吳文濤

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司 昆明 650051)

0 引 言

工業(yè)建筑場(chǎng)地原始地形復(fù)雜，特別是分期擴(kuò)建的建筑，往往因?yàn)榍捌谝?guī)劃、工藝限制等原因，建筑物無(wú)法避讓較寬、較深雜填土場(chǎng)地。某公司在某項(xiàng)目的施工中，因一期建設(shè)未充分考慮后續(xù)工程建設(shè)，焙燒車間、機(jī)加工車間總圖位于一期場(chǎng)地平整后較深的雜填土區(qū)域，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，建議設(shè)計(jì)采用SDDC樁進(jìn)行地基處理，取得了良好的效果。

1 工程概況

項(xiàng)目位于云南省紅河州，焙燒車間長(zhǎng)210 m，寬31 m，預(yù)制鋼筋混凝土排架柱廠房，廠房?jī)?nèi)為1座焙燒爐，主要配備1臺(tái)180 t功能天車；機(jī)加車間長(zhǎng)201 m，寬48 m，為雙連跨鋼結(jié)構(gòu)排架柱廠房，廠房?jī)?nèi)為機(jī)加工設(shè)備。

焙燒車間回填區(qū)域約長(zhǎng)150 m，寬31 m，機(jī)加車間回填區(qū)約長(zhǎng)160 m，寬48 m，見圖1。場(chǎng)區(qū)整平堆填形成，平均回填厚度2～14 m?；靥顓^(qū)為第四系人工堆積(Q4 ml)層：碎石填土①：青灰色，主要成分為石灰?guī)r，棱角型，一般粒徑為2～5 cm，大者20 cm，層厚0.3～2.5 m，平均厚度為1.4 m。素填土②：灰褐色，稍濕，主要由粘性土組成，局部夾少量碎石，松散，層厚0.3～14.0 m，平均厚度為4.5 m。地基承載力要求見表1。

表1 地基承載力要求Tab.1 Foundation bearing capacity requirements

2 地基與基礎(chǔ)分析

該區(qū)域?yàn)閳?chǎng)區(qū)整平時(shí)堆填形成，現(xiàn)最大堆填厚度約14 m，堆填時(shí)間約6年，經(jīng)過(guò)碾壓處理。但受填土成分、填筑質(zhì)量等因素影響，整體密實(shí)度不均勻，易產(chǎn)生差異沉降，不能采用天然地基，須采用地基處理或樁基礎(chǔ)。

圖1 廠房平面布置圖Fig.1 Layout plan of plant

方案①：旋挖鉆孔灌注樁。該方案機(jī)械化程度高，施工過(guò)程中不需要人工進(jìn)行鉆桿拆除和組裝，無(wú)需進(jìn)行泥漿清渣處理，施工對(duì)地層的適應(yīng)性較強(qiáng)。旋挖機(jī)靠底部帶有活門的筒式鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖土，并直接將其裝入鉆斗內(nèi)提升至地面，每分鐘進(jìn)尺30～50 cm，施工速度快。然而，由于旋挖機(jī)鉆進(jìn)速度快，主要靠切土鉆進(jìn)，孔壁護(hù)壁差，特別在填土和軟土地層容易發(fā)生塌孔和縮徑。

方案②：人工挖孔灌注樁。該方案成孔方法簡(jiǎn)單，單樁承載力高，施工時(shí)無(wú)振動(dòng)、無(wú)噪聲，施工設(shè)備簡(jiǎn)單。人工挖孔灌注樁可直接觀察土層變化情況，便于清孔和檢查孔底及孔壁，施工質(zhì)量可靠。但其勞動(dòng)條件差，勞動(dòng)力消耗大，且軟土、回填土易造成孔壁坍塌，施工存在困難及安全問(wèn)題。

