柱錘沖擴樁技術在雜填土路基處理中的應用

袁海超，王旭陽，王 叢，胡 強

（1.中建路橋集團有限公司，河北石家莊 050001； 2.中煤水文局集團有限公司，河北邯鄲 056004）

0 引言

隨著城市化進程的加快和人類活動的加劇，在人類生產生活中產生的大量建筑垃圾、工業廢料和生活垃圾等雜物堆積形成了地表的雜填土層［1］。根據中國社會科學院農村發展研究所、中國社會科學出版社聯合發布的《城市藍皮書：中國城市發展報告No.12》，預計到2030 年，中國城鎮化率將達到70%，城鎮垃圾量將達到4.21 億t/a［2］。露天堆放和填埋等傳統的垃圾處理方法不僅浪費土地資源，形成的雜填土層還會嚴重影響社會發展和建設［3］。

雜填土成分多樣，按照組成物質進行分類可分為生活垃圾土、工業垃圾土和建筑垃圾土，同時雜填土的結構也較為復雜，沒有成層性，其力學性質與均質的土層差別較大［4-5］。雜填土在引發大氣污染、水體污染、土體污染和病原體污染等環境問題的同時，還會引發地基沉降等一系列的工程問題［6］。城鎮化和基礎設施的建設規模不斷擴大，許多垃圾堆積而成的雜填土地塊也被規劃其中，但由于雜填土土質松軟、承載力較差，難以直接被用于工程建設。為了保證高效利用土地資源和順利開展基礎設施建設，研究雜填土的處理方法來增強雜填土的性質意義重大。

針對雜填土路基、軟土路基常用的處理和加固方法主要有CFG 樁加固、水泥加固、石灰加固、固化劑加固和強夯加固等［7］。目前國內外眾多學者對雜填土的處理方法、工程實例的應用和施工工藝等方面進行了研究。魏國安結合西安北動車段工程實例，通過室內試驗和現場原位測試確定采用挖除換填和強夯處理后垃圾填埋場地基各參數滿足設計要求，為其他垃圾填埋場的地基處理提供了參考和借鑒［8］。張衡針對富平耀州紅色旅游公路PPP 項目中三處較大的垃圾填埋場區域，以雜填土路基的加固處理為研究對象，通過加固原理研究、土的基本物理參數、室內試件加固試驗與現場強夯加固處理相結合提出了固化劑-強夯相結合的加固方案［9］。ZHANG 等人研制室內試驗裝置，對不同粒徑、外荷載和顆粒材料條件下的雜填土和軟土試樣進行相互嵌固沉降試驗研究，并提出了雜填土和軟土相互嵌固引起沉降的理論計算公式，公式計算結果與試驗結果擬合較好［10］。王家磊等人依托某高填方機場工程，圍繞地基厚層雜填土層進行了多組現場高能級強夯試驗，最終提出了適用于厚層雜填土地基的高能級強夯施工參數和加固效果檢測方案，為類似工程的開展提供了參考［11］。在路基和地基的處理中通常會優先考慮強夯法，其次再采取合適的方法對雜填土進行加固，或將強化材料與強夯結合使用。屈耀輝等人針對濕陷性黃土區的鄭西客運專線，分別采用柱錘沖擴樁法、擠密樁和強夯處理對濕陷性黃土區高鐵路基試驗段地基開展堆載預壓沉降變形觀測及持續浸水試驗，結果表明，柱錘沖擴樁和擠密樁法兩種方法對地基的沉降效果控制更好［12］。蔡旭梅依托某軟土地區高速公路實際工程，借助數值模擬手段，分別對素土、群樁條件下的承載力特性進行了分析得出：群樁可以顯著提高軟土的承載力，樁徑、樁長和樁間距可顯著影響群樁的承載特性［13］。陶東新等人在寧南地區淤泥質土層進行了靜鉆根植樁地基處理研究，結果表明，靜鉆根植樁集合了傳統管樁和鉆孔灌注樁的長處，具有高強度，水泥土側摩擦性能好、地層鉆進適應性廣、無擠土效應、減少泥漿排放量、可避免沉樁外力損傷樁身、低噪聲等諸多優點［14］。

