孔內(nèi)深層超強夯法與灌注樁組合在大厚度雜填土地基處理中的應用

呂雪漫，劉 帥*，施 怡，張 鵬，任小江，穆國峰

（1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710021；2.陜西省特殊土工程性質(zhì)與處理技術重點實驗室，陜西 西安 710043；3.長安大學 地質(zhì)工程與測繪學院，陜西 西安 710054）

0 引 言

隨著城市建設規(guī)模的日益增大，建設范圍逐漸由中心城區(qū)向周邊擴張。為滿足建設場地需求，將歷史上的地勢低洼處及近代人類工程活動開挖處進行回填平整。由于回填時缺乏科學指導與專項設計，形成了大量的大厚度雜填土場地。

雜填土具有性質(zhì)不均勻、厚度變化大、沉降變形大、濕陷性強、壓縮性高、強度低、自重壓密性等特點[1]，若處理不當，后期建筑物易出現(xiàn)不均勻沉降、開裂等現(xiàn)象。雜填土地基的處理受到工程界與學術界的廣泛關注。

王勝剛[2]研究了高壓注漿法在大厚度填土地基的應用，注漿加固后，填土孔隙被填充，漿液與土形成整體，土的密實度大幅提高。白學偉[3]、陳德勇等[4]分別介紹了強夯法在大厚度素填土與大厚度雜填土中的應用實例，強夯后地基土承載力特征值超過180 kPa。巫朝新[5]介紹的大厚度素填土場地案例采用了強夯與墊層組合法處理地基，先用強夯夯實素填土，基底下鋪設1 m 厚的碎石墊層，最終承載力特征值達到200 kPa。李松徽[6]對比研究了孔內(nèi)深層超強夯法（Super Down Hole Dynamic Consolidation，SDDC）擠密樁和沉管擠密樁在蘭州大厚度回填黃土地區(qū)的應用效果，兩種方法均能滿足承載力要求，SDDC 樁樁身壓實系數(shù)離散，沉管擠密樁樁身壓實系數(shù)相對均勻。夏長華[1]從微觀/宏觀研究了重錘夯擴擠密法的力學機理，并現(xiàn)場試驗驗證了雜填土場地經(jīng)渣土樁或復合載體樁處理后，雜填土場地承載力比處理前提高1～2 倍。冀新黨等[7]介紹了SDDC 方法處理大厚度雜填土案例，處理后地基承載力特征值達到170 kPa。馮彬等[8]以北京某場地為例，分析了柱錘沖擴樁+CFG 樁（長短樁結合）地基處理方案的應用效果，承載力特征值達到180 kPa，該方案滿足安全性要求的同時又具有良好的經(jīng)濟效益。熊維等[9]介紹了SDDC（旋挖成孔、素土回填）+后插筋灌注樁處理大厚度雜填土案例，水位以下的雜填土用級配砂石換填后注漿加固，處理后的地基滿足高層住宅（30～33F）承載力的要求。

本文以西安某工程為例，分析了SDDC（沖擊成孔，填料采用素土與雜填土結合）+灌注樁在大厚度雜填土地基處理中的應用，為類似工程提供借鑒。

1 場地及工程概況

1.1 場地概況

場地位于西安市，2019 年對場地進行了詳細勘察?？辈炱陂g，場地西側有一深約10 m 的矩形土坑，其余地段整體平整。

根據(jù)調(diào)查及歷史影像，20 世紀末21 世紀初，場地為一磚廠（圖1），就地取土制作磚坯，開挖形成多個大型土坑，最深開挖超過20 m。

圖1 場地歷史影像圖（磚廠，2006 年）Fig.1 Historical image of the site (brick factory,2006)

2009 年開始，場外雜填土陸續(xù)運至本場地內(nèi)。至2010 年底，除西側土坑外，場地內(nèi)其余土坑均被雜填土填滿（圖2）。雜填土回填時，沒有經(jīng)專門設計，由渣土車自然堆倒，未分層碾壓。至本場地建設前，未再發(fā)生其他較大變化。

圖2 場地歷史影像圖（場地整平，2010 年）Fig.2 Historical image of the site (site leveling,2010)

1.2 工程概況

擬建工程包含住宅樓、幼兒園、商業(yè)裙房及地下車庫。本文以具代表性的8 號樓為研究對象，該棟樓±0 標高403.50 m，地上33 層，建筑高度99.37 m，地下1 層，基礎埋深8.25 m，建筑基底標高395.25 m，剪力墻結構，基底壓力標準值550 kPa。

1.3 地質(zhì)概況

根據(jù)場地詳細勘察報告，本場地地貌單元屬渭河三級階地。場地屬自重濕陷性場地，自重濕陷性土層厚度約12 m，濕陷性土層厚度約18 m。場地65 m 深度范圍內(nèi)揭露的地層為雜填土、古土壤及黃土、粉質(zhì)黏土、砂層。地下潛水水位標高介于373.07～375.13 m 之間。

