大厚度杂填土地基处理实例分析

2021-06-23戚长军吴学林李海涛

地基处理 2021年2期

熊维，戚长军，吴学林，李海涛

（机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710043）

0 引言

随着城市的发展，主城区土地资源越来越少，城市往郊区或新区发展是必然。很多城市郊区或新区往往存在规模不等的人工取砂坑或取土坑，后期又被当地村民或土方单位当作建筑垃圾、基坑开挖土的堆放场地。随着城市的发展，工程建设过程中，此类规模不等的杂填土坑的工程问题越来越突出。本文以西安西咸新区沣东新城某工程为实例，分析大厚度杂填土地基处理应注意的问题[1-2]。

1 场地及拟建建筑概况

工程位于西咸新区沣东新城，车城西路东侧，连霍高速南侧。场地内建筑物主要为高层住宅楼（30～33 F）、小高层住宅楼（9～11 F）及配套幼儿园、商业及地下车库，高层住宅楼分布在拟建场地北侧区域。据西安地质地貌图，场地地貌单元属渭河南岸高漫滩，地基土层主要为砂层，表层为薄层黄土状土，下部夹粉质黏土薄层。由于场地砂层埋深浅，便于采砂，当地村民于2007—2010年在场地北侧区域进行砂料开采，经过多年的人工取砂，场地北侧区域形成大型取砂坑（见图 1），取砂坑长约300 m、宽约90 m、深20～27 m。2011年后又被作为堆填建筑垃圾的场地，形成大型杂填土坑。

图1 场地历史影像（2009年场地内取砂坑情况）Fig.1 Historical site (Situation of sand pits in the site in 2009)

2 地基土工程性质

据拟建工程岩土工程勘察报告，场地地基土层主要为杂填土、黄土状土、砂层及粉质黏土层。杂填土以建筑垃圾为主，主要为砖渣碎块，含混凝土块等，充填约20%黏性土；局部分布有素填土，以黏性土为主，含植物根系、腐植物，局部夹杂少量生活垃圾。杂填土层最大厚度26.90 m，杂填土层以下砂层均呈密实状态、砂层中的粉质黏土层夹层均属中压缩性土层，场地地基土层结构可见图 2。为了更好、更直观了解场地杂填土平面分布及厚度分布情况，绘制场地杂填土平面及等厚度分布示意图可见图3。

图2 场地地基土层结构剖面示意图Fig.2 Soil structure of site foundation

图3 场地大厚度杂填土平面及厚度分布示意图Fig.3 Plan and thickness distribution of large thickness miscellaneous fill in the site

由图2和图3可见，场地内拟建的高层住宅楼（30～33 F）均位于大厚度杂填土区域，基底下杂填土厚度 16～24 m，且地下水位下尚分布有 2～5 m厚杂填土。由于杂填土堆积条件、堆积时间、物质来源和组成成分复杂和差异，造成杂填土的性质很不均匀、密度变化大、分布差异大等特点，地基处理难度极大。

3 地基处理方案分析

工程场地分布有大面积大厚度杂填土，由于杂填土工程性质差、处理难度大，对地基处理影响极大。主要需从杂填土的处理方法、杂填土地基的利用、杂填土对桩基的影响等综合考虑地基处理方案。

3.1 杂填土地基的处理方法

选择杂填土地基的处理方法时，主要考虑其加固效果、经济费用、工程周期、环境影响以及地区经验等方面综合比较，结合当地常用的处理方法，主要考虑以下几种方法：

（1）强夯法：对于杂填土，处理最大厚度一般难以超过10 m（需根据处理杂填土厚度选择合适的夯击能）。

（2）柱锤冲孔桩法：对于杂填土，处理最大厚度不易超过 10 m；锤柱直径 300～500 mm、长度2～6 m、质量4～10 t。

（3）孔内深层强夯（SDDC工法）：该方法先成孔至预定深度，然后自下而上分层填料强夯或边填料边强夯。但该方法处理地下水位以下地层时效果不佳，或者需考虑其它加固方案同时使用。对于杂填土而言，可采用机械成孔，处理深度一般不宜超过15 m，夯锤重量约10 t，成孔直径约1 200 mm，夯后桩径1 500～1 800 mm，中心距可按2～3 d考虑。

