南水北调中线工程复杂条件复合载体夯扩桩施工参数确定

田福凯

（河北省水利水电勘测设计研究院，天津300250）

1 概述

复合载体夯扩桩技术，由北京波森特岩土工程有限公司董事长王继忠先生专利发明，在国内许多地区得到很好地推广应用，其施工原理源于我国北方农村普通民居地基处理中使用的土夯加固技术，即在拟建场地属软弱地基的情况下，采用孔内深层强夯的方法，通过科学的施工参数控制，利用柱锤对地基土体进行连续夯击、成孔、填料、再夯击的过程，在被加固土层中形成由干硬性混凝土或夯实填料构成的复合载体，从而使地基得到加固。其加固机理主要有4点：①成孔及成桩过程中对原土的动力挤密作用；②对原土的动力固结作用；③充填置换作用（包括桩身及挤入桩间土的骨料）；④生石灰的水化和胶凝作用（化学置换）。其适用的地层是杂填土、粉土、粘性土、素填土和黄土等地基。目前可供参考的规范为JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》中的“柱锤冲扩法”和JGJ/T135—2001《复合载体夯扩桩设计规程》。

南水北调中线干线工程漳古段部分工程的地基处理采用了复合载体夯扩桩，其中沙沟河排洪渡槽位于河北省沙河市境内，干线桩号为82＋406，渡槽总长358.5m，由进口段、槽身段、出口段组成。根据初勘察发现，地基地层40m深度内由上至下依次为：0～16.5m为第四系上更新统冲洪积（al＋plQ33）的黄土状壤土，其中11.0～13.0m深度夹粉细砂或粗砂薄层；16.5～22.0m为第四系中更新统冰川堆积（glQ12）泥砾；22.0～32.0m为下更新统冰水堆积（fglQ1）的壤土和粘土；32.0m以下为二叠系下石盒子组（P1x）的砂岩，局部为泥岩。原位测试结果为：泥砾层上部的土体承载力不足90kPa，不能满足上部荷载要求。

为提高地基承载力，确保工程安全运用，设计考虑采用夯扩碎石桩进行地基处理。但是试桩阶段发现处理后的复合地基承载力仍达不到设计要求，致使本工程地基处理经历了方案设计—施工试桩—检测不合格—方案变更—正式施工—施工桩复合地基检测满足要求的一个比较复杂的过程。

2 方案设计及试桩结果

原设计方案为：①地基处理采用复合载体夯扩桩，桩径600mm，梅花形布置，挡墙下间距为1.6m，底板下间距为2.0m；②桩身填料为碎石（或卵石），施工按最后三击贯入度不大于100mm控制；③施工结束后基础底面铺300mm厚碎石土垫层，碎石与粘土的体积比为4∶6；④复合地基承载力不小于200kPa，载荷试验的累计沉降量不大于50mm。

试桩阶段分别在进口和出口完成各2组共12根试桩，施工各环节严格按设计和规范要求进行。但试桩结束后的地基承载力检测结果显示，复合地基承载力进口段为155～157kPa，出口段为156～172kPa，均不能满足设计要求。

3 原因分析

试桩施工检测初期，发现复合地基的承载力达不到设计要求，为避免人为原因所致，在后序的试桩施工中严格控制了各施工环节，包括：成孔深度、夯填料填入量及其粒径级配、单击贯入度、护筒提升高度等，但结果仍不能达到要求。经分析认为：由于地下水位较高，埋深为地表以下2.6～2.7m，施工时地下水位以下的夯锤冲击力锐减，最终导致水位以下夯填料达不到设计要求的密实度。

根据JGJ79—2002《建筑地基处理技术规范》规定，“柱锤冲扩法对地下水位以下的饱和松软土层，应通过现场试验确定其适用性。地基处理深度不宜超过6m，复合地基承载力特征值不宜超过160kPa”，相应条款的条文说明为“对地下水位以下饱和松软土层冲孔时坍孔严重，有时甚至无法成孔，在成桩过程中地面隆起严重，经检测桩底及桩间土挤密效果不明显，桩身质量也较难保证，因此对上述土层应慎用。”根据JGJ/T135—2001《复合载体夯扩桩设计规程》规定，“夯扩体的投料量”应使“夯击后地面隆起不得大于50mm”。

因此，最终确认复合地基承载力达不到设计要求的主要原因是地下水位较高，地下水位以下的地层不适宜采用夯扩碎石桩法处理。

4 方案变更

为保证工程进度，设计部门会同有关专家及时对上述情况进行了认真分析和研究，经对地质资料的认真分析，对上部结构荷载的复核，对施工工艺和参数的进一步确认，最终将设计方案调整为：①挡墙下复合载体夯扩桩桩身填料改为C25素混凝土，桩径430mm，间距1.6m，正三角形布置；②底板下复合载体夯扩桩桩身填料为碎石、卵石或碎砖，桩径600mm，间距2.0m，正三角形布置，不同桩距交叉位置附近的桩位可在施工中适当调整；③施工结束后基础底面铺300mm厚碎石土垫层，碎石与粘土的体积比为4∶6；④进口桩长13.2m，出口桩长9.8m；⑤挡墙下复合地基承载力不小于200kPa，底板下复合地基承载力不小于120kPa，载荷试验的累计沉降量不大于50mm。

