乌鲁木齐杂填土路基处理的比选及对策

2017-06-26高勐

城市道桥与防洪 2017年6期

关键词：粗料夯法戈壁

高勐

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

乌鲁木齐杂填土路基处理的比选及对策

高勐

（上海市政工程设计研究总院（集团）有限公司，上海市200092）

以乌鲁木齐地区杂填土地基道路工程为实例，介绍了杂填土工程特性，对实用地基加固方法进行了分析比选，确定换填法与强夯法为相对较优的地基处理方法。同时，结合乌鲁木齐地区戈壁土特点，确定戈壁土为路基填筑材料和换填材料优先选项，同时对戈壁土压实技术要求进行了明确。

路基；杂填土；换填；强夯；戈壁土

1 工程背景

工程位于乌鲁木齐，该区域地势起伏悬殊，山地面积广大，易形成冲沟地貌，区域内多见杂填土，且厚薄不均。如何利用、处理厚层杂填土成为一件棘手的岩土问题，对后续的城市建设也提出了挑战。

1.1 区域工程地质条件

乌鲁木齐市区南为柴窝堡断陷盆地，北为准噶尔盆地，城区处于妖魔山、东山等低山丘陵所环抱的山间盆地之中。乌鲁木齐河从南向北纵贯市区，地貌以两岸阶地及山前坡洪积、冲洪积倾斜平原为主。其典型地质剖面如图1所示。

图1 由北向南中轴位置地质剖面图

该工程地层由上至下为杂填土、粉质黏土含砾、卵石及风化基岩。对道路有影响土层为杂填土和粉质黏土含砾。其岩土特性如下：

（1）杂填土：分布于整个场地内，一般厚度7.00～11.50 m，由在场地平整过程中从外运进的土料在原冲沟内经过多次堆填形成。钻探过程中漏浆严重，提钻后有塌孔现象，说明填土未经过碾压或其他压密措施处理，密实度很差。

（2）粉质黏土含砾：在近半勘探孔内揭露，厚度分布呈冲沟底厚度大、坡面厚度小，埋深5.50～16.80 m，厚度0.50～5.50 m。粉质黏土中砾石粒径约0.5～2 c m。该层土为回填前冲沟内坡积物，沉积时间短、固结性差。本层土动力触探击数介于7～9击[1]。

对类似于该工程地质条件的乌鲁木齐地区道路路基而言，杂填土性质较差，必须进行处理。以解决建设于这类场地之上的道路沉陷等一系列工程问题。

1.2 区域水文地质条件

该区域地下水类型主要为第四系孔隙潜水，按其补给条件又可分为两种亚型：一是河谷两侧坡洪积平原的潜水，主要是受其上部山区大气降水及基岩裂隙水补给；二是冲洪积平原中的潜水，主要受乌鲁木齐河渗漏补给。前者水量小、水质差；后者含水层为砂卵砾石层，水量丰富、水质良好。地下水埋深因受地质构造控制从南到北成有规律变化。自乌鲁木齐河出山口进入柴窝堡断陷盆地，河水大量下渗补给地下水，形成冲洪积扇顶部的地下水深埋带。随着地下水向北径流，由于受到基岩隆起的阻挡，地下水位壅高，到妖魔山南侧的仓房沟一带埋深小于2 m，并在空九军东边的冲沟处有下降泉出露，到新疆水泥厂至十二中一带河谷最窄，地下水埋深为3～6 m，再向北进入老城区，河谷渐开阔，地下水埋深变大，在新疆饭店附近为10 m左右，继续向北，由于受到红山及妖魔山的阻挡，地下水位再次壅高，出红山谷口往北地下水埋深再次变大，从明园附近的5～6 m，到铁路局一带埋深大于26 m。

2 杂填土工程特性

本文所提及工程，其填土主要成分以土、建筑垃圾土、生活垃圾为主。建筑垃圾土成分有黏性土、碎石土、混凝土块等，很松散，杂色，以黑色和灰色为主。杂填土具有以下各项工程特性：

（1）性质不均、密度变化大。由于场地杂填土的物质来源和组成成分的复杂和差异，造成场地杂填土性质很不均匀，密度变化大。

（2）强度低、压缩性大。场地杂填土组成成分复杂，堆积时间短，未经过碾压或其他压密措施处理，孔隙大，具有很低的强度和很大的压缩性。

（3）自重压密变形大，并有湿陷性。场地杂填土属于欠压密土，具有很大的压缩性，除正常荷载作用下的沉降外，还存在自重压力下沉降，且往往具有湿陷变形的特点。生活垃圾还存在因进一步分解腐殖质而引起的变形。

