夯扩挤密渣土桩在杂填土中的加固机理分析及应用

肖西卫，沈宇鹏，陈万成，范玥辉，蔡小培

(1.中交公路规划设计院有限公司，北京100088;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044; 3.轨道工程北京市重点实验室，北京100044;4.北京铁路局质量监督站，北京100860)

夯扩挤密渣土桩在杂填土中的加固机理分析及应用

肖西卫1，沈宇鹏2，3，陈万成2，范玥辉4，蔡小培2，3

(1.中交公路规划设计院有限公司，北京100088;2.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044; 3.轨道工程北京市重点实验室，北京100044;4.北京铁路局质量监督站，北京100860)

杂填土成分和工程性质复杂，若处理不当会因不均匀沉降造成其上构筑物的破坏。论文以位于垃圾填埋区域的铁路站场工程实例为背景，研究渣土桩加固杂填土地基的作用机理，并通过与杂填土注浆处理方案对比，分析两种方案地基处理前后的沉降量、承载力、动弹性模量等技术指标。结果表明:采用夯扩渣土桩承载力提高达2倍，动探击数提高2.5倍，动弹性模量平均提高1.2倍，而注浆处理效果并不明显，这说明渣土桩在处理大面积杂填土地基中具有良好的适用性。

杂填土 渣土桩 加固机理 注浆 地基承载力 动弹性模量

随着经济一体化大格局的形成、城市规模也在不断扩大，生活垃圾也在不断增加。然而大多数发展中国家采取露天堆放、自然填沟的原始处理方式，不但污染环境，而且造成大量的土地浪费，如何处理城市建设与城市用地成为当今社会的重要课题。在垃圾填埋场等杂填土地段建设基础设施，可以有效解决城市用地紧张的局面。目前国内对于杂填土的处理方式主要有换填法、强夯法、碎石桩及灰土桩。对于大面积深厚杂填土地基，上述方法显得不经济。随着地基处理技术的发展，作为新型地基处理加固技术的夯扩挤密渣土桩应运而生，渣土桩因其材料费用低、适应性强被广泛应用于湿陷性黄土、杂填土、含水率低的软弱土等地基中。目前，对于杂填土的加固机理的研究还处在初级阶段，应用渣土桩进行地基处理工程案例非常少，在工后沉降要求非常严格的铁路地基处理中几乎没有使用过。由于杂填土堆积物回填时间不同、颗粒大小不均、具有较强的湿陷性，使其力学性质具有较大的离散性，给工程的设计施工带来诸多困难。本文以某一铁路站场地基处理为例，对夯扩渣土桩与注浆法两种地基处理方法的效果进行对比，对不同渣土桩的设计参数进行分析，在此基础上提出经验性设计参数，以期为类似工程提供参考。

1 杂填土工程性质及渣土桩工作机理

1.1 杂填土工程性质

杂填土一般成分为城市生活垃圾及建筑垃圾，成分复杂，含有大量的有机及无机物质。主要特点:①成分不一，土质呈不连续和各向异性，造成杂填土的工程性质不稳定;②粒径大小不一，孔隙率较大，导致后期的不均匀沉降大;③厚度不一，造成沉降量计算困难;④其性质随着时间、深度和位置而改变。

杂填土的成分随着地域和生成环境的不同而不同，处在同一地区的杂填土不同时期也存在着差异，我国目前杂填土的一般成分如表1所示［1］。可知，有机废物占37.5%，无机废物占62.5%。

表1 我国城市杂填土的一般成分%

1.2 渣土桩的加固机理

1.2.1 宏观机理分析

夯扩挤密法通过重锤对填入孔内的建筑垃圾等填料分层强夯来成桩。首先在地基中进行成孔，将建筑垃圾等填料填入桩孔底部，重锤在一定高度自由下落产生高动能，对填料进行砸、冲、挤，桩体在锤击作用下底部不断挤压桩周，桩间土被挤压密实，地基土发生了从置换到挤密再到固结的变化。土体在冲击作用下向孔四周挤压，桩间土逐渐被挤密，分层夯实，如此重复，桩间土不断受到挤压，从而将地基加固，渣土桩与有一定强度的桩间土共同形成复合地基［2］。

由于桩径相对较小，在相同夯锤重和落距的条件下，孔内单位面积内夯击能量比强夯法大得多，因而地基的加固效果也较强夯明显。重锤高空落下产生的冲击能使土体产生塑性变形，从而改善杂填土的变形特征，提高土体的密实度及抗剪强度。

除了重锤的冲击使桩体密实，由于力的相互作用，在桩对桩周产生挤压力的同时，桩周土对桩体也同样产生约束作用，导致桩体既有刚性桩的特性，也有柔性桩的特性。杂填土场地建筑垃圾、生活垃圾混杂在一起，形成非均匀的土质，呈现出不均匀的层状分布。对于像杂填土这类软硬不均、分层不均的土体，桩体在重锤夯击的过程中，会形成串珠体，将桩体与桩周土紧密咬合，从而加强了桩体的侧向摩阻力，并且随着重锤的不断夯击，层与层之间相互滑动错位，影响的范围不断增加。处理后的复合地基不仅刚度均匀，而且承载力显著提高。

