孔内深层强夯法（DDC法）在高原机场地基处理中的应用研究——以重庆武隆仙女山机场试验段项目为例

陈健，李志成，饶建强

（1四川省场道工程有限公司，四川成都 610081；2重庆机场集团公司扩建指挥部，重庆 401120）

陈健，李志成，饶建强.孔内深层强夯法（DDC法）在高原机场地基处理中的应用研究——以重庆武隆仙女山机场试验段项目为例[J].重庆建筑，2019（7）：46-50.

0 引言

高原机场是指跑道中心海拔高度在1500m及以上的机场，海拔高度在2438m或8000英尺及以上的机场称之为高高原机场。高原机场的建设和运行受山区地形、地貌等地质条件，生态环境和气象因素的影响，可供选址的理想场地较少，常常需要削山填沟，土石方工程量巨大，高边坡回填和地基处理的质量控制成为机场场道工程的重点和难点施工环节。

高原山区新（改）扩建机场场道工程处理地基的目的是为了提高地基承载力，以消除不均匀沉降和工后沉降问题，确保飞行场道地基的稳定性[1]。一般采用换土垫层法、灰土挤密桩、强夯法、碎石桩和灌注桩等，处理地基的效果均能满足设计要求。孔内深层强夯法具有高动能、超压强、强挤密作用，处理深度最大可达30m，在消除地基湿陷性的同时，可以有效提高地基承载力，减少地基变形，同时可变废为宝，生态环保，施工速度快，节约工期，经济效益和社会效益明显，是其它地基处理方法所无法达到的效果。在公路、铁路、水利、电力等行业软弱地基处理中应用较多，重庆武隆机场作为民航系统首次采用该法，取得的成果经验值得推广。

1 孔内深层强夯法简介

孔内深层强夯法（Down-hole Dynamic Compaction，简称DDC法）是山区深层地基处理的一种新技术，具有施工方便简单、速度快、无污染、对周围环境影响小和工程造价低等优点[2]，具有广阔的应用前景和推广价值。

1.1 DDC法的作用机理

DDC桩是在强夯基础上发展的一种复合地基处理技术。通过机械开挖成孔至预定深度后形成填料通道，并对孔内填料自下而上分层进行高动能、超压强、强挤密的孔内深层强夯作业。夯锤采用纺锤状重锤，采用这样的结构设计可在孔内对填料进行冲击时，在锤侧面产生极大的动态被动土压力，迫使填料向周边强制挤出，桩间土也被强力挤密加固，使孔内的填料沿竖向深层压密固结的同时对桩周土进行横向的强力挤密加固[3]。

针对不同的土质，DDC桩使用不同的桩体材料，采用不同的施工方法，使桩体获得串珠状、扩大头和托盘状，有利于桩与桩间土的紧密咬合，增大相互之间的摩阻力[4]，深层地基处理整体刚度均匀，承载力可提高2～9倍。

1.2 DDC法的技术特点

与传统的地基处理方法比较，DDC法的技术具有以下优势特征：

1）适用范围广泛，可用于各类地质条件下的不良地基处理。孔内深层强夯技术能适用于各种复杂地层的地基加固处理，如用于大厚度的黄土、杂填土、液化地基、各类软弱土、湿陷性土以及具有酸、碱、盐腐蚀的地基和具有硬夹层的不均匀沉降地基；

2）填料取用范围广泛，可就地取材。凡是无机固体材料，如土、砂、石、建渣、石方爆破料等均可以适用。而且用料不需严格加工，凡是能填入孔内的无机无污染固体材料即可，减少污染，具有良好的经济效益和环保效益；

3）具有高动能、高压强的强挤密效应。该技术的重要特征就是由于孔内夯击的桩锤一般为100～180T，在不断冲、砸动力作用下，使孔内填料不断受到高动能、高压强和劈裂挤密；

4）地基处理深度大，一般处理深度为10～20m，最深可达30m左右；

5）地基承载力和变形模量显著提高，沉降变形小，地基处理承载力效果显著提高；

6）当采用硬质基岩爆破料作为填料时，桩体同时具备竖向排水通道，有利于含水量较大的地基土排水固结。

2 工程概况

2.1 场区地质条件

重庆武隆机场整个场区位于仙女山西侧Ⅱ级地层剥夷面上，分属残坡积物流水侵蚀台地地貌及岩溶台坎地貌两个次级地貌，最高点位于东侧山梁漆树槽一带，高程1900m，最低点位于南西侧塘坝子，高程1620m，总体地势东高西低，南高北低，坡度较小。西侧和南端为台地边缘切割较深的冲沟，北端及轴线中部地形相对比较平坦，东侧为一近北北东向延伸的山梁。由于场区基岩地层主要为二叠系上统吴家坪组硅质岩、灰岩，以硅质岩为主，远离区域侵蚀基准面，地表水系不发育，基岩裂隙、溶隙水埋藏很深，地下暗河较发育，地表水与地下水之间常相互转换。

