柱锤冲扩桩+CFG桩联合处置深厚垃圾杂填土地基的效果分析

2021-07-21孟庆龙刘明华杨光昌

水利与建筑工程学报 2021年3期

孟庆龙，刘明华，杨光昌

(1.北京市政建设集团有限责任公司第二工程处，北京 102600；2.北京科技大学土木与资源工程学院，北京 100083)

随着我国城市化进程的推进，建筑行业得到了快速发展，同时也产生了大量的建筑垃圾。大部分建筑垃圾直接被运到城市郊区进行堆放或掩埋，形成建筑垃圾杂填土。建筑垃圾杂填土一般是由渣土、废旧砖石、废旧混凝土以及其他废弃物组成，是一种成分多样、颗粒尺寸悬殊、颗粒间孔隙大的特殊土[1]。随着城市向周边的开发拓展，为充分利用土地，很多建(构)筑物需要在建筑垃圾杂填土上进行基础施工。因此，建筑垃圾杂填土地基处理技术的研究，尤其针对是深厚垃圾杂填土，是很有必要的[2-3]。

因建筑垃圾杂填土地基结构形式复杂、不确定性因素多以及力学特性复杂的特点，极大增加了地基处理的难度，并且国内外的可借鉴的处理案例也相对较少。国内外一些学者在建筑垃圾杂填土地基处理方面进行了大量研究。比如，Gomes等[4]通过对建筑垃圾土进行三轴剪切试验，确定了抗剪强度参数，并建立了建筑垃圾土剪切强度理论的框架。朱德良等[1]介绍了高压旋喷桩加固深厚建筑垃圾杂填土地基处理方法，并通过单桩和复合地基静载荷试验，验证了该方法加固效果。江立群[5]采用强夯置换碎石法对杂填土地基进行处理，并开展了现场试验验证了加固效果。李玉龙[6]详细论述了压密注浆在深厚杂填土场地作止水帷幕的原理及适用性。刘渤等[7]以北京某工程实例，对杂填土地基危害进行了分析，并详细介绍了地基处理的设计计算与施工方法。陈德勇等[8]介绍了采用强夯法对杂填土地基进行处理。肖西卫等[9]结合铁路站场工程实例，研究了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，说明了渣土桩在处理大面积杂填土地基中的优势。夏长华[10]通过对比分析不同深厚杂填土地基处理方法，给出了优选方案，并利用ANSYS数值软件对杂填土地基的处理的效果进行了数值模拟分析。

此外，一些学者通过二元桩的方式进行杂填土地基加固，应用较多是碎石桩联合CFG桩。比如，曾华健等[11]分析了强夯碎石桩联合CFG桩复合地基的加固机理，并通过有限元软件模拟分析了对地基处理后的沉降和差异沉降情况。刘强等[12]分析了CFG桩和强夯碎石桩的复合地基作用机理,通过数值模拟与工程实测数据的对比，分析了多桩型复合地基的沉降特性。柱锤冲扩桩法是一种较为新型的地基处理方法，其应用领域正逐步扩大[13-14]，并且柱锤冲扩桩联合CFG桩的地基加固方法，具有处理效果好、工程造价低廉等特点，在湿陷性黄土地基得到了成功应用[15-16]。

与其他特殊地基处理的研究相比，建筑垃圾杂填地基处理的研究和应用相对较少。本文结合北京某水工构筑物地基加固工程，探讨了柱锤冲扩桩联合CFG桩在深厚建筑垃圾杂填土地基处理中的应用效果。该工程首次采用柱锤冲扩桩+CFG桩二元桩联合处理深厚垃圾杂填土地基，由于施工场地内垃圾土层较厚，不确定性因素多，施工复杂，目前两种施工工艺同时应用于处理垃圾杂填土地基基础尚无成熟的经验案例可借鉴。因此，探索总结柱锤冲扩桩+CFG桩二元桩施工技术对推动该方法应用于水工构筑物地基基础具有积极的创新意义。本文通过FLAC3D软件数值模拟分析了该地基处理方法的应用效果及适用性，可为其他深厚建筑垃圾杂填土地基处理设计与施工提供借鉴。