柱錘沖擴樁法因適用性強、取材靈活、成樁快速且工程造價低廣泛被應用于建筑地基處理，但目前在道路路基中應用較少［15］，因此將柱錘沖擴樁方法應用于雜填土路基處理開展相關研究非常有必要，可以為雜填土路基處理提供新的思路和參考。

本文依托山西省陽城縣濱河東路延長線坡底段綜合工程項目，以K0+000-K0+650 路段路基下的深厚雜填土為研究對象，探討柱錘沖擴樁技術在雜填土路基中的應用，在充分調查工程地質條件和路基性質的基礎上，進行方案比選，并對設計方案和施工工藝進行說明，最后通過荷載試驗對路基處理效果進行分析，可為其他雜填土路基的處理設計和施工提供借鑒。

1 工程地質條件

研究區位于山西省陽城縣，為丘陵地形，是耕種土壤集中區且分布大面積黃土，路兩側分布有黃土剝蝕直立陡崖。道路沿線出露地層主要為第四系全新統和上更新統，其中第四系全新統主要分布于區內北部獲澤河河谷，河谷以南大部分被上更新統地層所覆蓋。擬建線路位于陽城向斜東翼，總體走向NNE，為向N 偏W 緩傾的單斜構造。路線兩側存在滑坡和崩塌等地質災害，但都已進行了支護工作和挖方清除，對當前項目建設影響不大。項目區內存在大面積黃土和雜填土，黃土的濕陷性已經發生退化，可不考慮濕陷性對工程建設的影響；雜填土是施工前應進行相應處理的目的層位。

根據現場調查和勘探，雜填土主要以擬建道路K0+000-K0+650 的中線展開分布，物質組成以村民生活垃圾、建筑垃圾及路南側御景江山施工開挖基坑堆積的渣土為主，多種物質混合堆積，成分復雜且分布不均勻。通過現場鉆探揭露的雜填土分布厚度不一，基本分布特征為：上部以御景江山廢棄渣土為主，下部為原居民堆積的生活垃圾及建筑垃圾，內含大量的磚石及爐渣，厚度為4～10m。根據工程地質勘察報告，場地各巖土層分層特征及力學性質如表1、表2所示。

表1 場地巖性特征Table 1 Site rock characteristics

表2 巖土層物理力學性質Table 2 Physical-mechanical properties of soil and rock layers

2 路基處理方案

2.1 方案比選

現場鉆探揭露雜填土成分以粉土和粉質黏土為主，夾建筑垃圾和生活垃圾，堆積時間較短，土體松散，分布不均勻且厚度較大。根據路基設計要求，路基必須做到密實、均勻、穩定，路基回彈模量值應不小于30MPa；不能滿足上述要求時，應采取措施提高路基強度。因此在施工前，需要選取合適的路基處理方案滿足路基設計強度和承載力要求。結合工程場地的具體情況，以安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量和保護環境為原則［14］，最終選取級配砂石換填、深層水泥攪拌樁、預應力管樁和柱錘沖擴樁四種方法作為本次雜填土路基處理的備選方案，各方案在工程造價及工期、場地及氣候適用性和環境因素方面的對比如表3 所示。

表3 備選方案對比Table 3 Comparative analysis of alternative solutions

由于影響因素復雜多變，難以量化，因此，在進 行路基處理方案選擇時需采用系統分析的方法。本次研究采用層次分析法對路基處理方案進行選擇， 層次分析模型分為三層如（圖1）。

圖1 層次分析模型Figure 1 Analytical hierarchy process model

通過對準則層的四個因素賦予不同的比重并構造比較矩陣，對方案的選擇進行量化，層次分析結果如表4 所示。根據層次分析結果，柱錘沖擴樁方案在四種備選方案中有一定的優勢，本次路基處理方案選取柱錘沖擴樁法，同時在應用過程當中應注意其噪聲對周圍居民的影響，在正式施工前應做好試樁，以便及時調整設計參數。

