孔内深层超强夯法与灌注桩组合在大厚度杂填土地基处理中的应用

2024-01-23吕雪漫任小江穆国峰

地基处理 2023年6期

关键词：素土陷性单桩

吕雪漫，刘帅*，施怡，张鹏，任小江，穆国峰

（1.机械工业勘察设计研究院有限公司，陕西西安 710021；2.陕西省特殊土工程性质与处理技术重点实验室，陕西西安 710043；3.长安大学地质工程与测绘学院，陕西西安 710054）

0 引言

随着城市建设规模的日益增大，建设范围逐渐由中心城区向周边扩张。为满足建设场地需求，将历史上的地势低洼处及近代人类工程活动开挖处进行回填平整。由于回填时缺乏科学指导与专项设计，形成了大量的大厚度杂填土场地。

杂填土具有性质不均匀、厚度变化大、沉降变形大、湿陷性强、压缩性高、强度低、自重压密性等特点[1]，若处理不当，后期建筑物易出现不均匀沉降、开裂等现象。杂填土地基的处理受到工程界与学术界的广泛关注。

王胜刚[2]研究了高压注浆法在大厚度填土地基的应用，注浆加固后，填土孔隙被填充，浆液与土形成整体，土的密实度大幅提高。白学伟[3]、陈德勇等[4]分别介绍了强夯法在大厚度素填土与大厚度杂填土中的应用实例，强夯后地基土承载力特征值超过180 kPa。巫朝新[5]介绍的大厚度素填土场地案例采用了强夯与垫层组合法处理地基，先用强夯夯实素填土，基底下铺设1 m 厚的碎石垫层，最终承载力特征值达到200 kPa。李松徽[6]对比研究了孔内深层超强夯法（Super Down Hole Dynamic Consolidation，SDDC）挤密桩和沉管挤密桩在兰州大厚度回填黄土地区的应用效果，两种方法均能满足承载力要求，SDDC 桩桩身压实系数离散，沉管挤密桩桩身压实系数相对均匀。夏长华[1]从微观/宏观研究了重锤夯扩挤密法的力学机理，并现场试验验证了杂填土场地经渣土桩或复合载体桩处理后，杂填土场地承载力比处理前提高1～2 倍。冀新党等[7]介绍了SDDC 方法处理大厚度杂填土案例，处理后地基承载力特征值达到170 kPa。冯彬等[8]以北京某场地为例，分析了柱锤冲扩桩+CFG 桩（长短桩结合）地基处理方案的应用效果，承载力特征值达到180 kPa，该方案满足安全性要求的同时又具有良好的经济效益。熊维等[9]介绍了SDDC（旋挖成孔、素土回填）+后插筋灌注桩处理大厚度杂填土案例，水位以下的杂填土用级配砂石换填后注浆加固，处理后的地基满足高层住宅（30～33F）承载力的要求。

本文以西安某工程为例，分析了SDDC（冲击成孔，填料采用素土与杂填土结合）+灌注桩在大厚度杂填土地基处理中的应用，为类似工程提供借鉴。

1 场地及工程概况

1.1 场地概况

场地位于西安市，2019 年对场地进行了详细勘察。勘察期间，场地西侧有一深约10 m 的矩形土坑，其余地段整体平整。

根据调查及历史影像，20 世纪末21 世纪初，场地为一砖厂（图1），就地取土制作砖坯，开挖形成多个大型土坑，最深开挖超过20 m。

图1 场地历史影像图（砖厂，2006 年）Fig.1 Historical image of the site (brick factory,2006)

2009 年开始，场外杂填土陆续运至本场地内。至2010 年底，除西侧土坑外，场地内其余土坑均被杂填土填满（图2）。杂填土回填时，没有经专门设计，由渣土车自然堆倒，未分层碾压。至本场地建设前，未再发生其他较大变化。

图2 场地历史影像图（场地整平，2010 年）Fig.2 Historical image of the site (site leveling,2010)

1.2 工程概况

拟建工程包含住宅楼、幼儿园、商业裙房及地下车库。本文以具代表性的8 号楼为研究对象，该栋楼±0 标高403.50 m，地上33 层，建筑高度99.37 m，地下1 层，基础埋深8.25 m，建筑基底标高395.25 m，剪力墙结构，基底压力标准值550 kPa。