1.2.2 微观机理分析

重锤夯击产生的瞬时冲击波从夯击点往四周扩散，在传播过程中不断扰动土体，使土体颗粒逐渐密实，孔隙率降低，土体变得更加紧密，填料颗粒接触面增大，增大了黏聚力，提高了内摩阻力，减小了形变，从而快速高效地达到挤密填料的目的。

冲击波在土体颗粒介质中不断往外扩散，在冲击能的作用下土体颗粒发生错位和移动，往复的冲击使土体颗粒聚合。在锤击过程中，土体颗粒首先以就近聚合为主，随着夯击次数的增多，进一步聚合使夯实后的土体颗粒重新排列，比夯击前更为紧密，土体中较小的土粒在挤压作用下沿大颗粒环向平行排列而形成旋涡状结构。这种结构的存在是夯击后土体的工程力学性质得到改善的根本原因，同时孔隙率也显著减小，土颗粒接触面积增大［3］。

土体密实主要是由于重锤的冲击作用，土体颗粒克服了其间的摩阻力，重新排列为更为紧密的结构，破坏了颗粒之间的架空结构，减小了孔隙。同时在冲击作用下小颗粒填充到大颗粒之间，使土体更加密实，结构更加稳定。地基的沉降变形也由大变小，逐渐降低，最后趋于稳定，地基土则由塑性状态转为弹塑性状态，最后接近于弹性状态。

2 工程案例

站场地处厚层杂填土中，该区域多年生活垃圾、建筑垃圾堆积，造成埋深较大，且深度随地势而改变，最深处达到8 m左右，平均深度为6 m。由于杂填土的特殊性，且渣土桩没有规范可循，因此需要通过现场试验来提出相应的设计参数。设计单位拟定了两个地基加固方案，拟通过试验，以桩间距、沉降量、横纵波为地基加固效果的评价指标，择优选取加固方案。

2.1 处理方法

A，B两区杂填土的成分见表2。A区杂填土厚度6.4 m，B区杂填土厚度6.2 m。分别在这两区采用注浆和渣土桩两种地基处理方法，将A区又划分为不同注浆压力的两个亚区，B区又划分为不同桩间距的三个亚区。试验区的平面布置见图1。

表2 A、B区杂填土成分含量%

图1 试验区平面布置

2.2 试验方法

在地基试验前后，分别对2个试验区进行了动力触探试验、单桩静载荷试验和波速测试获取对应的力学指标，对比其处理效果。

2.2.1 注浆试验(A区)

对A区采用2 MPa和5 MPa两种注浆压力进行注浆加固。设计参数如下:注浆孔直径110 mm，深度10 m，全孔注浆，浆材配合比为水∶水泥∶粉煤灰∶水玻璃=1∶0.6∶0.4∶0.05，水泥采用P.O32.5普通硅酸盐水泥，水玻璃浓度38～43 Be'，细度模数2.4～3.4。

注浆结束的标志:地面冒浆或者地面发生隆起或龟裂。注浆时先边排、后中排，间隔跳跃式进行。注浆前做好孔口的止浆工作，在注浆过程中对地表及附近建筑物进行变形监测。注浆过程中发现压力突然下降、流量突然增大时，应立即停止，检查是否冒浆跑浆，速度控制在30～50 L/min。

2.2.2 渣土桩试验

对B区采用不同桩间距进行渣土桩加固。试验桩长9 m，桩径0.5 m，按照1.6，1.8和2.0 m三种桩间距等边三角形布桩，每种桩间距大致布置50根。采用长5 m，直径0.335 m的柱状重锤扩桩机。提升高度控制在8～10 m，填料采用建筑垃圾，最大粒径不超过15 cm，每次填料的厚度控制在50 cm，填料每次夯击2～3次，贯入变形最后一击控制在20 cm以内。

2.3试验结果与分析

2.3.1 动探试验

在A，B区不同注浆压力和不同桩间距试验前后各钻了1个动探孔分别进行对比。做动探试验时，保证重锤沿导杆垂直下落，锤击频率控制在20击/min，现场实测数据需要做深度修正。A，B区试验前后动探击数的对比曲线见图2。

图2 A，B区试验前后动探击数的对比曲线

由图2(a)可见:不同的注浆压力对地基土的加固效果并没有明显的差别，但是同处理前相比，注浆对地基土的加固效果有明显提高，在5 MPa注浆压力下，2～5 m深处动探击数较处理前提高约100%，随着穿过杂填土段，与处理前相比提高效果变得不明显，但是注浆后杂填土以下的地基土承载力还是有所提高。这是因为浆液通过土体的孔隙进入下层土体，与土体凝结成为整体，起到了提高地基承载力的作用。