对比设计桩长和地层资料可知，桩长范围内地层主要为黄土状壤土和砂层，大部分位于地下水位以下。

5 夯扩桩施工工艺及质量控制

本工程设计方案变更后，夯扩桩类型包括两种：夯扩混凝土桩和夯扩碎石桩。施工采用的柱锤及自动脱钩装置均为沧州市机械施工有限公司的产品，柱锤直径为377mm，长度为5m，凹形底，符合规范要求。为保证施工质量，制定了严格的施工工序和质量控制措施。

5.1 夯扩混凝土桩

5.1.1 施工工艺

（1）确定桩位：测量人员依据设计桩位布置图进行放线，并用木桩标记，经监理复验合格后进行下道工序。

（2）夯机就位：桩位确定后，移动夯机就位，使护桶中心与桩位对齐，然后将护桶放置到地表，调整护桶垂直度，用线锤吊线检查护桶的垂直度，确保控制在1.5%之内。

（3）沉护桶：先用细长锤低落距轻夯成孔，护桶同时下压，边成孔边下压护桶直至将护桶沉至设计桩底标高以上2m。

（4）检测：成孔后进行孔中心位移、垂直度、孔径、孔深等检验，合格后进行下道工序。

（5）填料夯击：提升柱锤高出填料口，进行碎石填充、夯击，测三击贯入度符合设计要求（≤15cm）后，再填入干硬性混凝土夯击。

（6）在护桶填料口向护桶内灌注混凝土，灌注混凝土标高比设计桩顶标高高出0.5m，缓慢匀速提升护桶。

5.1.2 质量控制标准

（1）桩孔的垂直度不大于桩长的1.5%。

（2）桩位允许偏差不大于0.4倍的桩径。

（3）桩径允许偏差为－20，＋50mm。

（4）载体干硬性混凝土控制在0.3m3以内，三击贯入度不大于150mm。

（5）对于桩身混凝土已达到终凝的相邻桩，上浮量不宜大于20mm；对于桩身混凝土处于流动状态的相邻桩，上浮量不宜大于50mm。

5.2 夯扩碎石桩

5.2.1 施工工艺

（1）准备工作：施工放线、定桩位、试机等。

（2）桩机就位，调整桩机垂直度。

（3）根据试验报告推荐的参数，进行以下工序：

①成孔孔底高程按高于设计桩底高程0.2m为宜。

②先用细长锤低落距轻夯成孔，护桶同时下压，边成孔边下压护桶直至将护桶沉至设计桩底标高以上1.0～1.5m。

③提升柱锤高出填料口，进行填料，要求分层填料夯击，以量斗定量，每次填料量0.20m3，填充料为碎石和碎砖。

④桩顶至桩顶高程以下2m段，每次填料柱锤提升高度为2m，夯击5次；桩顶高程以下2m至桩底以上0.5m，每次填料柱锤提升高度为5m，夯击4次；桩底以上0.5m至桩底段，每次填料柱锤提升高度为5m，夯击5次；控制单击贯入度不大于15cm，且后一次贯入度不大于前一次贯入度。

⑤提护桶：护桶提升时要缓慢匀速，保证桩体符合设计要求。

⑥检测：成孔后进行孔中心位移、垂直度、孔径、孔深、桩顶标高等检验，合格后进行下道工序。

5.2.2 质量控制标准

施工过程中按规范要求做好各种施工技术参数的原始记录，质检员随时进行施工过程检查，并对预定的施工工艺进行质量评定。

（1）桩孔的垂直偏差不大于桩长的1.5%。

（2）桩位允许偏差不大于0.4倍桩径。

（3）每次填料量约为0.20m3。

（4）夯击过程中对单击贯入度进行抽检，单击贯入度不大于15cm。

（5）最后三击贯入度不大于10cm。

6 桩基检测

工程桩竣工后，分别对进口和出口的夯扩混凝土桩和夯扩碎石桩复合地基承载力进行载荷试验检测，对桩身进行了低应变桩身完整性检验，检测数量满足规范要求，检测结果为①各单桩复合地基承载力特征值大于208kPa，满足设计要求（≥200kPa）；②抽检的工程桩全部为I类完整桩，单桩的波速范围为3656～3946m/s，平均值为3788m/s。

7 经济比较

工程结束后，进行了经济分析与比较，发现此方案比振冲碎石桩方案节约投资约30%，比CFG桩方案节约投资约20%。

8 结语

复合载体夯扩桩是一种新兴的地基处理方法，其理论尚不成熟，工程实践较少，实际施工过程中会遇到各种各样的问题，成孔和成桩工艺及处理效果直接受到土质条件和地下水的影响，因此施工中进行试桩及相应的试验非常必要。但本工法工艺简单，桩体材料可就地取材，且价格低廉，当制定出完善的设计和施工方案后，仍不失为一种经济有效、值得推广的地基处理方法。

［1］《工程地质手册》编写委员会.工程地质手册（第四版）［K］.北京：中国建筑工业出版社，2007.

［2］JGJ/T135—2001，J121—2001，复合载体夯扩桩设计规程［S］.

［3］《地基处理手册》编写委员会.地基处理手册［K］.北京：中国建筑工业出版社，1993.