表4 層次分析結果Table 4 Analytical hierarchy process results

2.2 設計方案和施工工藝

根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）和《公路路基施工技術規范》（JTG F10—2019），結合研究區雜填土路基勘察報告，確定本次柱錘沖擴樁設計方案：樁徑D=500mm，樁長6.0m，正三角布置，樁間距為1.1m，樁身采用級配砂石夯實，并在施工過程中不斷優化。

施工前清理平整施工場地，布置樁位。施工機具就位后，使柱錘對準樁位柱錘沖孔，根據土質及地下水情況在不同位置采用沖擊成孔、填料沖擊成孔和復打成孔三種成孔方式。成孔之后，用料斗或運料車將拌合好的填料分層填入樁孔夯實，每個樁孔應夯填至樁頂設計標高以上至少0.5m，其上部樁孔用原地基土夯封。路基處理施工完成后，清鑿樁頭保證樁頂為平面，然后鋪設300mm 厚的碎石（粒徑不大于2.0cm）褥墊層進行振實或夯實。褥墊層鋪設厚度應均勻，夯填度不大于0.9，鋪設范圍應寬出墊層輪廓線外緣不少于200mm。經處理后的復合路基承載力特征值不低于150kPa，單樁承載力特征值不低于125kPa。

為保證施工質量，施工過程中應隨時檢查施工記錄及現場施工情況，并對照預定的施工工藝標準，對每根樁進行質量評定。采用單樁荷載試驗法和復合地基載荷試驗法檢驗復合地基承載力特征值，試驗數量不應少于其總樁數的1.0%，且不少于3點。在工程正式投入使用后，應定期開展沉降和側向位移的觀測，以檢驗加固效果。

3 路基處理效果分析

1）單樁靜荷載試驗。路基處理施工結束后，隨機選取試樁10 根于施工7d 后按設計承載力要求采用單樁靜載荷試驗進行單樁承載力檢測，荷載-沉降（p-s）曲線如圖2 所示。從圖2 可以看出，曲線均屬緩變型，無明顯的拐點和陡降段，未出現整體破壞。結果表明，10 根樁的單樁承載力特征值均達到125kPa，滿足設計要求，可繼續按照試樁的工藝參 數進行施工。

圖2 單樁靜荷載試驗p-s曲線Figure 2 Single-pile static load test p-s Curve

2）復合地基靜荷載試驗。選擇3種獨立基礎（6根樁基礎、9 根樁基礎和12 根樁基礎），隨機抽取3個復合地基并在其表面鋪設厚砂墊層進行靜荷載試驗，均加載到最大試驗荷載，復合地基靜載荷試驗p-s圖如圖3 所示。從圖3 可以看出，曲線呈緩變型，取s/b=0.008 所對應的壓力且不大于最大加載壓力一半為各復合地基的承載力特征值，其中b為承壓板邊長或直徑。試驗結果表明，3 個復合地基承載力特征值均達到150kPa，3 個試驗點的承載力特征值極差未超過其平均值的30%，滿足設計要求。

圖3 復合地基靜荷載試驗p-s曲線Figure 3 Composite foundation static load test p-s curve

4 結論

本文結合山西省陽城縣濱河東路延長線坡底段綜合工程項目，針對路段中出現的雜填土路基，通過室內實驗和現場試驗，對雜填土路基的物理力學性質、處理方案以及加固效果進行了系統的研究，主要結論如下：

1）采用柱錘沖擴樁法處理雜填土路基具有施工工期短、機械化程度高、處理效果好和對環境影響較小等特點。相較于級配砂石換填、深層水泥攪拌樁和預應力管樁，柱錘沖擴樁在本工程中的適用性較強。

2）在成樁等過程中將現場的建筑垃圾進行處理后回填等，既處理消耗了現場的建筑垃圾也節省了填土、水泥和石灰等工程材料。在減少環境中固體廢棄物污染的同時，也降低了工程成本，具有一定的經濟效益和社會效益。

3）為了驗證雜填土路基的處理效果，采用單樁靜荷載試驗和復合地基靜荷載試驗，試驗結果表明采用柱錘沖擴樁法加固后的路基，其承載力得到提高，達到預期目的，滿足設計要求。