柱锤冲扩桩技术在杂填土路基处理中的应用

2024-03-02袁海超王旭阳

中国煤炭地质 2024年1期

袁海超，王旭阳，王丛，胡强

（1.中建路桥集团有限公司，河北石家庄 050001； 2.中煤水文局集团有限公司，河北邯郸 056004）

0 引言

随着城市化进程的加快和人类活动的加剧，在人类生产生活中产生的大量建筑垃圾、工业废料和生活垃圾等杂物堆积形成了地表的杂填土层［1］。根据中国社会科学院农村发展研究所、中国社会科学出版社联合发布的《城市蓝皮书：中国城市发展报告No.12》，预计到2030 年，中国城镇化率将达到70%，城镇垃圾量将达到4.21 亿t/a［2］。露天堆放和填埋等传统的垃圾处理方法不仅浪费土地资源，形成的杂填土层还会严重影响社会发展和建设［3］。

杂填土成分多样，按照组成物质进行分类可分为生活垃圾土、工业垃圾土和建筑垃圾土，同时杂填土的结构也较为复杂，没有成层性，其力学性质与均质的土层差别较大［4-5］。杂填土在引发大气污染、水体污染、土体污染和病原体污染等环境问题的同时，还会引发地基沉降等一系列的工程问题［6］。城镇化和基础设施的建设规模不断扩大，许多垃圾堆积而成的杂填土地块也被规划其中，但由于杂填土土质松软、承载力较差，难以直接被用于工程建设。为了保证高效利用土地资源和顺利开展基础设施建设，研究杂填土的处理方法来增强杂填土的性质意义重大。

针对杂填土路基、软土路基常用的处理和加固方法主要有CFG 桩加固、水泥加固、石灰加固、固化剂加固和强夯加固等［7］。目前国内外众多学者对杂填土的处理方法、工程实例的应用和施工工艺等方面进行了研究。魏国安结合西安北动车段工程实例，通过室内试验和现场原位测试确定采用挖除换填和强夯处理后垃圾填埋场地基各参数满足设计要求，为其他垃圾填埋场的地基处理提供了参考和借鉴［8］。张衡针对富平耀州红色旅游公路PPP 项目中三处较大的垃圾填埋场区域，以杂填土路基的加固处理为研究对象，通过加固原理研究、土的基本物理参数、室内试件加固试验与现场强夯加固处理相结合提出了固化剂-强夯相结合的加固方案［9］。ZHANG 等人研制室内试验装置，对不同粒径、外荷载和颗粒材料条件下的杂填土和软土试样进行相互嵌固沉降试验研究，并提出了杂填土和软土相互嵌固引起沉降的理论计算公式，公式计算结果与试验结果拟合较好［10］。王家磊等人依托某高填方机场工程，围绕地基厚层杂填土层进行了多组现场高能级强夯试验，最终提出了适用于厚层杂填土地基的高能级强夯施工参数和加固效果检测方案，为类似工程的开展提供了参考［11］。在路基和地基的处理中通常会优先考虑强夯法，其次再采取合适的方法对杂填土进行加固，或将强化材料与强夯结合使用。屈耀辉等人针对湿陷性黄土区的郑西客运专线，分别采用柱锤冲扩桩法、挤密桩和强夯处理对湿陷性黄土区高铁路基试验段地基开展堆载预压沉降变形观测及持续浸水试验，结果表明，柱锤冲扩桩和挤密桩法两种方法对地基的沉降效果控制更好［12］。蔡旭梅依托某软土地区高速公路实际工程，借助数值模拟手段，分别对素土、群桩条件下的承载力特性进行了分析得出：群桩可以显著提高软土的承载力，桩径、桩长和桩间距可显著影响群桩的承载特性［13］。陶东新等人在宁南地区淤泥质土层进行了静钻根植桩地基处理研究，结果表明，静钻根植桩集合了传统管桩和钻孔灌注桩的长处，具有高强度，水泥土侧摩擦性能好、地层钻进适应性广、无挤土效应、减少泥浆排放量、可避免沉桩外力损伤桩身、低噪声等诸多优点［14］。

柱锤冲扩桩法因适用性强、取材灵活、成桩快速且工程造价低广泛被应用于建筑地基处理，但目前在道路路基中应用较少［15］，因此将柱锤冲扩桩方法应用于杂填土路基处理开展相关研究非常有必要，可以为杂填土路基处理提供新的思路和参考。

本文依托山西省阳城县滨河东路延长线坡底段综合工程项目，以K0+000-K0+650 路段路基下的深厚杂填土为研究对象，探讨柱锤冲扩桩技术在杂填土路基中的应用，在充分调查工程地质条件和路基性质的基础上，进行方案比选，并对设计方案和施工工艺进行说明，最后通过荷载试验对路基处理效果进行分析，可为其他杂填土路基的处理设计和施工提供借鉴。

1 工程地质条件

研究区位于山西省阳城县，为丘陵地形，是耕种土壤集中区且分布大面积黄土，路两侧分布有黄土剥蚀直立陡崖。道路沿线出露地层主要为第四系全新统和上更新统，其中第四系全新统主要分布于区内北部获泽河河谷，河谷以南大部分被上更新统地层所覆盖。拟建线路位于阳城向斜东翼，总体走向NNE，为向N 偏W 缓倾的单斜构造。路线两侧存在滑坡和崩塌等地质灾害，但都已进行了支护工作和挖方清除，对当前项目建设影响不大。项目区内存在大面积黄土和杂填土，黄土的湿陷性已经发生退化，可不考虑湿陷性对工程建设的影响；杂填土是施工前应进行相应处理的目的层位。