8 號樓基底下的地層分布特征如圖3 所示。

圖3 8 號樓基底地層分布圖Fig.3 Stratigraphic distribution map of the basement of building 8

①雜填土：雜色，以建筑垃圾（磚塊、煤渣）為主，少量生活垃圾。8 號樓區(qū)域雜填土總厚度平均10.0 m，基底下雜填土平均厚度7.5 m。

②古土壤：棕紅色，硬塑，稍濕，土質(zhì)較均勻，可見針狀孔隙，偶見大孔隙，具團塊狀結構，含白色鈣質(zhì)條紋及少量鈣質(zhì)結核，局部底部鈣質(zhì)結核富集成層。具濕陷性。

③黃土：褐黃色，可塑，稍濕-濕，土質(zhì)均勻，針狀孔隙及大孔發(fā)育，含白色鈣質(zhì)條紋，零星鈣質(zhì)結核，偶見蝸牛殼。該層上部具濕陷性。

④粉質(zhì)黏土：黃褐色，可塑，濕-飽和，土質(zhì)均勻，含鐵錳質(zhì)斑點及少量鈣質(zhì)結核，偶見蝸牛殼碎片。

下部砂層密實、飽和，粉質(zhì)黏土可塑-硬塑，飽和。工程性質(zhì)較好。

建筑物基底下主要土層的樁基參數(shù)見表1。

表1 樁基參數(shù)Table 1 Pile foundation parameters

2 地基處理方案

2.1 方案選型分析

8 號樓基底壓力550 kPa，一般淺部地層處理后的地基承載力難以滿足上部荷載需要。

場地屬于自重濕陷性場地，根據(jù)勘察報告，8 號樓地基濕陷等級為IV 級，地基處理應消除全部濕陷性或采用樁基穿透濕陷性土層。

基底下雜填土厚度7.5 m，結構松散，工程性質(zhì)差，不能直接作為基礎持力層。采用樁基時，雜填土與自重濕陷性黃土均需考慮負摩阻力。直接采用樁基時，需要較長的樁承載負摩阻力及建筑荷載。為滿足設計單樁承載力7 500 kN 的要求，根據(jù)表1估算樁徑700 mm 時，所需要的樁長近50 m（見表2）。并且樁基設計時應著重考慮地震作用下的水平荷載以及樁的壓屈效應。

表2 單樁承載力標準值估算表Table 2 Estimation table for standard values of single pile bearing capacity

若對雜填土預先擠密可不考慮負摩阻力，樁側土的強度增大，可按常規(guī)地層設計樁基。

雜填土擠密處理工藝方面，一般的沉管成孔擠密法或旋挖成孔擠密法在雜填土地層中成孔困難，且擠密效果差。

綜上所述，選用SDDC（沖擊成孔）+灌注樁方案處理地基。SDDC 處理時，一方面擠密雜填土，另一方面擠密濕陷性土層。

2.2 地基處理方案

SDDC 樁成樁直徑1 600 mm，樁間距整體按2 600 mm 控制，主樓承重墻下及附近的SDDC 樁間距與鉆孔灌注樁樁位協(xié)調(diào)適應（圖4）。施工時以沖擊成孔為主，成孔困難時采用旋挖引孔。樁長17 m。按照“科學合理、經(jīng)濟環(huán)保”的原則，SDDC樁回填夯實時，與灌注樁重合的位置采用素土回填，其余位置就地取材，采用雜填土回填。施工時應遵循“從邊緣開始，均勻分布，逐步加密，及時夯填”的施工順序。樁施工成孔和回填夯實由外向內(nèi)間隔分批進行，成孔后應立即填料分層夯填。夯錘重10 t，錘徑1.1 m，提升高度不小于6 m，回填土每層不超過1.5 m，每層土夯擊次數(shù)不少于6 次。淺部土層夯擊時，由于側限土壓力較小，樁周土有上涌現(xiàn)象發(fā)生，因此，SDDC 施工完后，樁頭以下700 mm 虛土應挖除，采用16 t 壓路機輾壓不少于5 遍。按要求處理后，樁間黃土濕陷性消除，擠密系數(shù)不小于0.93；樁間雜填土不低于中密狀態(tài)；素土樁體壓實系數(shù)不小于0.97；雜填土樁體不低于中密狀態(tài)。

圖4 地基方案設計示意圖Fig.4 Schematic diagram of foundation scheme design

灌注樁樁長38 m，樁徑700 mm，墻下布樁，單樁承載力標準值估算見表2。混凝土強度等級C35。施工時應根據(jù)規(guī)范要求執(zhí)行，灌注混凝土超灌高度不得小于500 mm，應確保鑿出樁頂浮漿后樁頂標高和樁身混凝土質(zhì)量。鉆孔灌注樁各工序應連續(xù)施工，樁孔成形后必須將孔底沉渣清理干凈，清孔后孔底沉渣厚度應小于100 mm?？椎壮猎穸确弦?guī)定后，立即下放鋼筋籠、灌注混凝土，并不得超過半小時，應連續(xù)灌注直至樁完成。要求單樁承載力極限值不低于7 500 kN。

