計算結(jié)果是否合理，還需判定地基是否只屬于整體剪切破壞。依據(jù)魏西克三種地基土破壞模式，即整體剪切破壞、局部剪切破壞和刺入剪切破壞，還需計算臨界剛度指標(biāo)：(Iγγ)crit=0.5exp[(3.30-0.45B/L)·ctg(450-φ/2)]=46；很明顯，15<46，即Iγ<(Irr)crit，則說明地基土被壓縮，發(fā)生了體積變形，地基不屬于整體剪切破壞，地基承載力必須加以修正。和形狀系數(shù)一樣，引入壓縮性系數(shù)：，ξcc=ξqc-((1-ξqc)/Nc)·ctgφ=0.412，代入考慮壓縮系數(shù)的地基承載力計算公式：qf=(cNcξc)·ξcc+(qNqξq)ξqc+(0.5γBNγξγ)·ξγc=517kPa。很明顯，考慮了土的可壓縮性后，地基極限承載力由683kPa降低到517kPa，因此，通過上述理論分析得出復(fù)合地基承載力可采用517/2=268kPa。

3.4 現(xiàn)場成孔及成樁試驗(yàn)

選定較平坦且地層結(jié)構(gòu)具有代表性的K6+630～650路段進(jìn)行試驗(yàn)(見圖8）。依據(jù)CECS 197:2006《孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法技術(shù)規(guī)程》[6]，樁孔按正三角形布置，每個成孔直徑1.2m，成樁直徑大于2m，樁間距3.6m，滿堂布樁共計6排36根樁。為避免出現(xiàn)局部樁位偏移量過大，現(xiàn)場采用全站儀測量坐標(biāo)放孔，并用白灰做好成樁標(biāo)記。當(dāng)履帶吊就位后，錘(重11.5t)尖中心應(yīng)對準(zhǔn)孔位(灰點(diǎn))，然后起吊，提升高度6～10m，沖擊成孔，當(dāng)最后一次沖擊成孔深度與前一次深度之差不大于50mm時，成孔完成，如遇孔底出現(xiàn)松散、淤泥質(zhì)土層，可向孔內(nèi)填入一定數(shù)量的硬骨料(如大粒徑石塊、碎磚塊等)，擠密樁端土。之后進(jìn)行成樁試驗(yàn)，每孔進(jìn)行2擊空夯后鏟車回填，每鏟車回填料約3m3；回填料分2:8灰土和素土兩種，素土有機(jī)質(zhì)含量控制在8%以內(nèi)，并嚴(yán)格控制含水率不大于15%；每次回填方量和錘擊次數(shù)要匹配，確保樁體壓實(shí)度不小于96%、成樁直徑不小于2m；由于樁頭土側(cè)壓力越來越小，樁頭部位容易出現(xiàn)鼓包，所以應(yīng)適當(dāng)降低提錘落距和調(diào)整回填擊數(shù)，保證成樁長度和樁頭部位強(qiáng)度；循環(huán)夯實(shí)成樁至樁基頂面設(shè)計標(biāo)高后，殘余夯坑深度不大于40cm；得出SDDC復(fù)合地基處理工程試樁數(shù)據(jù)(見表3)，則可知沖擴(kuò)樁實(shí)際平均沖入深度7m，錘頂部影響深度2m，平均有效處理深度9m。

圖8 現(xiàn)場試驗(yàn)

表3 SDDC現(xiàn)場記錄表(工程名稱:鹽什公路(樁徑2m))

3.5 復(fù)合地基承載力檢測

為確保工程質(zhì)量以及驗(yàn)證理論分析結(jié)果，進(jìn)行單樁復(fù)合地基承載力檢測，見《檢測報告》JC2015-090[7]，其中，灰土擠密樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)共布置2個點(diǎn)，編號分別是HT1#、HT2#，素土擠密樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)布置1個點(diǎn)，編號為ST3#，3個檢測點(diǎn)平面位置見圖9。采用壓重平臺反力裝置、液壓千金頂每次增加50kN的頻率加載，直至500kN終載。

圖9 監(jiān)測點(diǎn)平面布置圖

3.5.1 灰土1#樁承載力的確定

HT1#樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表4，P-S曲線見圖10。

表4 SDDC1#樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)匯總表（一）

由圖10可知，HT1#樁P-S曲線為平緩的光滑曲線(緩變型),根據(jù)JGJ 79-2012[3]附錄B.0.10分析，加載至250kPa對應(yīng)沉徑比s/d=0.002<0.008，因此HT1#檢測點(diǎn)承載力特征值取250kPa。

