深厚杂填土场地地基处理实例分析

冯 彬，班海涛，迟铃泉，李 宁

（建筑安全与环境国家重点实验室/中国建筑科学研究院有限公司地基基础研究所/北京市地基基础与地下空间开发利用工程技术研究中心，北京 100013）

0 引 言

在城市发展建设过程中，由于取土烧砖或取砂作为建筑材料的需要，在城市郊区形成了大大小小规模不等的人工取土坑或取砂坑，之后这些坑往往被用作弃置土方、建筑垃圾甚至生活垃圾的回填场。随着城市规模的不断扩大，这些位于城市郊区的回填场地陆续被开发建设。但这类场地在回填过程中普遍为杂乱、无序回填，填料成分复杂且未经压实，工程性质极差，通常勘察报告建议为未经处理不允许作为地基使用，给工程建设带来了很大困扰[1]。选择安全有效、经济合理的地基基础方案是该类场地工程设计的关键。根据已发表的研究成果，可采用的地基处理方案包括桩基础、强夯法[2]、强夯置换碎石法[3]、柱锤冲扩桩法[4]、高压旋喷桩法[5]、孔内深层强夯（SDDC工法）结合后插钢筋笼灌注桩法[6]等，但对基底以下杂填土厚度超过20 m的场地的地基处理方法研究较少。

本文以北京市朝阳区某建于深厚杂填土场地的工程项目为例，介绍该项目地基处理方案特点。通过事前加强杂填土层勘察评价、进行填土沉降观测作为地基处理设计依据，采用柱锤冲扩桩+CFG桩长短桩结合的复合地基处理方案。柱锤冲扩桩可不穿透杂填土层深厚部位，地基处理与基坑支护方案协同考虑以控制地基处理范围。经工后评价该方案满足设计要求，且具有良好的经济性，可为类似场地地基处理设计与施工提供借鉴。

1 工程概况及特点

本工程位于北京市朝阳区，拟建建筑包括 1～10号楼及整体地下车库，其中1～7号楼地上2～3层，8～10号楼地上8层，地下均为3层。结构形式为框架结构，采用筏板基础，基础埋深约11 m。未经修正地基承载力特征值要求 8～10号楼为180 kPa，其余楼座包括地下车库均为120 kPa。

本场地地貌单元属温榆河洪冲积扇中部，地基土层主要为人工填土层，以杂填土为主，杂色，湿，大部分为松散状态，局部稍密，以碎石、碎砖、灰渣和黏性土等为主，成分不均，含较多建筑垃圾，局部为生活垃圾，部分位置生活垃圾含量达30%～70%，最大层厚33.10 m。填土层以下第四纪沉积土层以黏质粉土、黏土层为主，典型地质剖面如图 1所示，主要土层物理力学参数见表1。

表1 主要土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

图1 典型地质剖面图Fig. 1 Typical geological profile

本场地主要存在2层地下水，第一层地下水类型为上层滞水，稳定水位埋深1.20～7.80 m，开挖过程中发现填土中存水量较大，水质为污水；第二层地下水类型为微承压水，水头距地面距离为18.30～20.10 m。第一层地下水对混凝土结构具弱腐蚀性，第二层地下水对混凝土结构具微-弱腐蚀性。

本场地原为某砖厂取土坑，自 2006年起开始逐步回填，2006年与2018年场地卫星图对比如图2所示。回填的建筑垃圾中包含大量混凝土块，最大尺寸超过1 m。回填方式基本为无序回填，即沿前期形成的边坡任意倾倒，使得不同成分的回填物在空间上形成倾斜分布，成份极不均匀，且回填后未经碾压，结构松散，密实度差。基底以下填土最大厚度达22.5 m，基底以下填土厚度等值线图如图3所示。

图2 场地卫星图对比Fig. 2 Satellite image of the site (2006 & 2018)

图3 基底以下填土厚度等值线图Fig. 3 Contour map of fill thickness under the foundation

为查明填土层自重固结及场地稳定性情况，初步设计阶段首先对填土进行沉降观测。观测点布置于填土层表面，共布置监测点34个，如图4所示。观测周期共60 d，结果表明，观测期内填土表面沉降量总体较小，平均沉降速率小于0.02 mm/d，可认为其自重固结已基本完成。

