孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法（DDC法）在高原機(jī)場地基處理中的應(yīng)用研究
——以重慶武隆仙女山機(jī)場試驗(yàn)段項(xiàng)目為例

陳健，李志成，饒建強(qiáng)

（1四川省場道工程有限公司，四川成都 610081；2重慶機(jī)場集團(tuán)公司擴(kuò)建指揮部，重慶 401120）

陳健，李志成，饒建強(qiáng).孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法（DDC法）在高原機(jī)場地基處理中的應(yīng)用研究——以重慶武隆仙女山機(jī)場試驗(yàn)段項(xiàng)目為例[J].重慶建筑，2019（7）：46-50.

0 引言

高原機(jī)場是指跑道中心海拔高度在1500m及以上的機(jī)場，海拔高度在2438m或8000英尺及以上的機(jī)場稱之為高高原機(jī)場。高原機(jī)場的建設(shè)和運(yùn)行受山區(qū)地形、地貌等地質(zhì)條件，生態(tài)環(huán)境和氣象因素的影響，可供選址的理想場地較少，常常需要削山填溝，土石方工程量巨大，高邊坡回填和地基處理的質(zhì)量控制成為機(jī)場場道工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)施工環(huán)節(jié)。

高原山區(qū)新（改）擴(kuò)建機(jī)場場道工程處理地基的目的是為了提高地基承載力，以消除不均勻沉降和工后沉降問題，確保飛行場道地基的穩(wěn)定性[1]。一般采用換土墊層法、灰土擠密樁、強(qiáng)夯法、碎石樁和灌注樁等，處理地基的效果均能滿足設(shè)計要求。孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法具有高動能、超壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密作用，處理深度最大可達(dá)30m，在消除地基濕陷性的同時，可以有效提高地基承載力，減少地基變形，同時可變廢為寶，生態(tài)環(huán)保，施工速度快，節(jié)約工期，經(jīng)濟(jì)效益和社會效益明顯，是其它地基處理方法所無法達(dá)到的效果。在公路、鐵路、水利、電力等行業(yè)軟弱地基處理中應(yīng)用較多，重慶武隆機(jī)場作為民航系統(tǒng)首次采用該法，取得的成果經(jīng)驗(yàn)值得推廣。

1 孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法簡介

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法（Down-hole Dynamic Compaction，簡稱DDC法）是山區(qū)深層地基處理的一種新技術(shù)，具有施工方便簡單、速度快、無污染、對周圍環(huán)境影響小和工程造價低等優(yōu)點(diǎn)[2]，具有廣闊的應(yīng)用前景和推廣價值。

1.1 DDC法的作用機(jī)理

DDC樁是在強(qiáng)夯基礎(chǔ)上發(fā)展的一種復(fù)合地基處理技術(shù)。通過機(jī)械開挖成孔至預(yù)定深度后形成填料通道，并對孔內(nèi)填料自下而上分層進(jìn)行高動能、超壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密的孔內(nèi)深層強(qiáng)夯作業(yè)。夯錘采用紡錘狀重錘，采用這樣的結(jié)構(gòu)設(shè)計可在孔內(nèi)對填料進(jìn)行沖擊時，在錘側(cè)面產(chǎn)生極大的動態(tài)被動土壓力，迫使填料向周邊強(qiáng)制擠出，樁間土也被強(qiáng)力擠密加固，使孔內(nèi)的填料沿豎向深層壓密固結(jié)的同時對樁周土進(jìn)行橫向的強(qiáng)力擠密加固[3]。

針對不同的土質(zhì)，DDC樁使用不同的樁體材料，采用不同的施工方法，使樁體獲得串珠狀、擴(kuò)大頭和托盤狀，有利于樁與樁間土的緊密咬合，增大相互之間的摩阻力[4]，深層地基處理整體剛度均勻，承載力可提高2～9倍。

1.2 DDC法的技術(shù)特點(diǎn)

與傳統(tǒng)的地基處理方法比較，DDC法的技術(shù)具有以下優(yōu)勢特征：

1）適用范圍廣泛，可用于各類地質(zhì)條件下的不良地基處理?？變?nèi)深層強(qiáng)夯技術(shù)能適用于各種復(fù)雜地層的地基加固處理，如用于大厚度的黃土、雜填土、液化地基、各類軟弱土、濕陷性土以及具有酸、堿、鹽腐蝕的地基和具有硬夾層的不均勻沉降地基；