3 杂填土地基处理方法比选

由于杂填土的成分复杂，性质很不均匀，孔隙较大，结构性差等特点，因此，杂填土地基处理有其固有特点。常见的杂填土地基处理方法有如下几种。

（1）砂石桩法

砂石桩法采用振动沉管工艺或柱锤夯实成孔，将砂石挤压入桩孔之中形成密实桩体,并对桩间土有击碎并挤密加固作用。

杂填土土体结构比较松散，在沉管过程中，桩管对周围土层产生很强的横向挤压力，对桩周填土产生挤密作用。同时，砂石桩将桩管位置的工程性质较差的杂填土挤排至四周，然后用工程性质较好的砂石来代替部分杂填土，从而形成复合地基。

（2）振冲法

振冲法指在振冲器水平振动和高压水的共同作用下使松砂土层振密或在软弱土层中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成桩柱，并和原地基土组成复合地基。

（3）水泥土搅拌法/注浆法/旋喷法

水泥土搅拌法/注浆法/旋喷法指以水泥作为固化剂的主剂，通过特制的深层搅拌机械或喷浆设备，将固化剂和地基土强制搅拌，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的桩体的地基处理方法。

根据《建筑地基处理技术规范》（J G J79-2012）规定：水泥土搅拌法/注浆法/旋喷法适用于处理粉土、黏性土、饱和松散砂土、淤泥质土与淤泥、饱和黄土、填土等地基。

（4）换填法

换填法是将杂填土挖除,然后按规范要求分层回填填充材料直至设计标高，并经过碾压、夯实的地基处理方法。该方法一般适用于换填土较薄的情况。

当杂填土土层厚度较小时，可以考虑采用换填法。在本质上，换填法适用于地基浅层处理，换填法处理深度一般应控制在3 m以内[2]。

（5）强夯法

强夯法主要是降低土体孔隙率，增加土体密实度。强夯法加固非饱和土时，夯击所产生的冲击波和动应力使得土体颗粒受到挤压，杂填土颗粒重新进行排列，土体孔隙中的气体被迅速排出，土体的孔隙率减小，密实度增加。土体在外荷载作用下逐渐达到新的稳定状态。地基土经强夯法加固后，其强度提高作用机理大致可分为4个阶段：a.夯击能量转化，同时伴随强制压缩或振密，表现为土体中水及气体排出，孔隙水压力上升；b.土体液化或土体结构破坏，表现为土体强度降低或抗剪强度丧失；c.排水固结压密，表现为渗透性能改变，土体裂隙发展，土体强度提高；d.触变恢复并伴随固结压密，包括部分自由水又变成薄膜水，土的强度继续提高。

经过强夯法处理后的地基既提高了地基土的强度，又降低了地基的压缩性，同时还能改善地基抗振动液化的能力。

强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基。所以，从适用范围而言，强夯法天然特别适用于处理低含水量的杂填土地基。

强夯法具有施工方便、设备简单、加固效果显著、施工周期短、节约材料、施工费用低等优点，同时考虑到施工振动影响，强夯特别适合于如乌鲁木齐地区场地开阔且周边无建(构)筑的情况。

4 杂填土地基处理方法选择分析

各种杂填土地基处理方法，有其各自优点及局限性。

砂石桩适用于含砂石或素土成分较多的杂填土，对含建筑垃圾较多的杂填土，亦存在施工困难问题，故不太适用；振冲法适用于处理粉土、粉质黏土、砂土和杂填土等地基，但乌鲁木齐地区属于缺水地区，此法并不适用；水泥土搅拌法/注浆法/旋喷法可以用于处理杂填土地基，但其处理成本相对较高，且对含有生活垃圾等有机质杂填土处理效果较差。

因此，针对乌鲁木齐地区杂填土地基的道路，对较薄的杂填土可以采用换填压实的方式，对较厚的杂填土，可以采用强夯的方式进行处理。

对常用的换填法，主要考虑换填层厚度，当杂填土土层厚度较小时，可以考虑采用换填法。换填法有两个前提条件：填料来源充足且成本低，弃土外运和处置成本低。对乌鲁木齐地区而言，这两个前提条件都基本具备，存在采用的合理性。

因此，对于浅层换填（不大于1 m），结合乌鲁木齐地区填料供给情况，优先考虑采用换填天然级配的戈壁土，并分层碾压地基处理方案。处理方案要求如下：（1）换填垫层地基处理的换填材料为天然级配戈壁土；（2）采用分层回填、碾压的办法处理；（3）每层铺填厚度可取200～300 mm；（4）为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度；（5）回填土要求同路基填料要求。