图4 填土沉降监测点布置图Fig. 4 Layout of settlement monitoring points

2 地基处理方案选择

对地基土普遍为杂填土的场地，因其工程性质差且极不均匀，必须进行处理后方可作为地基或采用桩基础。考虑到本工程均为低层或多层建筑，建筑荷载相对较小而埋深较大，如采用桩基础，依据勘察报告建议和规范要求，桩基承载力计算尚需考虑杂填土层产生的负摩阻力，桩长较长，且因杂填土层未经挤密，结构松散，桩基础还需按照高桩承台设计，配筋量大，不经济。综合考虑填土特性、场地稳定性、承载力要求及附加应力分布等条件，采用地基处理方式，可以实现安全性与经济性的平衡。

柱锤冲扩桩为处理杂填土地基的有效方式。通过成孔及成桩过程中的动力挤密作用、动力固结作用、充填置换作用等共同达到挤密填土、提高地基承载力的目的。按照以往设计经验，经柱锤处理后杂填土层地基承载力可达到120 kPa，能够满足1～7号楼及地下车库部位的地基承载力要求。

对于本项目杂填土中存在的生活垃圾，其中的有机质组分降解周期较短，根据现有回填年限判断已基本完成降解，不存在后期继续降解分化引起土体软化或孔隙比增大等问题；纤维、塑料等成份能够起到土体加筋的作用，且其降解周期远大于建筑设计使用年限，因此认为柱锤冲扩桩可适用于存在生活垃圾的部位。由柱锤冲扩桩体形成复合地基的骨架，可以作为稳定的受力体，还可以消除湿陷或组分分解带来的影响。

9号、10号楼为本项目设计的重点。其基底以下杂填土最大厚度22.5 m，考虑到地下水条件与常规设备施工能力，柱锤冲扩桩的有效处理深度通常不超过10 m，无法穿透该区域杂填土层。采用柱锤冲扩桩不穿透杂填土层的方案主要基于以下考虑：（1）根据填土沉降观测结果，本场地填土沉降已基本稳定；（2）柱锤冲扩桩处理深度以下填土自地面埋深超过20 m且回填年限超过10年，在上部填土预压下更为稳定；（3）9号、10号楼基底反力为180 kPa，基础埋深11 m，按照基底以上填土重度为19 kN/m3计算，基底以下附加应力小于0，不会使深部未经挤密处理填土产生附加沉降。另外在柱锤冲扩桩处理的基础上再增加CFG桩，要求CFG桩穿透杂填土层并进入原状土不小于3 m，形成长短桩结合的复合地基处理方案。CFG桩一方面将复合地基承载力由仅布设柱锤冲扩桩时的120 kPa提高到180 kPa，另一方面通过柱、墙下布桩起到控制沉降的作用。

3 地基处理方案

3.1 柱锤冲扩桩

（1）设计参数及施工要求

柱锤冲扩桩布置于地基土为杂填土的区域，设计桩径600 mm，桩间距1.65 m，采用正方形布置。桩长根据填土厚度分区域变化，对于基底以下杂填土厚度小于10 m的部位，按桩长分为0～3 m、3～6 m、6～8 m、8～10 m共4类区域，并要求柱锤冲扩桩穿透杂填土层；基底以下杂填土厚度大于10 m的部位，桩长统一取10 m。柱锤冲扩桩平面布置见图5，图中标注数字为相应区域桩长。

图5 地基处理与基坑平面布置图Fig. 5 Layout of ground treatment and excavation

柱锤冲扩桩常用桩体材料为碎砖三合土、级配砂石等，为最大限度地实现废物利用并降低工程造价，本项目将杂填土中大量分布的混凝土块破碎形成粒径不大于50 mm的再生碎石作为填料使用。根据以往工程经验，采用碎砖三合土的充盈系数约1.5（以虚方计），而再生碎石骨架强度高，压缩模量大，其实际充盈系数仅约 1.0～1.1，可减少填料用量。

根据柱锤冲扩桩机施工特性，施工前需要将杂填土层内上层滞水疏干，并要求柱锤冲扩桩施工作业面距离设计桩顶不小于 0.5 m。成孔过程中如遇塌孔需分次填入碎砖或生石灰冲击护壁，如塌孔严重还需采用套管管内夯击作业的方式。夯扩成孔至设计深度后，将填料分层填入桩孔内夯实，每层填料量不大于0.5 m3，分层夯填至设计桩顶标高以上不小于0.5 m。柱锤落距不小于4 m，击数不小于8击，且最后2击沉降量不大于5 cm。