2）填料取用范圍廣泛，可就地取材。凡是無機(jī)固體材料，如土、砂、石、建渣、石方爆破料等均可以適用。而且用料不需嚴(yán)格加工，凡是能填入孔內(nèi)的無機(jī)無污染固體材料即可，減少污染，具有良好的經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)保效益；

3）具有高動能、高壓強(qiáng)的強(qiáng)擠密效應(yīng)。該技術(shù)的重要特征就是由于孔內(nèi)夯擊的樁錘一般為100～180T，在不斷沖、砸動力作用下，使孔內(nèi)填料不斷受到高動能、高壓強(qiáng)和劈裂擠密；

4）地基處理深度大，一般處理深度為10～20m，最深可達(dá)30m左右；

5）地基承載力和變形模量顯著提高，沉降變形小，地基處理承載力效果顯著提高；

6）當(dāng)采用硬質(zhì)基巖爆破料作為填料時，樁體同時具備豎向排水通道，有利于含水量較大的地基土排水固結(jié)。

2 工程概況

2.1 場區(qū)地質(zhì)條件

重慶武隆機(jī)場整個場區(qū)位于仙女山西側(cè)Ⅱ級地層剝夷面上，分屬殘坡積物流水侵蝕臺地地貌及巖溶臺坎地貌兩個次級地貌，最高點(diǎn)位于東側(cè)山梁漆樹槽一帶，高程1900m，最低點(diǎn)位于南西側(cè)塘壩子，高程1620m，總體地勢東高西低，南高北低，坡度較小。西側(cè)和南端為臺地邊緣切割較深的沖溝，北端及軸線中部地形相對比較平坦，東側(cè)為一近北北東向延伸的山梁。由于場區(qū)基巖地層主要為二疊系上統(tǒng)吳家坪組硅質(zhì)巖、灰?guī)r，以硅質(zhì)巖為主，遠(yuǎn)離區(qū)域侵蝕基準(zhǔn)面，地表水系不發(fā)育，基巖裂隙、溶隙水埋藏很深，地下暗河較發(fā)育，地表水與地下水之間常相互轉(zhuǎn)換。

場區(qū)緊鄰仙女山區(qū)域分水嶺，匯水面積較小，因遠(yuǎn)離烏江侵蝕基準(zhǔn)面，現(xiàn)代地表巖溶發(fā)育程度不高，未見深部基巖地下水位，現(xiàn)代地下巖溶發(fā)育程度低；區(qū)內(nèi)探明有被溶蝕透頂或坍塌的大型古溶洞、管道頂板，表明古地表巖溶、地下巖溶強(qiáng)發(fā)育。地層巖性包括耕土、粉質(zhì)粘土、粘土、碎石土等，以粉質(zhì)粘土、碎石土為主，由于場區(qū)水體多呈弱堿性，粉質(zhì)粘土對混凝土具微腐蝕性，對鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋具微腐蝕性，土體對鋼結(jié)構(gòu)具弱腐蝕性。

2.2 工程項(xiàng)目概述

重慶武隆民用機(jī)場場址位于武隆縣仙女山主峰西側(cè)鐵爐壩子臺地，緊鄰省道S203線，距離仙女山大草原風(fēng)景區(qū)約3km，平均海拔高度約1750m，每年有3～4個月冰凍期，低能見度天氣較多。擬新建一條長2800m、寬45m的跑道，一條長136.5m、寬25m的聯(lián)絡(luò)道，360m×130m的站坪，6000m2的航站樓、5200m2的輔助生產(chǎn)及生活用房，1座34m高塔臺和800m2的航管樓以及通信、導(dǎo)航、氣象、供油、消防救援等配套設(shè)施，項(xiàng)目總投資約16.7億元。其中，飛行區(qū)道面工程約20萬m2，土石方工程填方約2150萬m3，挖方約1940萬m3。試驗(yàn)段項(xiàng)目地基處理包括碎石樁、強(qiáng)夯置換、孔內(nèi)深層強(qiáng)夯、墊層強(qiáng)夯、地下土洞和溶洞處理等，最大填方高度約49m，概算投資約為5543萬元，2017年4月10日開工，采用挖方區(qū)爆破粒料作為回填料，地基處理總面積約3800m2，并于2017年10月15日完成全部2962根DDC樁的施工任務(wù)。