场区紧邻仙女山区域分水岭，汇水面积较小，因远离乌江侵蚀基准面，现代地表岩溶发育程度不高，未见深部基岩地下水位，现代地下岩溶发育程度低；区内探明有被溶蚀透顶或坍塌的大型古溶洞、管道顶板，表明古地表岩溶、地下岩溶强发育。地层岩性包括耕土、粉质粘土、粘土、碎石土等，以粉质粘土、碎石土为主，由于场区水体多呈弱碱性，粉质粘土对混凝土具微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中的钢筋具微腐蚀性，土体对钢结构具弱腐蚀性。

2.2 工程项目概述

重庆武隆民用机场场址位于武隆县仙女山主峰西侧铁炉坝子台地，紧邻省道S203线，距离仙女山大草原风景区约3km，平均海拔高度约1750m，每年有3～4个月冰冻期，低能见度天气较多。拟新建一条长2800m、宽45m的跑道，一条长136.5m、宽25m的联络道，360m×130m的站坪，6000m2的航站楼、5200m2的辅助生产及生活用房，1座34m高塔台和800m2的航管楼以及通信、导航、气象、供油、消防救援等配套设施，项目总投资约16.7亿元。其中，飞行区道面工程约20万m2，土石方工程填方约2150万m3，挖方约1940万m3。试验段项目地基处理包括碎石桩、强夯置换、孔内深层强夯、垫层强夯、地下土洞和溶洞处理等，最大填方高度约49m，概算投资约为5543万元，2017年4月10日开工，采用挖方区爆破粒料作为回填料，地基处理总面积约3800m2，并于2017年10月15日完成全部2962根DDC桩的施工任务。

3 地基处理方案

3.1 设计参数选择

DDC桩法施工试验选择在拟建跑道道槽区和边坡区进行，由于该试验区位于坡脚或沟谷低洼区域（图1），原有地面软弱土主要为粉质粘土和粘土，天然含水量数值范围为37.9%～52.4%。设计要求采用挖方区爆破粒料进行回填，DDC法处理后复合地基承载力特征值≥250kPa，桩体变形模量≥8.0MPa，桩间土变形模量≥4.0MPa，固体体积率≥83%，地基处理回填强夯满足 《建筑地基处理技术规范》[5]JGJ 79-2012和设计参数（表1）。

图1 试验段位置示意图

3.2 施工工艺

施工准备→测量、放线并平整场地→回填垫层→布置桩位→成孔→孔内填料灌注→柱锤分层冲夯→成桩检测、验收→施工下一个DDC桩→满夯→试验检测→铺设50cm碎石褥垫层（含土工材料）。

3.3 施工要点

施工前应按照设计要求进行试桩，并依据试桩结果及时调整设计及施工参数。施工作业由一台SANY150型旋挖机进行成孔作业，一台成工50型装载机，两台履带式强夯机HZQH3000型使用炮弹形夯锤配合进行孔内深层强夯作业。

表1 孔内深层强夯设计参数表

1）土方开挖及场地平整。事先清除施工范围内的表土及管线、洞穴、结构物等，对坡度大的区域开挖台阶，再进行场地平整。如原场地为软弱土影响机械进场施工，则铺设碎石垫层或爆破粒料垫层，要求高程误差＜200mm，地基承载力≥120kPa。

2）桩孔定位。由于DDC布桩数量多，为避免出现局部桩位偏移量过大，依据设计施工图纸对桩进行编号，并现场放线定位，采用钢尺量距法布桩位点，点位偏差≤20mm，用白灰或其他标记做好成桩标记。

3）机械成孔。①采用机械旋挖钻孔，成孔机械应保证垂直稳定，垂直度偏差≤孔深的2.5%，成孔中心偏差≤桩径的1/4；②成孔深度应满足设计地基处理深度要求且应穿透软弱土层嵌入持力层，根据孔底土质情况，可在孔底预留一定厚度的原土层，以重锤夯冲至地基处理设计深度，保证强夯桩底影响深度应为1～2m，或在地基处理设计深度基础上超挖，设置爆破粒料或碎石，以重锤夯冲密实至地基处理设计深度，在孔底形成人工持力层或扩大头；③为了减少单桩夯实回填对周边桩侧应力挤压，使隔壁桩孔出现缩孔、坍塌，以确保DDC桩体及桩间的挤密效果，采用隔行隔列、间隔跳打的方法四遍成孔、成桩，以避免后打孔施工时对已打孔的影响（图2）。

图2 DDC桩成孔顺序图

4）分层填料。①夯前应先检查孔底，清除杂物，不得有积水和回淤等现象；②夯实机就位后应保持平整稳定，夯锤对准桩孔中心，并能自由下落至孔底，严禁偏锤、漏锤、空锤施工。成孔机械应保证垂直稳定，垂直度偏差不应大于孔深的2.5%，成孔中心偏差不应超过桩长的1/4；③成孔后填料前先夯实孔底，夯击次数≥2，然后再铲料分层回填夯实，之后按照试验确定的锤击数进行密实，要求锤击数≥4，且桩体密实度≥96%；④填料粒径≤36cm级配良好的硬质爆破石料，填料时应按试验确定的每次2～3m3填料量进行，每次填料后，必须夯够规定的锤击数4～6击后，方能进行下次填料；⑤为了保证夯击能，应保持夯距不变，每层夯击前需调整夯锤的高度，以通过试验确定的一次夯填料的虚铺厚度为准。