（2）地基处理边界确定

《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）要求柱锤冲扩桩复合地基处理范围应大于基底面积，一般地基在基础外缘应扩大（1～3）排桩，且不应小于基底下处理土层厚度的1/2[7]。本项目基底以下填土深度普遍超过8 m，东侧最深处超过20 m，即使按照柱锤冲扩桩最大处理厚度 10 m计，处理范围也应于基础外缘外扩不小于5 m。而柱锤冲扩桩于基坑内作业，地基处理范围的扩大意味着基坑开挖范围的扩大，将直接导致工程造价增加，并对基坑周边场地使用造成影响。为控制地基处理外扩范围，在基坑坡面靠近坡脚部位打设钢管微型桩作为地基处理范围边界。图5为地基处理与基坑支护平面布置图，图6为地基处理与基坑支护剖面图。

图6 地基处理与基坑支护剖面图Fig. 6 Profile of ground treatment and excavation

基坑支护采用坡度为 1∶1的预应力复合土钉（花管）墙，钢管微型桩设置于靠近基坑坡脚部位，水平间距1.5 m，成孔直径150 mm，长度6 m（东南侧填土深厚区为12 m）。内置DN80钢管，桩身灌注M30水泥浆并进行桩底二次注浆，二次注浆水泥量不少于200 kg/桩。基坑开挖至相应标高后施作钢管微型桩，然后继续开挖至柱锤冲扩桩作业标高进行地基处理施工。钢管微型桩视作地基处理的一部分，可增加基础外一定范围内填土的稳定性，同时又作为基坑支护构件增加基坑坡脚的稳定性。该方案下柱锤冲扩桩布置范围普遍为基础边缘外扩 1排桩，有效减小了基坑开挖面积，经济效果显著。

3.2 CFG桩

在柱锤冲扩桩施工完成并检测合格的基础上，8～10号楼增加CFG桩以满足其地基承载力和沉降控制的要求。8～10号楼地上均为8层，地基承载力要求相对较低（180 kPa），CFG桩采用400 mm桩径较为经济。但因杂填土地层中存在大量建筑垃圾，长螺旋钻机成孔困难，后改用旋挖钻机施工。根据旋挖钻机工艺特性，最终设计桩径采用600 mm，以粉细砂层作为桩端持力层，桩长23.9～25.9 m。根据地基承载力要求并结合结构平面布置，采取柱下、墙下布桩方式，平面布置如图7所示（以10号楼为例）。

图7 CFG桩平面布置图Fig. 7 Layout of CFG piles

CFG桩单桩承载力计算中杂填土层参数的取值，对于表层10 m经柱锤冲扩桩处理的部分，根据挤密处理后的动力触探击数要求，参考《工程地质手册》第八篇第三节[8]，极限侧阻力取40 kPa；对于 10 m深度以下未经处理部分，综合考虑基底附加应力情况及勘察报告给定的填土性状（重型动力触探击数及回填年限等），认为其不会产生大于桩体的沉降，即不计其负摩阻力，同时偏于安全考虑，极限侧阻力取0。由此计算得到的CFG桩单桩承载力特征值为700 kN。由于地下水对混凝土结构具有弱腐蚀性，根据《工业建筑防腐蚀设计标准》（GB/T 50046—2018）[9]的要求，桩身混凝土需采用抗硫酸盐硅酸盐水泥配制。

4 地基处理效果评价

4.1 复合地基检测结果

（1）柱锤冲扩桩复合地基

柱锤冲扩桩复合地基承载力检测采用堆载平台反力装置，一次性将所需配重均匀地摆放在由钢梁组成的平台上，用千斤顶配合高压油泵施加反力，载荷试验参数如表2所示。

表2 柱锤冲扩桩载荷试验参数表Table 2 Static load test parameters of impact displacement columns

载荷试验分8级加载，每级加载前后各测读1次沉降，以后每隔30 min读数1次。每1 h的沉降不超过0.1 mm，认为该级荷载的沉降已趋稳定，可以加下一级荷载。根据设计要求共进行复合地基承载力检测83点，典型的p-s及s-lgt曲线如图8所示。各检测点的p-s曲线均为平缓的光滑曲线，均未出现明显的比例界限和极限荷载，取最大加载压力的一半作为检测点的复合地基承载力特征值，此压力对应的变形值均小于规范容许的相对变形值。

图8 柱锤冲扩桩复合地基载荷试验曲线Fig. 8 p-s curve and s-lgt curve of composite foundation with impact displacement columns

