建筑垃圾挤密桩处理的湿陷性黄土地基的沉降特性

鞠兴华，杨晓华

(1.陕西铁路工程职业技术学院，陕西 渭南 714000；2.长安大学 公路学院，陕西 西安 710064)

0 引 言

湿陷性黄土是一种特殊土体，在干燥状态下强度高、压缩性小；受水浸湿后在极小的压力下结构迅速破坏，强度降低，发生湿陷或自重湿陷，易导致路基下陷、路面开裂等严重的病害,严重影响高速公路的行车舒适度。近年来，已有许多学者开始对湿陷性黄土地基的处理方案进行研究，如杨天亮等针对如何采用强夯法处理深厚湿陷性黄土地基并准确评价等内容进行研究[1]；王雪浪等针对各种挤密作用的桩体处理湿陷性黄土的作用机理、现场试验以及复合地基承载力的确定等方面进行研究[2]； 任连伟等针对多桩型复合地基在湿陷性黄土中的应用进行研究[3]；刘志昌针对渣土桩在湿陷性黄土地基中的应用进行研究[4]。

随着工业化和城市化进程的加速，中国建筑垃圾以每年24亿t左右的速度快速增长，由此导致了资源浪费、环境污染等的社会问题随之出现[5-6]。关于建筑垃圾如何处理的研究也从简单的维护市容市貌转化为更深层次的循环利用，而常见的再利用方法有：利用废弃混凝土和砖石再生粗细骨料生产相应强度等级的混凝土、砂浆、再生砖、环保陶瓷板等；利用建筑垃圾填筑公路工程的地基、路基等[7-8]。

结合中国可持续发展战略及依托工程的实际情况，课题组提出了采用建筑垃圾挤密桩处理湿陷性黄土地基的方案。

1 工程概况及地基处理方案

1.1 工程概况

某新建高速公路全长61 km，双向四车道，设计速度为120 km·h-1，整体路面宽度为19.0 m，路基填筑高度为1.5～2.2 m。其中12 km公路以填方路基的形式通过自重湿陷黄土地区，湿陷等级为Ⅱ级(中等)至Ⅲ级(严重)，设计采用建筑垃圾再生骨料挤密桩对湿陷性黄土进行处理。结合依托工程的地质资料和现场情况，选定K69+025～K69+180段作为建筑垃圾挤密桩现场试验段。试验段位于渭北一级黄土台塬区，自重湿陷性黄土的湿陷等级为Ⅲ级，天然地基承载力特征值为130～160 kPa，地下水位埋置深度超过20 m，原地面有灌溉水渠、过水涵洞等结构物，分布大量耕地，春季易受耕地灌溉影响。试验段土层的物理力学指标如表1所示。

表1 试验段土层物理力学参数

1.2 试验段地基处理方案

根据《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012)关于碎石桩的设计，结合依托工程的实际情况，试验段水泥粉煤灰建筑垃圾桩复合地基现场试验的参数设计为：桩径0.6 m，桩长8.0 m，桩间距1.6 m，呈正三角形布置；为防止路堤坡脚位置出现滑移，保证地基处理效果，在路堤底面宽度范围外每侧多加1排桩。试验段挤密桩布置如图1所示。

图1 试验段建筑垃圾挤密桩平面布置

挤密桩填料为砖混结构建筑物拆除后产生的建筑垃圾，经过分检、破碎后主要包含碎砖块、混凝土块、砂浆，最大粒径不超过37.5 mm，碎砖、混凝土、砂浆的比例为5∶3∶2(质量比)。采用振动沉管法施工，填料压实系数不小于94%。

2 现场沉降监测

2.1 沉降监测仪器布置

因依托工程的路基填筑高度普遍不高(1.5～2.2 m)，压实度要求不小于95%，故路堤部分沉降量较小。试验段地势较低且平坦，排水条件差，湿陷性黄土地基易受地表水的影响出现沉陷，路面的沉降量超出主要由地基沉降引起。

根据现场试验的情况，选择有代表性的K69+085、K69+105、K69+125三个断面埋设沉降杯，进行沉降监测平行试验。以K69+105为例，整个监测断面共布设沉降杯12个，以道路中线为中心对称布置，左半福布置情况如图2所示。

图2 K69+105监测断面左半幅沉降杯布置

建筑垃圾挤密桩施工结束后，铺设、碾压30 cm厚的三七灰土，在已选择好的3个断面处开挖沟槽，深度约25 cm，宽度约20 cm，以道路中线为基准延伸到路肩位置，沿路基的横向形成0.5%左右的坡度，中间高、两侧低。将沟槽底部整平后，铺垫1层中粗砂，每间隔230 cm埋设1个沉降杯，在路基两侧设置沉降井，以监测地基沉降数据。埋设前严格检查沉降杯的气密性，埋设过程中确保杯体与地面垂直、周围土体回填密实。观测井位置的选择是整个沉降监测系统的关键因素，为避免出现液面过高等不良现象的出现，要根据所选监测断面周围的地形地貌合理确定观测井的位置[9]。同时，要保证观测井的安全性和相对沉降稳定性，砌筑井体时应严格夯实地基，避免出现因井体沉降过大增加沉降监测的误差。沉降监测设备现场埋设如图3所示。