1 工程概况

亦庄水厂工程地处北京市大兴区，位于南五环以南，南海子公园东侧；西侧紧邻南北向的荣京西街，东侧为现况亦庄西十八号路，南侧紧邻黄亦路；亦庄水厂工程规划占地面积约48.8万m2，其中一期工程总用地16.2万m2，厂区为较规则的四边形，南北向长约407 m、500 m，东西向宽约367 m。其中，机加池分东、西2个系列，每系列设6座，四周为钢筋混凝土框架结构，对称布置，每系列机加池平面尺寸106.8 m×79.0 m。机加池属于半地下式圆形储水构筑物，采用上部内直径29.0 m，下部内直径17.4 m的现浇钢筋混凝土结构形式。拟建场为荒地，场地大部分较为平坦，场地东侧基本为原地貌，西侧为近期人工堆填的杂填土、建筑垃圾等。建筑垃圾杂填土位于地表层，整个场地内均有分布，厚约0.4 m～18.6 m。西侧机加池场地部分有大面积厚度较深的垃圾杂填土层，约为12 m。其中，北侧2个机加池下垃圾杂填土层较薄，采用CFG桩进行处理。由于南侧4个机加池下面有较厚的垃圾杂填土，采用柱锤冲扩桩联合CFG桩进行地基加固，桩基分布如图1所示。

图1 二元桩平面布置图

本文主要针对表层含有深厚垃圾杂填土的南侧西系机加池的地基处理进行研究，如图2所示。其中，柱锤冲扩桩的CFG桩长为20 m，柱锤冲扩桩桩长为12 m，桩间距1.8 m，桩径0.6 m，方形布置，桩身采用杂填土及5%水泥。CFG桩长为20 m，桩间距1.8 m，桩径0.6 m，方形布置，并与柱锤冲扩桩位置交叉，桩身采用C30混凝土。桩顶设300 mm厚中粗砂褥垫层。场地的工程地质状况复杂，据现场钻探测试资料及土工试验资料，地层从上往下依次为垃圾杂填土、圆砾、细砂、黏质粉土、粉质黏土，杂填土厚度约为12 m，相关的地层参数见表1。其中，E为弹性模量，ν为泊松比，φ为内摩擦角，c为黏聚力。

图2 二元桩地基加固剖面图

表1 土层的物理力学指标

2 加固机理分析

垃圾杂填土地基先进行柱锤冲扩桩的施工，而后进行CFG桩施工，桩点布置图如3所示。柱锤冲扩桩采用强夯置换法的加固原理对桩间土进行加固，相对于其他复合地基加固效果要好。在锤击成孔及成桩过程中，通过对原状土的动力挤密、强力夯实、动力固结、充填置换(包括桩身及挤入桩间土的骨料)、生石灰的水化和胶凝等作用，使软弱地基土得到加固。CFG桩是一种可调节强度桩，介于刚性桩与柔性桩之间，主要通过桩的挤密作用来改善地基承载力和减少沉降，并且水泥的胶结作用可有效的发挥桩的侧阻作用。在柱锤冲扩桩-CFG桩二元桩复合地基中，柱锤冲扩桩和CFG桩各自发挥着不同的作用，具体加固机理包括以下几个方面：

(1) 置换效应：在垃圾杂填土地基处理工程中，采用柱锤冲扩桩+CFG桩二元桩复合地基处理技术，用高强度的桩体材料置换结构复杂的垃圾杂填土，使地基承载能力得到提高。

(2) 动力夯实挤密效应：在进行柱锤冲扩桩和CFG桩施工时，对桩间土进行了不同程度的挤密、振密，尤其是柱锤冲扩桩冲孔及填料成桩过程中对桩底及桩间土的夯实挤密作用(二次挤密)，可有效减小垃圾杂填土孔隙率，消除液化现象，使地基土变得更加密实，从而提高地基承载力得到提高，减小沉降量。

(3) 咬合抱紧效应：桩体在施工挤密过程中，往往形成串珠状体，有利于桩与桩侧土的紧密“咬合”，增大了侧壁摩阻力，使加固后的桩与桩间土形成一个密实整体。桩周土受到的侧向强力挤密应力，成桩后慢慢释放，对桩体产生很大的侧向约束的“抱紧”作用，使桩体具有刚性或柔性桩的特点。