（4）桩基方法：采用桩基穿透杂填土层，若杂填土层厚度不大，不处理杂填土层时，需考虑负摩阻力；采用上述（1）或（2）或（3）方法预处理后，可采用正摩阻力，但应注意大厚度杂填土的处理难度和有效处理深度，且应注意杂填土对桩基施工的影响。

3.2 杂填土地基的利用

当考虑利用杂填土作为地基时（高层建筑不适宜），宜采取一定的建筑和结构措施，以提高和改善建筑物对填土地基不均匀沉降的适应能力。可采取如下建筑和结构措施：

（1）建筑体形尽量简单，以适应不均匀沉降。

（2）基础应选择面积大、整体刚度较好的基础形状，如筏板基础、十字交叉梁基础等。

（3）适当加强上部结构的刚度和强度。

（4）当采用孔内深层强夯（SDDC工法）处理，杂填土可作为部分填料使用。

3.3 大厚度杂填土对桩长的影响

工程建筑物基础底面下剩余杂填土层厚度16～24 m，地下水位下尚有厚2～5 m杂填土，对地基处理难度影响极大，主要体现在：

（1）桩基成孔影响：若不处理上部杂填土，由于其桩身负摩阻力作用，会造成桩长很长，可能大于45 m，对于现有施工工艺，在未处理杂填土条件下，由于杂填土层结构松散，颗粒骨架结构会造成泥浆漏浆，泥浆护壁循环成孔工艺难以成孔。

（2）对杂填土本身处理质量影响：由于杂填土厚度大，对下部杂填土处理质量有较大影响。且地下水位下尚有 2～5 m杂填土需处理，若不进行工程降水，地下水位下杂填土处理效果难以满足设计要求。

（3）当采用孔内深层强夯（SDDC工法）处理，素土回填夯实时，由于地下水位下尚有2～5 m杂填土需处理，若不进行工程降水，地下水位下杂填土难以处理。工程场地降水方案难实施（降水井成孔难度极大）。因此，地下水位下可考虑采用级配砂石回填（必要时可采取振动措施挤密砂石）。由于下部回填砂石夯实效果可能达不到设计要求，建议采用后插钢筋笼工艺钻孔灌注桩+后压浆加固处理。当采用后插钢筋笼工艺钻孔灌注桩时，受目前施工设备施工能力限制，最大有效桩长约33 m。

（4）当地下水位下采用级配砂石回填时，成桩时可对该部分进行后压浆加固处理，以确保其工程效果。

3.4 地基处理方案

据上述分析，并结合建筑物设计参数，大厚度杂填土区域高层住宅楼地基处理方案为：采用孔内深层强夯（SDDC工法、素土回填）结合后插钢筋笼钻孔灌注桩与后压浆加固工艺。SDDC素土挤密桩桩径1 600 mm，桩间距2 200 mm，三角形满堂布桩，桩长按全部处理完杂填土为准；后插筋钻孔灌注桩桩径600 mm，桩长33.00 m，三角形满堂布桩，采用旋挖成孔和长螺旋成孔相互配合工艺；后压浆加固工艺对地下水位下采用级配砂石作为填料段进行加固处理。

施工过程中应注意以下注意事项：

（1）采用SDDC工法时，每次空夯击数不小于8击，提锤高度不小于施工作业面6 m。

（2）孔内深层强夯（SDDC工法）处理后，由于上部3～4 m受地基土侧限影响，密实度达不到要求，可对整个杂填土场地采用夯击能量不小于100 t·m 重锤满夯。

（3）后插钢筋笼长度不应小于桩长的2/3，且进入下部砂层不得小于2 m。考虑到后插钢筋笼长度大，避免后插钢筋笼时振捣时间过长，混凝土产生离稀造成桩身强度不够问题，因此建议上部SDDC工法素土挤密桩身段采用旋挖成孔，下部砂层采用长螺旋成孔工艺相互配合施工。下部长螺旋成孔桩身段压罐混凝土至桩顶10 m处时，直接提钻，振捣方式插入钢筋笼至设计深度，上部10 m桩身采用浇灌混凝土方式成桩。