根据现场调查和勘探，杂填土主要以拟建道路K0+000-K0+650 的中线展开分布，物质组成以村民生活垃圾、建筑垃圾及路南侧御景江山施工开挖基坑堆积的渣土为主，多种物质混合堆积，成分复杂且分布不均匀。通过现场钻探揭露的杂填土分布厚度不一，基本分布特征为：上部以御景江山废弃渣土为主，下部为原居民堆积的生活垃圾及建筑垃圾，内含大量的砖石及炉渣，厚度为4～10m。根据工程地质勘察报告，场地各岩土层分层特征及力学性质如表1、表2所示。

表1 场地岩性特征Table 1 Site rock characteristics

表2 岩土层物理力学性质Table 2 Physical-mechanical properties of soil and rock layers

2 路基处理方案

2.1 方案比选

现场钻探揭露杂填土成分以粉土和粉质黏土为主，夹建筑垃圾和生活垃圾，堆积时间较短，土体松散，分布不均匀且厚度较大。根据路基设计要求，路基必须做到密实、均匀、稳定，路基回弹模量值应不小于30MPa；不能满足上述要求时，应采取措施提高路基强度。因此在施工前，需要选取合适的路基处理方案满足路基设计强度和承载力要求。结合工程场地的具体情况，以安全适用、技术先进、经济合理、确保质量和保护环境为原则［14］，最终选取级配砂石换填、深层水泥搅拌桩、预应力管桩和柱锤冲扩桩四种方法作为本次杂填土路基处理的备选方案，各方案在工程造价及工期、场地及气候适用性和环境因素方面的对比如表3 所示。

表3 备选方案对比Table 3 Comparative analysis of alternative solutions

由于影响因素复杂多变，难以量化，因此，在进行路基处理方案选择时需采用系统分析的方法。本次研究采用层次分析法对路基处理方案进行选择，层次分析模型分为三层如（图1）。

图1 层次分析模型Figure 1 Analytical hierarchy process model

通过对准则层的四个因素赋予不同的比重并构造比较矩阵，对方案的选择进行量化，层次分析结果如表4 所示。根据层次分析结果，柱锤冲扩桩方案在四种备选方案中有一定的优势，本次路基处理方案选取柱锤冲扩桩法，同时在应用过程当中应注意其噪声对周围居民的影响，在正式施工前应做好试桩，以便及时调整设计参数。

表4 层次分析结果Table 4 Analytical hierarchy process results

2.2 设计方案和施工工艺

根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）和《公路路基施工技术规范》（JTG F10—2019），结合研究区杂填土路基勘察报告，确定本次柱锤冲扩桩设计方案：桩径D=500mm，桩长6.0m，正三角布置，桩间距为1.1m，桩身采用级配砂石夯实，并在施工过程中不断优化。

施工前清理平整施工场地，布置桩位。施工机具就位后，使柱锤对准桩位柱锤冲孔，根据土质及地下水情况在不同位置采用冲击成孔、填料冲击成孔和复打成孔三种成孔方式。成孔之后，用料斗或运料车将拌合好的填料分层填入桩孔夯实，每个桩孔应夯填至桩顶设计标高以上至少0.5m，其上部桩孔用原地基土夯封。路基处理施工完成后，清凿桩头保证桩顶为平面，然后铺设300mm 厚的碎石（粒径不大于2.0cm）褥垫层进行振实或夯实。褥垫层铺设厚度应均匀，夯填度不大于0.9，铺设范围应宽出垫层轮廓线外缘不少于200mm。经处理后的复合路基承载力特征值不低于150kPa，单桩承载力特征值不低于125kPa。

为保证施工质量，施工过程中应随时检查施工记录及现场施工情况，并对照预定的施工工艺标准，对每根桩进行质量评定。采用单桩荷载试验法和复合地基载荷试验法检验复合地基承载力特征值，试验数量不应少于其总桩数的1.0%，且不少于3点。在工程正式投入使用后，应定期开展沉降和侧向位移的观测，以检验加固效果。

3 路基处理效果分析

1）单桩静荷载试验。路基处理施工结束后，随机选取试桩10 根于施工7d 后按设计承载力要求采用单桩静载荷试验进行单桩承载力检测，荷载-沉降（p-s）曲线如图2 所示。从图2 可以看出，曲线均属缓变型，无明显的拐点和陡降段，未出现整体破坏。结果表明，10 根桩的单桩承载力特征值均达到125kPa，满足设计要求，可继续按照试桩的工艺参数进行施工。

图2 单桩静荷载试验p-s曲线Figure 2 Single-pile static load test p-s Curve

2）复合地基静荷载试验。选择3种独立基础（6根桩基础、9 根桩基础和12 根桩基础），随机抽取3个复合地基并在其表面铺设厚砂垫层进行静荷载试验，均加载到最大试验荷载，复合地基静载荷试验p-s图如图3 所示。从图3 可以看出，曲线呈缓变型，取s/b=0.008 所对应的压力且不大于最大加载压力一半为各复合地基的承载力特征值，其中b为承压板边长或直径。试验结果表明，3 个复合地基承载力特征值均达到150kPa，3 个试验点的承载力特征值极差未超过其平均值的30%，满足设计要求。