(4) 固结排水作用：柱锤冲扩桩为散体材料桩，方便地基土的排水，可加快施工引起的超孔隙水压力的消散，从而加速地基土的固结。

(5) CFG桩的护桩效应：因为柱锤冲扩桩是散体材料桩，其承载力的大小取决于桩周土对桩体约束力的大小。在柱锤冲扩桩复合地基中置入CFG桩，使桩间土进一步被挤密，相当于在柱锤冲扩桩周边施加了一个额外的侧向约束，保护桩体不因膨胀而破坏，使柱锤冲扩桩的承载力得到更好的发挥，从而使复合地基承载力进一步提高。此外，利用CFG桩的整体性，满足了地基承载力与沉降的要求。

图3 桩点布置图(单位：mm)

这两种桩的组合应用，既能满足承载力与沉降的要求，又可以充分发挥柱锤冲扩桩的排水、挤密的功能，加速固结。同时CFG桩加强了地基土的整体强度，增大了桩间土的密度以及柱锤冲扩桩的侧向应力，从而可防止柱锤冲扩桩桩体的膨胀破坏。

3 数值分析

3.1 计算模型

以采用柱锤冲扩桩联合CFG桩进行地基处理的西系南侧某一机加池为研究对象进行建模分析。整体模型的长和宽取相应方向机加池尺寸的3倍，深度方向取CFG桩长的2.5倍，地基土采用摩尔-库仑弹塑性模型的实体单元表示，选用适当的本构模型是数值计算的关键[17]。褥垫层以及上部的机加池底板采用材料属性为Elastic各项同性弹性模型的实体单元表示，褥垫层厚度为0.3 m，底板厚度为0.7 m，采用C30混凝土。柱锤冲扩桩采用Elastic各项同性弹性模型的实体单元进行模拟，CFG桩采用Pile结构单元模拟，桩基模型如图4所示。Pile桩结构单元参数的取值参考文献[18-19]中的方法，如表2和表3所示。对于实体单元模型，节点共有三个自由度，底面节点x、y、z方向位移固定，垂直x轴的两侧面限制其x方向的位移，垂直y轴的两侧面限制其y方向的位移，模型顶面为自由面。桩在竖直方向上的旋转通过约束Rz来限制。机加池以均布荷载的形式施加到底板上，总体模型图如图5所示。

表2 桩基计算参数

表3 桩单元耦合弹簧参数

图4 桩基模型图

图5 整体模型图

3.2 计算过程

根据相应的实际工程情况开展数值模拟计算，具体计算过程如下：(1) 初始地应力平衡。地基土模型建立完后，求得在自重应力作用下，地基土的初始地应力场；(2) 基坑开挖。由于基础埋深较浅，进行一次性开挖，计算开挖后的地层位移场和应力场。(3) 施做柱锤冲扩桩+CFG桩基础，以及褥垫层和底板；(4) 施加作用荷载。

为了体现二元桩处理地基的优势，设置只采用CFG桩进行地基处理的情形作为对照组进行对比分析。数值模拟主要分析两种地基处理形式的沉降变化以及桩的受力情形，从而说明采用柱锤冲扩桩+CFG桩二元桩处理垃圾杂填土地基的有效性及优势。

3.3 模拟结果分析

(1) 整体沉降分析。图6给出采用二元桩模型的总沉降云图。由于将上部荷载简化为圆形均布荷载，模型整体沉降呈现出从中间大，四周小的“盆形”分布，最大沉降位于中心部位，沉降量可达13.0 mm，与实际监测数据相近。图7给出了两种地基处理情形距离地基中心不同处的地基表面沉降值大小，可以看出，两种桩基础形式的沉降从地基中心向四周逐渐减小，并呈对称分布。采用二元桩的情形，机加池地基最大沉降差约为3.2 mm。只采用CFG桩的情形，整体最大沉降达17.8 mm，比二元桩处理方式沉降多出近5 mm。同时机加池下不均匀沉降达5.4 mm。可以看出，采用二元桩处理垃圾杂填土地基不仅有效的控制了整体沉降量，还减小了机加池的不均匀沉降。

图6 整体沉降云图(单位：m)

图7 地基表面离地基中心不同处的沉降

二元桩模型整体沉降剖面图如图8所示，可以看出，桩间土的总体沉降值较大，说明其压缩量不是很大，土层压缩主要发生在桩底端处，并可以明显看出沉降值的变化，具体沉降压缩量如图9所示。CFG桩长为20 m，可以看出，桩间土压缩量较小，地基土压缩量主要发生在桩底端下土层，约占总沉降的93%，桩间土经过二元桩的处理，其压缩量较小，只占总沉降的7%。