3 地基處理方案

3.1 設(shè)計參數(shù)選擇

DDC樁法施工試驗(yàn)選擇在擬建跑道道槽區(qū)和邊坡區(qū)進(jìn)行，由于該試驗(yàn)區(qū)位于坡腳或溝谷低洼區(qū)域（圖1），原有地面軟弱土主要為粉質(zhì)粘土和粘土，天然含水量數(shù)值范圍為37.9%～52.4%。設(shè)計要求采用挖方區(qū)爆破粒料進(jìn)行回填，DDC法處理后復(fù)合地基承載力特征值≥250kPa，樁體變形模量≥8.0MPa，樁間土變形模量≥4.0MPa，固體體積率≥83%，地基處理回填強(qiáng)夯滿足 《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[5]JGJ 79-2012和設(shè)計參數(shù)（表1）。

圖1 試驗(yàn)段位置示意圖

3.2 施工工藝

施工準(zhǔn)備→測量、放線并平整場地→回填墊層→布置樁位→成孔→孔內(nèi)填料灌注→柱錘分層沖夯→成樁檢測、驗(yàn)收→施工下一個DDC樁→滿夯→試驗(yàn)檢測→鋪設(shè)50cm碎石褥墊層（含土工材料）。

3.3 施工要點(diǎn)

施工前應(yīng)按照設(shè)計要求進(jìn)行試樁，并依據(jù)試樁結(jié)果及時調(diào)整設(shè)計及施工參數(shù)。施工作業(yè)由一臺SANY150型旋挖機(jī)進(jìn)行成孔作業(yè)，一臺成工50型裝載機(jī)，兩臺履帶式強(qiáng)夯機(jī)HZQH3000型使用炮彈形夯錘配合進(jìn)行孔內(nèi)深層強(qiáng)夯作業(yè)。

表1 孔內(nèi)深層強(qiáng)夯設(shè)計參數(shù)表

1）土方開挖及場地平整。事先清除施工范圍內(nèi)的表土及管線、洞穴、結(jié)構(gòu)物等，對坡度大的區(qū)域開挖臺階，再進(jìn)行場地平整。如原場地為軟弱土影響機(jī)械進(jìn)場施工，則鋪設(shè)碎石墊層或爆破粒料墊層，要求高程誤差＜200mm，地基承載力≥120kPa。

2）樁孔定位。由于DDC布樁數(shù)量多，為避免出現(xiàn)局部樁位偏移量過大，依據(jù)設(shè)計施工圖紙對樁進(jìn)行編號，并現(xiàn)場放線定位，采用鋼尺量距法布樁位點(diǎn)，點(diǎn)位偏差≤20mm，用白灰或其他標(biāo)記做好成樁標(biāo)記。

3）機(jī)械成孔。①采用機(jī)械旋挖鉆孔，成孔機(jī)械應(yīng)保證垂直穩(wěn)定，垂直度偏差≤孔深的2.5%，成孔中心偏差≤樁徑的1/4；②成孔深度應(yīng)滿足設(shè)計地基處理深度要求且應(yīng)穿透軟弱土層嵌入持力層，根據(jù)孔底土質(zhì)情況，可在孔底預(yù)留一定厚度的原土層，以重錘夯沖至地基處理設(shè)計深度，保證強(qiáng)夯樁底影響深度應(yīng)為1～2m，或在地基處理設(shè)計深度基礎(chǔ)上超挖，設(shè)置爆破粒料或碎石，以重錘夯沖密實(shí)至地基處理設(shè)計深度，在孔底形成人工持力層或擴(kuò)大頭；③為了減少單樁夯實(shí)回填對周邊樁側(cè)應(yīng)力擠壓，使隔壁樁孔出現(xiàn)縮孔、坍塌，以確保DDC樁體及樁間的擠密效果，采用隔行隔列、間隔跳打的方法四遍成孔、成樁，以避免后打孔施工時對已打孔的影響（圖2）。