对填土较厚情况，全部采用换填不是一种经济合理的处理方式。如前所述，对强夯法而言，特别适用于处理建筑垃圾，同时亦特别适用于处理低含水量的各类填土及建筑垃圾。乌鲁木齐地区少雨且其地下水位很低，因此在该地区采用强夯处理较厚杂填土地基有着天然技术优势。

强夯法处理杂填土地基，没有弃方的堆置及填方的取土问题，因此强夯处理的造价也远低于换填方案。同时，强夯法具有施工方便、设备简单、施工周期短、节约材料、施工费用低等优点。考虑到施工振动影响，强夯又特别适合于乌鲁木齐地区场地开阔且周边无建(构)筑的情况。

对于强夯加固，主要确定地基处理深度和夯击能参数。在处理深度上，可通过数值分析软件分析在行车荷载作用下路面和路基内部的应力和应变场,从而确定合理的地基处理深度和范围,其分析模型如图2所示。

图2 荷载影响深度力学计算模型

在夯击能确定上，根据式（1）可以确定夯锤重量和落距：

式中：H为有效加固深度；M为锤重；h为落距；α为系数，可取0.5～1.0。

工程经验表明,强夯法处理杂填土可达到预期效果。

以乌鲁木齐某住宅小区强夯处理杂填地基为例，其夯击参数见表1。

表1 强夯加固参数

处理后地基土的压缩模量有较大程度的提高，见表2。

表2 加固后压缩模量统计

对2 000 k N·m夯击能：0～5 m范围内标贯击数的提高幅度较明显，夯后10.0～29.0击（夯间），平均22.0击，比夯前增加15.1击，比夯前平均6.9击提高220%；5 m以下效果没有这么明显。对3 000 k N·m夯击能：0～7 m范围内标贯击数的提高幅度较明显，夯后16.0～30.0击（夯间），平均23.0击，比夯前增加16.1击，提高240%。综合分析强夯处理前后标贯指标的情况，可以认为：2 000 k N·m强夯的加固深度约为5.0～7.0 m，以5.0 m以浅较明显，3 000 k N·m强夯的加固深度为7.0～9.0 m，以7 m以浅为佳[3]

因此，对基底杂填土较厚情况，从类似工程经验来看，处理厚度不大于3 m的区域采用点夯夯击能2 000 k N m，处理土层厚度大于3 m区域选用点夯夯击能3 000 k N m，满夯夯击能1 000 k N m。点夯和满夯遍数宜根据试夯效果确定。

5 路基填料分析

对于配套道路的路基土填料，应优先选用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料，填料最大粒径应小于150 mm。当采用细粒土填筑时，路堤填料最小强度应符合规定。表3为路堤填料最小强度要求。

表3 路堤填料最小强度要求

乌鲁木齐属于新疆戈壁地区，新疆戈壁地区主要分布戈壁土。戈壁土是分布在戈壁地区的薄层粉质黏土、黄土、盐渍土、粉土、粉砂、细砂以及细圆砾土、粗圆砾土、细角砾土、粗角砾土、碎石土、卵石土和分布在上述粗颗粒土中的中砂、粗砂、砾砂的总称，其最大特点是土体颗粒粒径比较大，大部分属于粗粒土。戈壁土来源丰富，且戈壁土按分类属于四类沙砾坚土（这里指含碎卵石在30%以内、其粒径在3 mm以内的杂质黏土、天然级配砂石），为天然级配料的优质填料[4]。

影响粗粒土压实的因素很多，场地条件、施工工艺、压实机械、压实能量、碾压速度等是影响压实特性的外因，填料的自身特性和颗粒组成是内因。粗粒土的颗粒级配组成对其工程特性极其重要，其颗粒组成成分对现场压实效果有显著影响。研究表明：当粗料含量大于30%～40%时，粗料开始起骨架作用，细、粗料彼此填充，干密度增长较快；当填料中粗料含量在60%～70%、填料级配处于T a i lo r理想级配范围内时，粗料形成骨架，细料又能填充孔隙，干密度值最大，压实效果良好；当粗料含量超过70%后，细料填不满粗料的孔隙，粗料起主要作用，干密度呈下降趋势。

考虑新疆戈壁地区填料的最大干密度随着粗料含量的增加而急剧增大，当填料中粗料含量在60%～70%时，最大干密度最大。最大干密度与粗料含量及细粒含量存在着良好的线性关系。因此，针对戈壁土中细粒土相对缺乏，可考虑适当增加细粒土。另外，根据戈壁土的最优含水量在6%左右，在施工过程中可适当加水以控制施工含水量。