方案③：復(fù)合地基處理。因該廠區(qū)回填深度超過(guò)7 m，強(qiáng)夯、置換強(qiáng)夯處理深度無(wú)法滿足最大回填深度，地基處理可采用孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯法(SDDC)。SDDC地基處理全機(jī)械化施工，工期速度快，施工安全，可就地取材造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn)，成樁直徑大，擠密加固范圍大，樁呈擴(kuò)大頭+串珠狀。經(jīng)SDDC處理后，地基整體剛度均勻，承載力可提高2至9倍，變形模量高，壓縮變形小，不受地下水影響，地基處理深度可達(dá)30 m以上。

該區(qū)域除主廠房外，還有焙燒爐、道路、成片設(shè)備區(qū)域，地基整體剛度要求高，若采用成孔灌注樁，群數(shù)量多，單樁深度大，加之項(xiàng)目當(dāng)?shù)厮槭仍牧铣渑?，原材料價(jià)格遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于混凝土價(jià)格，從造價(jià)考慮SDDC地基處理經(jīng)濟(jì)性遠(yuǎn)優(yōu)于灌注樁；該區(qū)域回填土整體密實(shí)度較差，鉆孔易發(fā)生孔壁坍塌，尤其是人工鉆孔安全風(fēng)險(xiǎn)較大；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，SDDC樁地基處理后復(fù)合地基承載力特征值可達(dá)到600 kPa，完全能夠滿足本項(xiàng)目設(shè)計(jì)要求。綜合以上分析，該項(xiàng)目采用SDDC樁地基處理為最優(yōu)方案。

3 工藝簡(jiǎn)介

孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯法(Super Down hole Dynamic Consolidation)簡(jiǎn)稱SDDC，是用建筑垃圾、雜土、素土、石料、灰土、無(wú)毒工業(yè)廢料及它們的混合物等為填料，通過(guò)孔道將強(qiáng)夯引入到地基深處，用異型重錘對(duì)孔內(nèi)填料自下而上分層進(jìn)行高動(dòng)能、超壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密的孔內(nèi)深層強(qiáng)夯樁法作業(yè)?？變?nèi)的填料沿豎向深層壓密固結(jié)的同時(shí)對(duì)樁周土進(jìn)行橫向的強(qiáng)力擠密加固，有利于樁與樁間土的緊密咬合。

SDDC樁在成孔過(guò)程中，迫使孔內(nèi)原狀土側(cè)向擠出，使樁周一定范圍內(nèi)的土體受到擠壓、擾動(dòng)和重塑。在填料時(shí)，迫使孔內(nèi)填料再次側(cè)向擠壓孔壁，樁周更大范圍內(nèi)的土體再次受到擠壓、擾動(dòng)和重塑，強(qiáng)夯巨大的夯擊能量產(chǎn)生的波和動(dòng)應(yīng)力反復(fù)作用，迫使土骨架產(chǎn)生塑性變形，從而提高土的密實(shí)度和抗剪強(qiáng)度，改善土的變形特性，形成的串珠狀樁體與樁間土相互咬合，增大相互之間的摩阻力。

填入孔內(nèi)的材料，在高動(dòng)能、超壓強(qiáng)的夯錘作用下，對(duì)材料顆粒瞬間進(jìn)行了劈裂、壓實(shí)及二次排序組合、固結(jié)；具有活性的膠結(jié)材料在夯擊能量釋放的過(guò)程中進(jìn)行了化學(xué)凝固，而且隨著時(shí)間推移，強(qiáng)度越高。SDDC工法加固機(jī)理見圖2，SDDC樁施工流程見圖3。

4 施工組織

4.1 設(shè)計(jì)參數(shù)

主要設(shè)計(jì)參數(shù)見表2。

圖2 成樁擠密示意圖Fig.2 Schematic illustration of pile compaction

圖3 SDDC樁施工流程圖Fig.3 SDDC pile construction flow chart

表2 主要設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.2 Main design parameters

擬建場(chǎng)地SDDC樁分遍施工完成，旋挖鉆成孔孔徑1 200 mm，經(jīng)夯擴(kuò)擠密后，最終樁徑1 800 mm，夯擊能量2 000～25 000 kN·m。設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)12 m，樁距3 000 mm，排距2 500 mm；均為正三角形布置，成孔及樁位見圖4。