圖2 DDC樁成孔順序圖

4）分層填料。①夯前應(yīng)先檢查孔底，清除雜物，不得有積水和回淤等現(xiàn)象；②夯實(shí)機(jī)就位后應(yīng)保持平整穩(wěn)定，夯錘對準(zhǔn)樁孔中心，并能自由下落至孔底，嚴(yán)禁偏錘、漏錘、空錘施工。成孔機(jī)械應(yīng)保證垂直穩(wěn)定，垂直度偏差不應(yīng)大于孔深的2.5%，成孔中心偏差不應(yīng)超過樁長的1/4；③成孔后填料前先夯實(shí)孔底，夯擊次數(shù)≥2，然后再鏟料分層回填夯實(shí)，之后按照試驗(yàn)確定的錘擊數(shù)進(jìn)行密實(shí)，要求錘擊數(shù)≥4，且樁體密實(shí)度≥96%；④填料粒徑≤36cm級配良好的硬質(zhì)爆破石料，填料時應(yīng)按試驗(yàn)確定的每次2～3m3填料量進(jìn)行，每次填料后，必須夯夠規(guī)定的錘擊數(shù)4～6擊后，方能進(jìn)行下次填料；⑤為了保證夯擊能，應(yīng)保持夯距不變，每層夯擊前需調(diào)整夯錘的高度，以通過試驗(yàn)確定的一次夯填料的虛鋪厚度為準(zhǔn)。

5）墊層施工。①DDC樁施工完成后應(yīng)將預(yù)留樁頭600mm部分挖除，然后選用1000kN·m的夯擊能量滿夯一遍，滿夯夯點(diǎn)搭接d/4，再用10～20t的壓路機(jī)碾壓6～8遍。最后鋪筑50cm厚的碎石墊層兼做排水墊層，排水墊層和碎石樁體形成聯(lián)通的排水通道，碎石最大粒徑一般不大于10cm，含泥量不超過5%；②軟基樁基結(jié)構(gòu)可在墊層中鋪設(shè)土工材料，以讓樁體承受均勻荷載，提高地基強(qiáng)度和抗變形能力。因此，在邊坡區(qū)進(jìn)行DDC地基處理施工時，坡腳以內(nèi)25m范圍內(nèi)碎石墊層之間鋪設(shè)兩層土工格室；③為了保護(hù)碾壓時材料不被破壞，碾壓時格室之上應(yīng)至少有20cm碎石料保護(hù)層（圖3）。

圖3 DDC樁剖面圖

4 檢測結(jié)果及分析

DDC樁施工結(jié)束14～28d后，可對復(fù)合地基進(jìn)行檢測，專業(yè)檢測由具有國家資質(zhì)的第三方檢測單位承擔(dān)，根據(jù)設(shè)計要求、工藝標(biāo)準(zhǔn)，按相關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)對樁、樁間土和復(fù)合地基進(jìn)行抽樣檢測，采用靜載荷試驗(yàn)和動力觸探試驗(yàn)相結(jié)合的方法，用以檢測復(fù)合地基承載力特征值、樁及樁間土密實(shí)度，檢測數(shù)量≥總樁數(shù)的0.5%。對樁、復(fù)合地基承載力、壓縮模量、變形模量、消除液化和濕陷性、膨脹性等，宜采用低、高應(yīng)變動測和靜載荷試驗(yàn)相結(jié)合的方法進(jìn)行綜合檢測評定。

4.1 土工試驗(yàn)

在孔內(nèi)深層強(qiáng)夯（DDC樁，樁間距4m）試驗(yàn)小區(qū)處理前、處理1周后，在樁間地表下3m、5m、7m位置各取兩組原狀土樣，對各部位檢測項(xiàng)目進(jìn)行基本物理指標(biāo)試驗(yàn)，每個檢測項(xiàng)目測試6組。其中處理前測試比重、天然含水率、抗剪、壓縮、滲透各6組；處理后測試天然含水率、抗剪、壓縮、滲透各6組，檢測結(jié)果如下：