3.5 大厚度杂填土地基处理设计应注意事项

大面积大厚度杂填土区域地基处理设计时，应注意以下事项：

（1）地基外围防水措施问题。由于工程场地分布有大面积大厚度杂填土，不论采取哪种地基处理方案时，都应充分考虑后期周边环境对工程的影响。受杂填土自身材料结构、颗粒骨架结构影响，地基处理方案设计时，应考虑后期浸水的影响。因此，为了有效保障工程安全性，可考虑采用孔内深层强夯（SDDC工法）处理，外放3～5排灰土桩或水泥土桩，减小后期外界浸水对地基的影响。

（2）特征周期的确定。由于大厚度杂填土场地现场进行钻孔剪切波速测试试验时，其20 m内钻孔等效剪切波速平均值小于250 m/s，以此确定抗震参数是不合理的。可进行深孔波速测试，测试孔深不应小于80 m，查明场地覆盖层厚度，特征周期可根据实测等效波速及覆盖层厚度进行综合确定。

4 地基处理效果

地基处理效果主要由3部分构成，分别为：桩间杂填土挤密处理效果、桩身素土挤密效果及单桩竖向承载力。

4.1 桩间杂填土挤密效果

由于杂填土难以检测其压实系数，对于本工程，采用孔内深层强夯（SDDC工法）处理后，建议对桩间杂填土采用重型动力触探进行检测其密实度和均匀性。为了更直观了解杂填土采用孔内深层强夯（SDDC工法）处理后的效果，将处理前后重型动力触探修正值绘制随深度变化曲线进行对比分析（异常值剔除），可见图4。

图4 处理前后重型动力触探修正值绘制随深度变化曲线Fig.4 Correction value of heavy dynamic penetration test with depth before and after treatment

据图4可知，重型动力触探试验结果表明：处理前杂填土沿深度方向每10 cm锤击数（经杆长修正后）平均值介于3～9击，呈松散～稍密状态。采用孔内深层强夯（SDDC工法）处理后，沿深度方向每10 cm锤击数（经杆长修正后）平均值介于10～20击，说明桩间杂填土密实度达到中密，满足设计要求。

4.2 素土挤密桩效果

对素土作为填料的桩体可进行压实系数检测。经试验确定拟建场地素土最大干密度为1.75 g/cm3，最优含水量为17.0%。密实度试验用钻芯取样，电子天平称重，测读湿密度ρ，并用2个称量盒采样，测取含水量w，由ρd=ρ/(1+0.01w)计算干密度。根据室内击实试验确定素土最大干密度ρdmax，由式λc=ρd/ρdmax计算每个样的压实系数λci，并由λc=(Σλci)/n，计算每根桩桩身的平均压实系数。

为确定桩身压实系数，采用钻芯取样试验，确定SDDC素土桩密实度。桩身素土密实度试验的试样取自距素土桩中心1/2～2/3半径处。每根桩的第一组试样取自距桩顶标高1.0 m处，以后每米取样一组。

根据试验结果，按照上述方案施工时，桩身素土平均压实系数均不小于0.97，满足设计要求。

4.3 桩基竖向承载力

据3.4节中的地基处理方案，根据现场试桩及桩基检测结果，单桩竖向承载力极限值均达到4 800 kN，满足设计要求，说明工程地基方案是合理可行的。根据试验数据绘制载荷试验成果图Q-s曲线和s-lgt曲线可见图5。

图5 Q-s曲线和s-lgt曲线Fig.5 Q-s curve and s-lgt curve

5 建筑物沉降情况

根据目前拟建工程主体均已竣工一段时间（大于3个月），根据拟建建筑物沉降观测资料，拟建的高层住宅楼（30～33 F）最小沉降量为12.53 mm，最大沉降量为19.59 mm，相临点的差异沉降不大，沉降均匀。为了更好了解建筑物沉降量随时间变化规律，现将建筑物沉降观测数据绘制沉降观测时间-沉降量变化曲线，可见图6。

据图6可知，高层住宅楼在主体施工阶段观测时间-沉降量曲线较陡，沉降量占比重大，约占总体沉降量90%。主体施工完成后，建筑物观测时间-沉降量曲线相对平缓，其沉降趋于稳定。