图3 K69+105监测断面左半幅沉降杯埋设

2.2 现场沉降监测方案

现场沉降监测共包括4个阶段：第1是填筑期，沉降设备埋设完成至路堤填筑结束，共5 d；第2是工后期，路基填筑结束至路基沉降趋于稳定，共49 d；第3是浸水期，沿试验段长度范围内在路基两侧坡脚处设置浸水沟，断面宽100 cm、高40 cm，浸水期间保持浸水沟内水面高度不低于10 cm，共24 d；第4是浸水后，即从浸水结束至地基沉降趋于稳定，共63 d。根据现场的施工情况及复合地基的稳定情况，建筑垃圾挤密桩现场试验沉降监测共计141 d。

现场沉降监测的频率为填筑期每天监测1次，若沉降量不小于15 mm·d-1，则表明地基处于不稳定状态，立即停止现场施工；后期前2周每3 d监测1次，之后每周监测1次，1周内沉降量不大于0.2 mm时停止本阶段监测，进入下一阶段；浸水期每3 d监测1次，浸水后前2周每3 d监测1次，之后每周监测1次，1周内沉降量大于0.2 mm时停止监测。

3 沉降监测试验数据分析

现场埋设的3个监测断面中，因K69+085断面左半幅的观测井在路基填筑过程中遭到破坏，采集的数据不具有参考价值；K69+105、K69+125两个监测断面的天然地质情况类似，路基填筑高度相同，两断面沉降杯对应位置所采集数据误差在5%范围内。故本文根据K69+105断面的监测数据，对建筑垃圾复合地基的沉降速率、沉降量、沉降规律等进行分析。

3.1 复合地基沉降量及沉降速率分析

K69+105断面的左、右半幅各设置6个沉降监测点，各点沉降量随时间的变化曲线如图4、5所示。

图4 K69+105段面左半幅沉降量-时间曲线

图5 K69+105段面右半幅沉降-时间量曲线

由图4、5可知，以路基中线为对称中心，两侧复合地基沉降速率和沉降量变化趋势相似度很高；填筑期复合地基沉降量占浸水前地基总沉降量的77%～85%，最大沉降量为34.2 mm；填筑期地基沉降总体呈现速率快、沉降量大的特点，但随着路基高度的增加，沉降速率逐渐降低，第1层路基填筑时各点的最大沉降率为12.8 mm·d-1，最后1层填料施工时最大沉降率降至6.3 mm·d-1。这是由于路基填筑初期，填料产生的静荷载和施工机械碾压产生的动荷载使复合地基在短时间内承受较大的压力，使沉降速率增大，但随着上部荷载的增加，复合地基的压缩模量不断增大，承受同样荷载大小的情况下，沉降速率逐渐减小。施工后期复合地基承受的荷载量不变，沉降主要是路基填料作用下建筑垃圾挤密桩及桩间土压缩沉降。施工后期复合地基的沉降量和沉降速率明显降低，工后49 d时全部监测点每周的沉降速率均不大于0.2 mm，沉降趋于稳定。本阶段监测断面的最大沉降量为41.3 mm，满足高等级公路对地基沉降的要求。

鉴于湿陷性黄土的特殊性质，复合地基沉降稳定后，继续进行浸水试验。从图4、5可见，浸水试验开始前12 d，地基沉降速率变化平缓，最大沉降量为47.4 mm。而浸水后第15、18、21 d地基沉降速率出现突变，沉降量增大，最大沉降量达到98.8 mm。这是由于浸水试验初期，水分主要在加固区渗透，复合地基的沉降量变化不大。浸水第12 d后水分穿透加固区开始渗入下卧层的湿陷性黄土(轻微湿陷)中，黄土遇水后出现了湿陷下沉，使地基沉降速率变大、沉降量增加。浸水试验结束后，黄土的湿陷性基本被释放出来，地基土由湿陷性黄土变为饱和黄土，在上部路基填料荷载作用下会发生次固结沉降。浸水停止后第9周全部监测点的沉降速率均不大于0.2 mm，复合地基沉降趋于稳定。浸水后复合地基最大的沉降量发生在7#点，由100.6 mm增加到120.1 mm。由浸水阶段复合地基的沉降变化曲线可知，建筑垃圾挤密桩在很大程度上改善了湿陷性黄土的大孔结构，降低或者消除了原地基土的湿陷性。

在沉降监测全过程中，填筑期最大沉降量为34.2 mm，工后及浸水试验总沉降量最大为85.9 mm，沉降能够满足高等级公路地基工后沉降量不大于100 mm的要求。

3.2 浸水前后复合地基沉降量变化对比分析

K69+105断面各点浸水前后地基沉降稳定值如图6所示。

图6 K69+105段面各监测点浸水前后沉降量对比

由图6可知，建筑垃圾挤密桩处理湿陷性黄土复合地基的沉降量在浸水前后有明显的变化。浸水前后沉降差异最大的是6#监测点(79.1 mm)，沉降差异最小的为 1#监测点(30.9 mm)。