圖4 成孔及樁位示意圖Fig.4 Schematic illustration of hole formation and pile position

4.2 施工過(guò)程

SDDC樁采用旋挖鉆引孔，孔徑1 200 mm，見圖5。樁身填料為現(xiàn)場(chǎng)土夾石材料(前期基坑開挖的土石混合材料)、無(wú)機(jī)固體建筑垃圾的混合料。SDDC樁施工完成后，表層擾動(dòng)土進(jìn)行1 000 kN·m滿夯處理。

(1)機(jī)具就位：旋挖機(jī)就位后應(yīng)保持機(jī)身垂直穩(wěn)定，不允許發(fā)生傾斜、移位現(xiàn)象?？孜淮怪倍绕畈粦?yīng)>孔深的2.5 %，成孔中心偏差不應(yīng)超過(guò)樁徑的1/4且≤20 mm。

(2)機(jī)械引孔：見圖6。旋挖鉆機(jī)鉆孔形成填料通道，直至達(dá)到設(shè)計(jì)要求孔深位置。旋挖成孔首先通過(guò)鉆機(jī)自有的行走功能和桅桿變幅機(jī)構(gòu)使鉆具能夠正確的就位到樁位，利用桅桿導(dǎo)向下放鉆桿，將底部帶有活門的筒式鉆頭置放到孔位，鉆機(jī)動(dòng)力頭裝置為鉆桿提供扭矩、加壓裝置通過(guò)加壓動(dòng)力頭的方式將加壓力傳遞給鉆桿鉆頭，鉆頭回轉(zhuǎn)破碎巖土，并直接將其裝入鉆頭內(nèi)，然后再由鉆機(jī)提升裝置和伸縮式鉆桿將鉆頭提出空外卸土，循環(huán)往返至設(shè)計(jì)深度。

(3)填料和夯擊：填料前應(yīng)進(jìn)行空夯或預(yù)留一定厚度空夯至處理深度，以保證孔底密實(shí)和處理深度滿足設(shè)計(jì)要求，見圖7。

圖5 旋挖機(jī)

圖6 旋挖引孔

圖7 填料夯擊

經(jīng)質(zhì)檢確認(rèn)達(dá)到設(shè)計(jì)深度后，用裝載機(jī)將填料分層填入樁孔，使用尖錐桿狀錘自下而上分層沖擊夯實(shí)，每次填料約1.5 m3，填料最大粒徑≤250 mm，夯擊能約1 000 kN·m，每層填料夯擊≥5擊，分層夯實(shí)直至到樁頂標(biāo)高以上500～1 000 mm。重錘自動(dòng)掛(脫)鉤技術(shù)：重錘掛(脫)鉤采用遙控器操作的自動(dòng)裝置，該裝置主要由配重、油缸、彈簧和四連桿組成，見圖8。雙伸活塞桿下端伸長(zhǎng)時(shí)，四連桿縱向伸長(zhǎng)，橫向收縮；活塞桿下端收縮時(shí)，四連桿縱向收縮，橫向伸展。使用時(shí)，該裝置插入重錘的內(nèi)錐型掛桶內(nèi)，通過(guò)裝置自重，四連桿將配重頂起，插入后在配重的重力作用下，四連桿橫向伸長(zhǎng)，鉤住掛桶，提起重錘。當(dāng)提升重錘到預(yù)定高度后，操縱電磁閥接通油路，油路一旦接通，四連桿在重錘的強(qiáng)大重力作用下克服彈簧的拉力，使活塞桿下端伸長(zhǎng)，四連桿隨之縱向伸長(zhǎng)，橫向收縮，重錘隨即落下，彈簧將活塞桿復(fù)位，由此實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)掛鉤脫鉤。