3 地基處理效果檢測

3.1 SDDC 樁樁間土濕陷性消除情況

對樁長范圍內(nèi)的濕陷性黃土取土進行室內(nèi)土工試驗，土樣濕陷系數(shù)及自重濕陷系數(shù)均小于0.015，表明處理范圍內(nèi)黃土的濕陷性已消除。

3.2 SDDC 素土樁體土壓實系數(shù)

對素土樁體取土樣在室內(nèi)進行環(huán)刀法密度試驗。樁體素土干密度介于1.64～1.70 g/cm3之間，平均1.67 g/cm3。素土最大干密度為1.71 g/cm3，樁體壓實系數(shù)平均0.98，滿足設計要求。

3.3 SDDC 雜填土樁體密實度

對雜填土樁體進行圓錐動力觸探試驗，實測數(shù)據(jù)結果見圖5。修正后錘擊數(shù)介于10～14 擊，平均12.6 擊。樁體密實度為中密，滿足設計要求。

圖5 圓錐動力觸探試驗成果圖Fig.5 Curves of cone dynamic penetration tests

3.4 SDDC 樁樁間土密實度及擠密系數(shù)

在樁長范圍內(nèi)雜填土段進行動力觸探試驗，實測數(shù)據(jù)結果見圖5。修正后錘擊數(shù)介于10～12 擊，平均11.2 擊。樁體密實度為中密，滿足設計要求。

在樁長范圍內(nèi)黃土段取樣進行室內(nèi)土工試驗。樁間土干密度介于1.54～1.65 g/cm3之間，平均1.59 g/cm3。黃土最大干密度為1.71 g/cm3，擠密系數(shù)平均0.93，滿足設計要求。

3.5 灌注樁單樁豎向抗壓靜載試驗

3 根檢測樁最大加載量均為7 500 kN，在終止荷載作用下均未出現(xiàn)破壞現(xiàn)象，最終沉降量介于22.50～27.96 mm 之間（圖6）。單樁豎向抗壓極限承載力取7 500 kN。

圖6 單樁靜載試驗成果圖Fig.6 Curves of single pile static loading tests

4 建筑物沉降監(jiān)測

8 號樓自2020 年9 月開始監(jiān)測，2021 年8 月15 日主體封頂。主體每增加1 層觀測1 次，主體封頂后，每季度監(jiān)測1 次，截至2023 年4 月共觀測了39 次。累計沉降量最大和最小的兩個監(jiān)測點沉降數(shù)據(jù)隨時間變化曲線如圖7 所示。監(jiān)測點最大沉降量為19.5 mm，最小沉降量為15.1 mm。由圖可知，主體施工期間，沉降曲線斜率較陡，特別是20 層以上主體結構施工時，沉降量有明顯增大趨勢，分析是由于建筑荷載增大，深部樁基有微小位移，開始發(fā)揮承載能力。主體封頂以后，荷載增加量較小，沉降曲線斜率相對較緩。最大沉降量滿足《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB 50007—2011）[10]對地基允許變形值的要求。

圖7 累計沉降量隨時間變化曲線圖Fig.7 Curves of cumulative settlement over time

選取累計沉降最大的監(jiān)測點計算其沉降速率，沉降速率隨時間變化曲線如圖8 所示。

圖8 沉降速率隨時間變化曲線圖Fig.8 Curve of settlement rate over time

整體來看，封頂前沉降速率大于封頂后。2021年11 月至2023 年4 月的6 次觀測數(shù)據(jù)顯示建筑物沉降速率均小于0.02 mm/d。根據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016）[11]，建筑沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)可由沉降速率與時間關系曲線判定，當最后100 d 的最大沉降速率小于0.01～0.04 mm/d 時，可認為已達到穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)西安地區(qū)經(jīng)驗，建筑物穩(wěn)定標準為最后100 d 的最大沉降速率小于0.02 mm/d。本棟樓封頂約3 個月后即可視為達到穩(wěn)定狀態(tài)，后續(xù)連續(xù)觀測均未發(fā)現(xiàn)異常沉降。

5 結 論

（1）SDDC 法處理雜填土地基，可有效提高雜填土密實度。處理深度延伸至雜填土層以下的濕陷性土層時，可同步消除原狀土層的濕陷性。

（2）SDDC 處理雜填土時，可就地取材將雜填土用作填料，滿足擠密加固要求的同時兼顧經(jīng)濟環(huán)保性。

（3）SDDC 預處理后，消除了雜填土與自重濕陷性黃土的負摩阻力，灌注樁樁長可大幅減小，以本項目為例，樁長減少20%。

（4）SDDC+灌注樁組合在大厚度雜填土地基應用后，地基承載力滿足高層建筑物要求，建筑物累計沉降量小，封頂約3 個月后沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)。地基處理效果較好。