经检测柱锤冲扩桩复合地基承载力特征值均满足120 kPa的设计要求。

（2）重型圆锥动力触探

勘察报告提供的杂填土N63.5重型圆锥动力触探击数普遍为4～8击，最小值仅2击，且具有极大的离散性，变异系数为0.668。经柱锤冲扩桩处理后，桩身及桩间土N63.5重型圆锥动力触探检测结果如图9所示。桩身平均击数约20～22击，桩间土平均击数约14～16击，较地基处理前显著提高。试验击数明显高于设计要求，可能与本项目填料采用再生碎石，以及杂填土中含大量建筑垃圾有关。类似场地击数要求可根据土质及填料种类进行调整，或根据试验确定。

图9 重型圆锥动力触探击数随深度变化曲线Fig. 9 Variation of heavy dynamic cone penetration blow count with depth

（3）CFG桩复合地基

CFG桩单桩复合地基承载力检测实质为 CFG桩+柱锤冲扩桩两种桩型复合地基的承载力检测。试验方法同柱锤冲扩桩复合地基承载力检测，试验参数见表3。

表 3 CFG桩载荷试验参数表Table 3 Static load test parameters of CFG piles

经检测，复合地基承载力特征值满足180 kPa、单桩承载力特征值满足700 kN的设计要求。以10号楼为例，复合地基载荷试验p-s及s-lgt曲线如图10所示，单桩复合地基静载荷试验成果见表4，单桩竖向抗压静载荷试验成果见表5。

图 10 CFG桩复合地基载荷试验曲线Fig. 10 p-s curve and s-lgt curve of CFG piles

表 4 单桩复合地基静载荷试验成果表Table 4 Results of static load test on composite foundation with single pile

表 5 单桩竖向抗压静载荷试验成果表Table 5 Results of vertical static load test on single pile

4.2 建筑沉降观测结果

根据设计要求，结构底板施工完成后即开始建筑沉降观测。截至本文完成时累计沉降观测周期约600～650 d（不同楼座根据其工程进度开始监测时间略有不同，其中结构封顶后监测时长约400～450 d）。图 11为部分楼座各监测点平均累计沉降量随时间变化曲线，根据沉降发展规律，累计监测约 400～450 d后可认为楼座沉降已进入稳定状态，满足《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）对建筑沉降达到稳定状态的判定标准，即最后100 d的最大沉降速率小于0.01～0.04 mm/d[10]。图中仅采用柱锤冲扩桩的楼座（3号、4号、5号）和采用柱锤冲扩桩+CFG桩两种桩型复合的楼座沉降发展规律未见明显差异。10号楼沉降量较其他楼座偏大，可能与该楼座基底下填土以素填土为主有关。工程设计中可根据填土性质不同分别取值进行设计与计算。

图11 累计沉降量随时间变化曲线Fig. 11 Cumulated settlement with time

各楼座监测期最终沉降量如表6所示。平均沉降量为4.91～14.81 mm，由差异沉降计算得到的整体倾斜均小于 1‰。不同楼座间沉降量的差异可能由基底以下填土层厚度、结构施工顺序及周期、基地附加压力等条件的不同所引起。考虑后期装修及使用等荷载，预期最终沉降量也不会大于 30 mm，小于40～42 mm的计算值（其差异可能源于杂填土层压缩模量取值偏差），能够满足地基沉降量不大于50 mm、整体倾斜不大于 1.5‰的设计要求，说明该地基处理方案可行。

表6 建筑沉降观测成果表Table 6 Building settlement monitoring results mm

5 结 论

（1）将地基中的杂填土层作为勘察工作的重点，加强了对其性状如组分、回填年限、力学参数等的评价，并通过沉降观测等方式评价其固结度及稳定性，为地基基础方案设计提供了依据。

（2）深厚杂填土地层建议将地基处理与基坑支护方案协同设计，以控制地基处理范围。通过在基坑支护坡脚部位打设注浆钢管微型桩，既可以作为地基处理范围的边界，又可以起到加固坡脚的作用。

（3）对于常规挤密工艺难以穿透的深厚杂填土层，可通过分析建筑附加应力大小及分布、用沉降观测等手段查明填土固结度及稳定性，如满足要求可采用仅挤密处理上部一定厚度杂填土层的方案。本项目采用的柱锤冲扩桩+柱、墙下布置 CFG桩形成长短桩结合的复合地基处理方案，并采用整体性更好的筏板基础。经检测和沉降监测满足设计要求，满足安全性要求的同时具有良好的经济效益。

（4）柱锤冲扩桩填料可按照因地制宜、就地取材的原则选择，并经试验确定充盈系数。本项目采用现场再生碎石作为填料，充盈系数仅 1.0～1.1，加固挤密效果经对比优于常用的碎砖三合土填料。