1.3 地质概况

根据场地详细勘察报告，本场地地貌单元属渭河三级阶地。场地属自重湿陷性场地，自重湿陷性土层厚度约12 m，湿陷性土层厚度约18 m。场地65 m 深度范围内揭露的地层为杂填土、古土壤及黄土、粉质黏土、砂层。地下潜水水位标高介于373.07～375.13 m 之间。

8 号楼基底下的地层分布特征如图3 所示。

图3 8 号楼基底地层分布图Fig.3 Stratigraphic distribution map of the basement of building 8

①杂填土：杂色，以建筑垃圾（砖块、煤渣）为主，少量生活垃圾。8 号楼区域杂填土总厚度平均10.0 m，基底下杂填土平均厚度7.5 m。

②古土壤：棕红色，硬塑，稍湿，土质较均匀，可见针状孔隙，偶见大孔隙，具团块状结构，含白色钙质条纹及少量钙质结核，局部底部钙质结核富集成层。具湿陷性。

③黄土：褐黄色，可塑，稍湿-湿，土质均匀，针状孔隙及大孔发育，含白色钙质条纹，零星钙质结核，偶见蜗牛壳。该层上部具湿陷性。

④粉质黏土：黄褐色，可塑，湿-饱和，土质均匀，含铁锰质斑点及少量钙质结核，偶见蜗牛壳碎片。

下部砂层密实、饱和，粉质黏土可塑-硬塑，饱和。工程性质较好。

建筑物基底下主要土层的桩基参数见表1。

表1 桩基参数Table 1 Pile foundation parameters

2 地基处理方案

2.1 方案选型分析

8 号楼基底压力550 kPa，一般浅部地层处理后的地基承载力难以满足上部荷载需要。

场地属于自重湿陷性场地，根据勘察报告，8 号楼地基湿陷等级为IV 级，地基处理应消除全部湿陷性或采用桩基穿透湿陷性土层。

基底下杂填土厚度7.5 m，结构松散，工程性质差，不能直接作为基础持力层。采用桩基时，杂填土与自重湿陷性黄土均需考虑负摩阻力。直接采用桩基时，需要较长的桩承载负摩阻力及建筑荷载。为满足设计单桩承载力7 500 kN 的要求，根据表1估算桩径700 mm 时，所需要的桩长近50 m（见表2）。并且桩基设计时应着重考虑地震作用下的水平荷载以及桩的压屈效应。

表2 单桩承载力标准值估算表Table 2 Estimation table for standard values of single pile bearing capacity

若对杂填土预先挤密可不考虑负摩阻力，桩侧土的强度增大，可按常规地层设计桩基。

杂填土挤密处理工艺方面，一般的沉管成孔挤密法或旋挖成孔挤密法在杂填土地层中成孔困难，且挤密效果差。

综上所述，选用SDDC（冲击成孔）+灌注桩方案处理地基。SDDC 处理时，一方面挤密杂填土，另一方面挤密湿陷性土层。

2.2 地基处理方案

SDDC 桩成桩直径1 600 mm，桩间距整体按2 600 mm 控制，主楼承重墙下及附近的SDDC 桩间距与钻孔灌注桩桩位协调适应（图4）。施工时以冲击成孔为主，成孔困难时采用旋挖引孔。桩长17 m。按照“科学合理、经济环保”的原则，SDDC桩回填夯实时，与灌注桩重合的位置采用素土回填，其余位置就地取材，采用杂填土回填。施工时应遵循“从边缘开始，均匀分布，逐步加密，及时夯填”的施工顺序。桩施工成孔和回填夯实由外向内间隔分批进行，成孔后应立即填料分层夯填。夯锤重10 t，锤径1.1 m，提升高度不小于6 m，回填土每层不超过1.5 m，每层土夯击次数不少于6 次。浅部土层夯击时，由于侧限土压力较小，桩周土有上涌现象发生，因此，SDDC 施工完后，桩头以下700 mm 虚土应挖除，采用16 t 压路机辗压不少于5 遍。按要求处理后，桩间黄土湿陷性消除，挤密系数不小于0.93；桩间杂填土不低于中密状态；素土桩体压实系数不小于0.97；杂填土桩体不低于中密状态。