圖10 SDDC 1#樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線圖

3.5.2 灰土2#樁承載力的確定

HT2#樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表5，P-S曲線見圖11。

表5 SDDC復(fù)合地基載荷試驗(yàn)匯總表（二）

由圖11可知，HT2#樁P-S曲線為平緩的光滑曲線(緩變型),同理根據(jù)JGJ 79-2012[3]分析，加載至250kPa對應(yīng)沉徑比s/d=0.0025<0.008，因此HT2#檢測點(diǎn)承載力特征值取250kPa。

圖11 SDDC 2#樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線圖

3.5.3 素土3#樁承載力的確定

ST3#樁載荷試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表6，P-S曲線見圖12。

表6 SDDC復(fù)合地基載荷試驗(yàn)匯總表（三）

由圖12可知，ST3#樁加載至500kPa時沉降急劇增大，承載板周圍出現(xiàn)明顯的隆起，因此ST3#檢測點(diǎn)承載力特征值取450/2=225kPa。

圖12 SDDC 3#樁復(fù)合地基載荷試驗(yàn)曲線圖

由此可見，SDDC 1#、2#灰土樁承載力特征值250kPa，SDDC 3#素土樁承載力特征值225kPa，均小于復(fù)合地基承載力理論分析值268kPa。工程實(shí)踐中采用試驗(yàn)值，而理論分析值僅在方案初始論證階段作為判斷方案可行性的重要依據(jù)。

3.6 方案選定

3.6.1 承載力比較

1）灰土樁復(fù)合地基承載力250kPa>198kPa、素土樁復(fù)合地基承載力225kPa>198kPa,即地基經(jīng)SDDDC樁基措施處理后承載力均滿足。

2）驗(yàn)算軟弱下臥層頂面承載力：地基采用SDDC素土樁處理后，有效樁長9m，則軟弱下臥層頂面應(yīng)為地表下9m位置，且取素土樁復(fù)合地基泊松比υ=0.2，根據(jù)地基巖土構(gòu)成，參考《工程地質(zhì)手冊》公式3-5-11，計算其變形模量：

E1=I0(1-υ2）pd/s=0.785×(1-0.22)×250×3.78/14.29

=50MPa

下臥層變形模量E2=7.8MPa；下臥層泊松比不變υ2=1.5；則與土的壓縮性有關(guān)的系數(shù)v=[E1×(1-υ2)2]÷[E2×(1-υ1)2]=[50×(1-0.3)2]÷[7.8×(1-0.2)2]=4.91；查表并計算附加應(yīng)力系數(shù)α=0.86；則在垂直應(yīng)力作用下，持力層與軟弱下臥層分界面中心產(chǎn)生的附加應(yīng)力σz=α×p=0.86198=170.3kPa；根據(jù)素土樁土工試驗(yàn)地基層重rm=21.8kN/m3，在軟弱層頂面產(chǎn)生的自重應(yīng)力σcz=21.8×9=196.2kPa；則軟弱下臥層頂面進(jìn)行埋深修正后的承載力：

因?yàn)?，σz+σz= 170.3+ 196.2 =366.5kPa

且366.5<368，所以σz+σcz＜fa，即下臥層承載力滿足路堤填高要求。也就是，采用SDDC素土擠密樁處理地基后，地基承載力足夠。

3.6.2 經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)測算，SDDC素土擠密樁約864元/m，SDDC灰土擠密樁約1093元/m，顯然SDDC素土擠密樁更加經(jīng)濟(jì)。

綜上所述，鹽什一級公路K5+580～K7+050段地基經(jīng)過SDDC素土擠密樁處理后，滿足GB 50202-2002《建筑地基基礎(chǔ)工程質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范》[9]的要求，公路路基填筑順利，施工及通車至今沒有出現(xiàn)地基沉降、失穩(wěn)現(xiàn)象，公路運(yùn)營效果良好。

4 結(jié)語

SDDC樁地基處理技術(shù)適應(yīng)性強(qiáng)，施工周期短，環(huán)保特色突出，特別是公路路線必須經(jīng)過垃圾場、工業(yè)廢料堆場(無機(jī)無毒固體)等雜填土場地時，SDDC樁地基處理方案成本低，綠色環(huán)保，實(shí)用性強(qiáng)，綜合效果顯著(見表7)。

表7 SDDC樁技術(shù)特性