從表2中可以看出：地基處理后的含水量明顯降低，密度增大，排水固結(jié)效果較好。

表2 DDC法處理地基前后土工試驗(yàn)對比表

4.2 復(fù)合地基荷載試驗(yàn)

DDC工藝處理前、處理1周后分別對原地面與處理區(qū)域進(jìn)行現(xiàn)場載荷試驗(yàn)。處理前在原地面測試3組，處理后在樁間土測試3組，DDC樁頂測試3組。檢測時千斤頂作用在夯機(jī)的橫梁上，從安全角度出發(fā)，現(xiàn)場施加的實(shí)際最大荷載450kN。根據(jù)載荷試驗(yàn)成果繪制P-S典型測試點(diǎn)曲線（圖4），其形態(tài)圓滑，特征點(diǎn)不明顯，亦無陡降段，表明樁體復(fù)合地基承載力特征值均達(dá)到250kPa的設(shè)計要求，同時從表3中可以看出：處理后樁間土的承載力比處理前原地面承載力有所提高（其中樁間土試2#檢測期間受降雨影響，承載力較低），樁體變形模量≥8.0MPa，樁間土變形模量≥4.0MPa，滿足設(shè)計要求。

4.3 其他主項(xiàng)試驗(yàn)檢測

根據(jù)相關(guān)規(guī)范和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求，需對DDC樁復(fù)合地基承載力、固體體積率、變形模量、樁間土擠密效果等進(jìn)行檢測評價，結(jié)果見表4。

表3 靜荷載地基承載力試驗(yàn)成果表

從表4中可以看出：

圖4 DDC樁、樁間土P-S曲線圖

表4 DDC強(qiáng)夯法處理地基檢測項(xiàng)目一覽表

1）DDC樁施工完成后，進(jìn)行動力觸探檢測25點(diǎn)，固體體積率共檢測15點(diǎn)，經(jīng)鉆探法和地質(zhì)雷達(dá)法檢測樁長與施工樁長基本相符，夯后樁徑均≥2.0m（設(shè)計值為1.8～2.0m），固體體積率≥83.7%（設(shè)計值≥83%），符合設(shè)計要求；

2）復(fù)合地基靜荷載試驗(yàn)地基承載力特征值均≥286.5kPa（設(shè)計要求≥250kPa），符合設(shè)計要求；

3）對樁體和樁間土進(jìn)行取樣，樁體變形模量均值為11.45MPa（設(shè)計要求≥8MPa），樁間土變形模量均值為4.8MPa（設(shè)計要求≥4MPa），符合設(shè)計要求；

4）對樁體和樁間土進(jìn)行現(xiàn)場直剪試驗(yàn)，DDC樁體粘聚力C為114kPa，內(nèi)摩擦角Φ31.9°，DDC樁間土粘聚力C為48.7kPa，內(nèi)摩擦角Φ12.4°，符合設(shè)計要求；

5）通過對DDC樁間土分為3m、5m、7m分別進(jìn)行土工試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明含水量明顯降低，密度增大，排水固結(jié)效果明顯。

綜合以上試驗(yàn)檢測結(jié)果，通過孔內(nèi)深層強(qiáng)夯地基處理后地基土排水固結(jié)效果良好，抗滑及抗變形能力顯著增強(qiáng)，沉降量小，達(dá)到設(shè)計預(yù)期效果。

5 結(jié)語

重慶武隆仙女山機(jī)場試驗(yàn)段項(xiàng)目首次采用DDC法進(jìn)行地基處理，并與同期采用的振動沉管碎石樁、柱錘沖擴(kuò)樁、原地面墊層強(qiáng)夯相比，該法具有地基處理深度大的優(yōu)點(diǎn)，同水泥粉煤灰碎石樁、夯實(shí)水泥土樁、石灰樁、灰土擠密樁相比，填料不需要專門制備，只要是無機(jī)無污染固體均可作為填料，具有環(huán)保和料源豐富的優(yōu)點(diǎn)。因此，從地基處理效果、施工工效、經(jīng)濟(jì)和環(huán)保節(jié)能效益來看，DDC樁因其施工相對簡單，能適應(yīng)各種地質(zhì)條件，在機(jī)場場道工程地基處理中具有廣泛的應(yīng)用前景。