图4 地基方案设计示意图Fig.4 Schematic diagram of foundation scheme design

灌注桩桩长38 m，桩径700 mm，墙下布桩，单桩承载力标准值估算见表2。混凝土强度等级C35。施工时应根据规范要求执行，灌注混凝土超灌高度不得小于500 mm，应确保凿出桩顶浮浆后桩顶标高和桩身混凝土质量。钻孔灌注桩各工序应连续施工，桩孔成形后必须将孔底沉渣清理干净，清孔后孔底沉渣厚度应小于100 mm。孔底沉渣厚度符合规定后，立即下放钢筋笼、灌注混凝土，并不得超过半小时，应连续灌注直至桩完成。要求单桩承载力极限值不低于7 500 kN。

3 地基处理效果检测

3.1 SDDC 桩桩间土湿陷性消除情况

对桩长范围内的湿陷性黄土取土进行室内土工试验，土样湿陷系数及自重湿陷系数均小于0.015，表明处理范围内黄土的湿陷性已消除。

3.2 SDDC 素土桩体土压实系数

对素土桩体取土样在室内进行环刀法密度试验。桩体素土干密度介于1.64～1.70 g/cm3之间，平均1.67 g/cm3。素土最大干密度为1.71 g/cm3，桩体压实系数平均0.98，满足设计要求。

3.3 SDDC 杂填土桩体密实度

对杂填土桩体进行圆锥动力触探试验，实测数据结果见图5。修正后锤击数介于10～14 击，平均12.6 击。桩体密实度为中密，满足设计要求。

图5 圆锥动力触探试验成果图Fig.5 Curves of cone dynamic penetration tests

3.4 SDDC 桩桩间土密实度及挤密系数

在桩长范围内杂填土段进行动力触探试验，实测数据结果见图5。修正后锤击数介于10～12 击，平均11.2 击。桩体密实度为中密，满足设计要求。

在桩长范围内黄土段取样进行室内土工试验。桩间土干密度介于1.54～1.65 g/cm3之间，平均1.59 g/cm3。黄土最大干密度为1.71 g/cm3，挤密系数平均0.93，满足设计要求。

3.5 灌注桩单桩竖向抗压静载试验

3 根检测桩最大加载量均为7 500 kN，在终止荷载作用下均未出现破坏现象，最终沉降量介于22.50～27.96 mm 之间（图6）。单桩竖向抗压极限承载力取7 500 kN。

图6 单桩静载试验成果图Fig.6 Curves of single pile static loading tests

4 建筑物沉降监测

8 号楼自2020 年9 月开始监测，2021 年8 月15 日主体封顶。主体每增加1 层观测1 次，主体封顶后，每季度监测1 次，截至2023 年4 月共观测了39 次。累计沉降量最大和最小的两个监测点沉降数据随时间变化曲线如图7 所示。监测点最大沉降量为19.5 mm，最小沉降量为15.1 mm。由图可知，主体施工期间，沉降曲线斜率较陡，特别是20 层以上主体结构施工时，沉降量有明显增大趋势，分析是由于建筑荷载增大，深部桩基有微小位移，开始发挥承载能力。主体封顶以后，荷载增加量较小，沉降曲线斜率相对较缓。最大沉降量满足《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）[10]对地基允许变形值的要求。

图7 累计沉降量随时间变化曲线图Fig.7 Curves of cumulative settlement over time

选取累计沉降最大的监测点计算其沉降速率，沉降速率随时间变化曲线如图8 所示。

图8 沉降速率随时间变化曲线图Fig.8 Curve of settlement rate over time

整体来看，封顶前沉降速率大于封顶后。2021年11 月至2023 年4 月的6 次观测数据显示建筑物沉降速率均小于0.02 mm/d。根据《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）[11]，建筑沉降达到稳定状态可由沉降速率与时间关系曲线判定，当最后100 d 的最大沉降速率小于0.01～0.04 mm/d 时，可认为已达到稳定状态。根据西安地区经验，建筑物稳定标准为最后100 d 的最大沉降速率小于0.02 mm/d。本栋楼封顶约3 个月后即可视为达到稳定状态，后续连续观测均未发现异常沉降。