图8 整体沉降剖面云图(单位：m)

图9 地基土压缩量发展图

只采用CFG桩情形与二元桩情形相比，垃圾杂填土层(深度12 m范围)桩间土产生较大的压缩量，约为3 mm，与其压缩系数较大有关。压缩量也是从CFG桩底端开始迅速增大，桩底端20 m内(-20 m～-40 m)的压缩量占总沉降量的59%，也是随着深度逐渐减小。可以看出，二元桩处理方法可以减小垃圾杂填土层的压缩量，并更有效地将上部荷载通过CFG桩传递到持力层上。

(2) 桩基沉降分析。图10分别给出了柱锤冲扩桩与CFG桩的桩基沉降云图，以及总的桩基沉降云图。可以看出，与地基土的沉降发展类似，同样也是中间桩沉降大，四周桩沉降较小。由于柱锤冲扩桩采用建筑垃圾进行回填夯实，为散体材料桩，柱锤冲扩桩提高了整体复合地基的承载能力，有效的减小了地基沉降。本算例采用实体结构单元来对其进行模拟分析，因此可以将柱锤冲扩桩及其桩间土看成复合地基，可对该复合地基进行分析。最大沉降发生在复合地基中间，约为13.0 mm。CFG桩采用结构桩单元(Pile)进行模拟，其沉降同样也是中间大，四周小，最大沉降发生在中间桩，约为12.4 mm，如图10(a)所示。只采用CFG桩桩基础整体沉降云图如图10(b)所示。可以看出，两种情形的沉降分布规律相似，只采用CFG桩桩基础较二元桩情形发生较大的沉降量，沉降量约多出2.0 mm。

图10 两种桩基础形式的桩基沉降云图(单位：m)

(3) 桩基受力分析。柱锤冲扩桩及桩间土复合地基的竖向应力云图如图11所示。可以看出，复合地基所受竖向应力随深度方向增大，在段底端部位所受应力最大，约为227 kPa。图12给出了两种桩基础形式的CFG桩桩轴力云图，与上述沉降规律相对应，桩轴力分布规律为角桩最大，边桩次之，内部中心桩最小。群桩的荷载传递过程不同于单桩，不同位置处承载力的发挥是不同步的。由于上部桩间土的压缩，限制了桩土的相对移动，桩端阻力起主要作用。随着荷载的不断增大，桩身下部的侧摩阻力开始发挥作用，并随着沉降的增大，上部侧摩阻力也开始发挥作用。由于沉降为中间大，四周小，角桩的侧摩阻力最早发挥作用，而中心桩的承载以端阻力为主[20]。

图11 柱锤冲扩桩轴向应力云图 (单位：Pa)

只采用CFG桩桩轴力云图如图12(b)所示。与二元桩情形相比，不同桩之间桩轴力的差值增大，桩顶最大桩轴力值为410 kPa，而最小桩顶轴力仅为6 kPa。而采用二元桩情形，最大桩顶轴力约为344 kPa，最小桩顶轴力为41 kPa。这不仅减小了最大桩顶轴力值，还减小了不同桩之间受力差值，从而可更好的发挥群桩的作用。此外，二元桩桩端轴力的值较仅采用CFG桩的情形要小，从而使侧摩阻力得到更好的发挥。

图12 两种桩基础形式CFG桩桩轴向应力云图 (单位：Pa)

CFG桩的弯矩云图如图13所示，可以看出，弯矩最大值发生在桩的中间部位，桩两端弯矩较小，并且角桩和边桩的弯矩值大于中间桩，因此，施工时应注意增加桩中间部位的配筋。只采用CFG桩情形与二元桩情形相比，最大桩弯矩值增大，桩身不同位置处的弯矩差值增大。

(4) 二元桩处理垃圾杂填土的优势说明。通过对两种地基处理方式的模拟分析可知，采用柱锤冲扩桩联合CFG桩处理垃圾杂填土地基的方式表现出明显的优越性，具体体现在以下几点：(1) 减小了总体的地基以及桩基础沉降值；(2) 减小了机加池的不均匀沉降；(3) 减小了桩轴力值，并能充分发挥各桩的作用，荷载分配更为均匀；(4) 减小了桩的最大弯矩值。