5）垫层施工。①DDC桩施工完成后应将预留桩头600mm部分挖除，然后选用1000kN·m的夯击能量满夯一遍，满夯夯点搭接d/4，再用10～20t的压路机碾压6～8遍。最后铺筑50cm厚的碎石垫层兼做排水垫层，排水垫层和碎石桩体形成联通的排水通道，碎石最大粒径一般不大于10cm，含泥量不超过5%；②软基桩基结构可在垫层中铺设土工材料，以让桩体承受均匀荷载，提高地基强度和抗变形能力。因此，在边坡区进行DDC地基处理施工时，坡脚以内25m范围内碎石垫层之间铺设两层土工格室；③为了保护碾压时材料不被破坏，碾压时格室之上应至少有20cm碎石料保护层（图3）。

图3 DDC桩剖面图

4 检测结果及分析

DDC桩施工结束14～28d后，可对复合地基进行检测，专业检测由具有国家资质的第三方检测单位承担，根据设计要求、工艺标准，按相关规范和标准对桩、桩间土和复合地基进行抽样检测，采用静载荷试验和动力触探试验相结合的方法，用以检测复合地基承载力特征值、桩及桩间土密实度，检测数量≥总桩数的0.5%。对桩、复合地基承载力、压缩模量、变形模量、消除液化和湿陷性、膨胀性等，宜采用低、高应变动测和静载荷试验相结合的方法进行综合检测评定。

4.1 土工试验

在孔内深层强夯（DDC桩，桩间距4m）试验小区处理前、处理1周后，在桩间地表下3m、5m、7m位置各取两组原状土样，对各部位检测项目进行基本物理指标试验，每个检测项目测试6组。其中处理前测试比重、天然含水率、抗剪、压缩、渗透各6组；处理后测试天然含水率、抗剪、压缩、渗透各6组，检测结果如下：

从表2中可以看出：地基处理后的含水量明显降低，密度增大，排水固结效果较好。

表2 DDC法处理地基前后土工试验对比表

4.2 复合地基荷载试验

DDC工艺处理前、处理1周后分别对原地面与处理区域进行现场载荷试验。处理前在原地面测试3组，处理后在桩间土测试3组，DDC桩顶测试3组。检测时千斤顶作用在夯机的横梁上，从安全角度出发，现场施加的实际最大荷载450kN。根据载荷试验成果绘制P-S典型测试点曲线（图4），其形态圆滑，特征点不明显，亦无陡降段，表明桩体复合地基承载力特征值均达到250kPa的设计要求，同时从表3中可以看出：处理后桩间土的承载力比处理前原地面承载力有所提高（其中桩间土试2#检测期间受降雨影响，承载力较低），桩体变形模量≥8.0MPa，桩间土变形模量≥4.0MPa，满足设计要求。

4.3 其他主项试验检测

根据相关规范和技术标准要求，需对DDC桩复合地基承载力、固体体积率、变形模量、桩间土挤密效果等进行检测评价，结果见表4。

表3 静荷载地基承载力试验成果表

从表4中可以看出：

图4 DDC桩、桩间土P-S曲线图

表4 DDC强夯法处理地基检测项目一览表

1）DDC桩施工完成后，进行动力触探检测25点，固体体积率共检测15点，经钻探法和地质雷达法检测桩长与施工桩长基本相符，夯后桩径均≥2.0m（设计值为1.8～2.0m），固体体积率≥83.7%（设计值≥83%），符合设计要求；

2）复合地基静荷载试验地基承载力特征值均≥286.5kPa（设计要求≥250kPa），符合设计要求；

3）对桩体和桩间土进行取样，桩体变形模量均值为11.45MPa（设计要求≥8MPa），桩间土变形模量均值为4.8MPa（设计要求≥4MPa），符合设计要求；

4）对桩体和桩间土进行现场直剪试验，DDC桩体粘聚力C为114kPa，内摩擦角Φ31.9°，DDC桩间土粘聚力C为48.7kPa，内摩擦角Φ12.4°，符合设计要求；

5）通过对DDC桩间土分为3m、5m、7m分别进行土工试验，试验结果表明含水量明显降低，密度增大，排水固结效果明显。

综合以上试验检测结果，通过孔内深层强夯地基处理后地基土排水固结效果良好，抗滑及抗变形能力显著增强，沉降量小，达到设计预期效果。

5 结语

重庆武隆仙女山机场试验段项目首次采用DDC法进行地基处理，并与同期采用的振动沉管碎石桩、柱锤冲扩桩、原地面垫层强夯相比，该法具有地基处理深度大的优点，同水泥粉煤灰碎石桩、夯实水泥土桩、石灰桩、灰土挤密桩相比，填料不需要专门制备，只要是无机无污染固体均可作为填料，具有环保和料源丰富的优点。因此，从地基处理效果、施工工效、经济和环保节能效益来看，DDC桩因其施工相对简单，能适应各种地质条件，在机场场道工程地基处理中具有广泛的应用前景。