由图2(b)可见:采用不同桩间距加固处理后地基土的承载力有着较大的区别，其中1.6 m桩间距的处理效果最好，2.0 m桩间距的处理效果最差，地基表层加固效果与处理前基本无差别，主要是因为表层土体没有约束，土体颗粒会向上移动，致使加固效果不明显。随着深度的增加，加固效果越来越明显。在3 m深度时效果最为明显，渣土桩处理后动探击数提高了200%以上，注浆处理后动探击数提高了75%左右。在6.4 m深度以下，由于穿过了杂填土层，动探击数趋于相同。根据《铁路工程地质原位测试规程》中依据动探击数推算地基承载力的方法，可求得处理前地基承载力为90 kPa，注浆处理后为180 kPa，渣土桩处理后为250 kPa。总体而言，渣土桩处理此类地基土的效果优于注浆。

2.3.2 单桩静载荷试验

采用平板载荷试验测定试验区的地基承载力，在A，B区分别采用不同的注浆压力和不同的桩间距进行地基处理，并对每个亚区进行单桩静载试验。选取50 cm×50 cm的刚性承压板，在安装之前整平板下的试坑面，使承压板与试坑面均匀接触，逐级加载。沉降曲线见图3。

图3 A，B区加固处理后P-S曲线对比

由图3(a)可见，A区荷载加载到200 kPa左右，P-S曲线开始出现明显的拐点，随后沉降明显增大，说明地基土开始破坏。注浆压力大小并没有对加固效果产生明显影响。主要是因为杂填土内的孔隙相互贯通，孔隙率很大，浆液不需要很大的压力就能够贯穿于整个土体中。

由图3(b)可见，B区桩间距1.6 m和1.8 m的区块内加荷至275 kPa时，地基土未出现破坏现象，且未出现明显的拐点和陡降段，P-S曲线为一条完整连续的平缓光滑曲线。桩间距2.0 m区块加荷至225 kPa时出现拐点，说明地基出现破坏。

2.3.3 波速测试

波速测试是通过测试岩土弹性波速度，用以确定与波速相关的岩土参数，检验岩土加固与改良效果的一种原位测试方法。根据实测获得的弹性波速(剪切波速和压缩波速)，即可计算土体的动弹性力学参数，为工程设计提供参考［4］。计算公式为［5］

式中:μ为泊松比;VP为压缩波速度，m/s;VS为剪切波速度，m/s;ρ为介质密度，g/cm3;Ed为动弹性模量，GPa;Gd为动剪切模量，GPa。

地基土的动弹性模量是在动荷载作用下应力与应变比值。其值越大，表明在相同的荷载作用下，其变形越小，可反映地基的固结效果。通过现场测得的波速可求得地基土体处理前后的动弹性模量，见图4。由图可见，地基经过处理后动弹性模量有了明显的提高，平均提高120%左右，在深度为3～4 m时提高最大，能够达到200%。穿过杂填土后，动弹性模量的增长速度开始变缓，趋于处理前的地基土。同时，动弹性模量的增长也说明施工后地基在上部列车等动荷载的作用下，其弹性变形量也会减小。

图4 渣土桩加固地基前后动弹性模量对比

3 结论

对杂填土的工程性质和渣土桩的加固机理进行了分析，并结合试验现场测试结果得出以下结论:

1)桩间距1.6 m的渣土桩对地基加固效果较好，动探击数提高了2倍左右，而注浆只提高1倍左右。渣土桩单桩承载力是注浆的1.5倍。

2)杂填土成分复杂，内部孔隙较多且相互贯通，无规律性，不同地段差异较大，全区域注浆注浆量大，指标难以控制，同时加固效果不明显，注浆法不适宜深厚杂填土地基的处理。

3)渣土桩可以很大程度提高杂填土的地基承载力，改善土体的性质，土体动弹性模量与处理前相比平均提高120%左右，适合处理深厚大面积的杂填土。

［1］王德宝，胡莹.我国生活垃圾组成成分及处理方法［J］.环境卫生工程，2010，18(1):40-44.

［2］任振甲.重锤冲孔夯扩垃圾挤密桩复合地基的设计与施工问题［J］.建筑技术，1998(3):145-152.

［3］陈志敏，刘国伍.人工神经网络用于夯扩挤密复合桩地基设计的可行性分析［J］.岩土工程技术，2001(4):305-309.

［4］焦瑞玲，吴连海，崔维孝，等.北京高速铁路动车段垃圾填埋场地基处理现场试验研究［J］.铁道标准设计，2009(2):76-80.

［5］蔡立挺，韩玉庆.波速测试技术在岩土工程勘察中的应用［J］.西部探矿工程，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，FAN 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

(责任审编葛全红)

2014-04-08;

2015-03-20

国家自然科学基金项目(41271072);中国铁路总公司科技研究开发计划项目(2013G009-G);中央高校基本科研业务费专项资金资助项目(2014JBZ012)

肖西卫(1975—)，男，河南洛阳人，高级工程师，硕士。