浸水前的沉降量主要是由填料的静荷载、施工机械的动荷载对加固区及下卧层压缩产生的，但这部分的沉降量并不是很大。成桩过程中，除了建筑垃圾挤密桩的桩体效应以外，挤密桩对桩间土体、下卧层土体均有不同程度的挤密作用，使原地基土的密实度提高、孔隙率降低、承载力提高、压缩性降低。结合浸水前地基沉降情况来看，这种地基处理方案完全能够满足依托工程对地基承载力及沉降量方面的要求。

浸水后与浸水前比较，复合地基的沉降量提高了2.7～3.2倍，坡脚位置由轻微隆起变为沉降。由此可知，建筑垃圾挤密桩处理湿陷性黄土地基，很大程度上提高了天然地基的承载力，改善了加固区内黄土的湿陷性，但对于桩长以下部位黄土的湿陷性处理效果并不明显。同时由浸水试验过程中水分在加固区及下卧层的渗透速度来看，建筑垃圾桩对桩间土的挤密作用以及桩身材料的高吸水率，提高了湿陷性黄土加固区的隔水效果，这对于降低黄土湿陷性具有十分重要的意义。

3.3 地基沉降量沿路基横向分布规律

K69+105监测断面各点沉降量在不同试验阶段沿路基横断面的分布如图7所示。

图7 K69+105段面地基沉降沿路基横向分布

由图7可见，沿路基横断面方向复合地基的沉降量在不同阶段均呈现出中间大、两侧小的变化趋势。

建筑垃圾挤密桩复合地基在桩长、桩径、桩间距、置换率等施工工艺参数一致的情况下，上部荷载的大小对地基的沉降量具有决定性的作用。行车道位置对应的复合地基承受较大的动荷载以及静荷载，产生的沉降量也比较大。2#、11#监测点布置在路肩对应的地基处，靠近边坡位置，承受的上部荷载量较小，产生的沉降量也比较小。坡脚位置的1#、12#监测点不承受上部荷载，沉降量较小，在填筑期以及工后期甚至呈现负值，出现轻微隆起。这是因为在这2个阶段，复合地基的沉降量主要是由上部荷载引起的，坡脚位置在没有上部约束的情况下，承受了来自施工机械的冲击以及路基填料荷载的侧向挤压作用，导致土中应力向上扩散，出现隆起。

由图7可见，曲线①、②的沉降量较小，这2个阶段复合地基处于天然含量率状态，沉降主要是由上部荷载作用引起的，最大沉降量为41.3 mm，工后49 d复合地基沉降趋于稳定，工后沉降最大增量为9.3 mm，远小于高速公路对地基沉降的要求，说明建筑垃圾挤密桩处理后的湿陷性黄土地基在承载力方面完全能够满足本工程上部荷载的要求。曲线③中复合地基的沉降量突增，主要是由于黄土遇水湿陷的工程特性导致的。复合地基在地面水的渗透作用下，下卧层湿陷性黄土的大孔结构破坏，在上部荷载及土体自身作用下发生显著附加变形。曲线④增加的沉降量来源于湿软黄土产生的次固结沉降，湿陷性黄土遇水后将其湿陷性释放出来，在浸水期地面水的长期渗透作用下，湿陷性黄土变为饱和黄土，在上部荷载作用下产生次固结沉降。

4 结 语

(1)由监测结果可知，填筑期及工后期建筑垃圾挤密桩复合地基填筑期最大沉降为41.3 mm，其中填筑期的沉降量占77%～85%，浸水前的沉降主要是由施工过程中填料静荷载及机械动荷载导致的。浸水期及浸水后复合地基的发生最大沉降量79.1 mm，其中浸水期的沉降占67.0%～76.5%，浸水期的沉降主要是由下卧层黄土的湿陷性引起的。

(2)水对湿陷性黄土复合地基的沉降量影响较大，浸水后沉降量较浸水前提高了2.7～3.2倍。故采用沉降量指标评价湿陷性黄土复合地基的处理效果时必须要考虑浸水的影响。

(3)采用建筑垃圾挤密桩对湿陷性黄土进行处理，提高了复合地基的承载力，消除了黄土的湿陷性，而且对桩间土的挤密作用以及桩身材料的高吸水率，使复合地基的加固区发挥了很好的隔水作用。

(4)同一监测断面复合地基的沉降趋势在各阶段均呈现出中间大、两侧小，沿道路中线基本对称的分布趋势。浸水前最大沉降量为41.3 mm，浸水后最大沉降量为120.1 mm，均发生在道路中线右侧的7#监测点。可见，建筑垃圾挤密桩在施工工艺参数一致的情况下，上部荷载的大小对复合地基的沉降量具有决定性的作用。

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