1.電磁閥；2.液壓缸缸體；3.活塞缸；4.彈簧；5.四連桿；6.配重；7.活塞缸；8.蓄電池；9.遙控接收器

(4)施工機(jī)械移位，重復(fù)上述步驟進(jìn)行下一根樁施工。

(5)作好施工記錄，尤其是填料數(shù)量與夯填工藝的有關(guān)數(shù)據(jù)的記錄，交接班時(shí)應(yīng)按樁位編號(hào)圖進(jìn)行核對(duì)，使記錄與編號(hào)一致，以免出現(xiàn)漏樁。

(6)移位：施工機(jī)具移位，重復(fù)上述步驟進(jìn)行下一根樁施工。柱錘沖擴(kuò)法施工夯擊能量大，易發(fā)生地面隆起，造成表層樁和樁間土出現(xiàn)松動(dòng)，從而降低處理效果，因此成孔及填料夯實(shí)的施工順序宜隔行、隔列、跳樁進(jìn)行。

(7)滿夯：當(dāng)按設(shè)計(jì)要求挖鑿至設(shè)計(jì)標(biāo)高，填完褥墊層后，應(yīng)對(duì)場(chǎng)地實(shí)施1 000 kN·m低能量滿夯一遍，見圖9。

5 地基檢測(cè)

施工完成14天后，豎向增強(qiáng)體及周圍土體物理力學(xué)指標(biāo)基本穩(wěn)定，采用慢速維持荷載法，用壓重平臺(tái)提供反力，以千斤頂加載慢速維持荷載法測(cè)試進(jìn)行試驗(yàn)，進(jìn)行復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，測(cè)定復(fù)合地基承載力特征值。

圖9 擾動(dòng)土層低能量滿夯Fig.9 Low-energy full-scale compaction of disturbed soil

5.1 復(fù)合地基承載力特征值的確定

1)當(dāng)壓力—沉降曲線上極限荷載能確定，而其值≥對(duì)應(yīng)比例界限的2倍時(shí)，可取比例界限；當(dāng)其值<對(duì)應(yīng)比例界限的2倍時(shí)，可取極限荷載的一半；

2)當(dāng)壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時(shí)，可按相對(duì)變形值確定，并應(yīng)符合下列規(guī)定：

(1)對(duì)沉管砂石樁、振沖碎石樁和柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基，可取s/b或s/d等于0.01所對(duì)應(yīng)的壓力；

(2)對(duì)灰土擠密樁、土擠密樁復(fù)合地基，可取s/b或s/d等于0.008所對(duì)應(yīng)的壓力；

(3)對(duì)水泥粉煤灰碎石樁或夯實(shí)水泥土樁復(fù)合地基，對(duì)以卵石、圓礫、密實(shí)粗中砂為主的地基，可取s/b或s/d等于0.008所對(duì)應(yīng)的壓力；對(duì)以黏性土、粉土為主的地基，可取s/b或s/d等于0.01所對(duì)應(yīng)的壓力；

(4)對(duì)水泥土攪拌樁或旋噴樁復(fù)合地基，可取s/b或s/d等于0.006～0.008所對(duì)應(yīng)的壓力，樁身強(qiáng)度>1.0 MPa且樁身質(zhì)量均勻時(shí)可取高值；

(5)對(duì)有經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定相對(duì)變形值，但原地基土為高壓縮性土層時(shí)，相對(duì)變形值的最大值不應(yīng)>0.015；

(6)復(fù)合地基荷載試驗(yàn)，當(dāng)采用邊長(zhǎng)或直徑>2 m的承壓板進(jìn)行試驗(yàn)時(shí)，b或d按2 m計(jì)；

(7)按相對(duì)變形值確定的承載力特征值不應(yīng)>最大加載壓力的一半。

注：s為靜載荷試驗(yàn)承壓板的沉降量；b和d分別為承壓板寬度和直徑。

5.2 地基土的變形模量E0按下式計(jì)算

式中：

I0——?jiǎng)傂猿袎喊宓男螤钕禂?shù)(圓形承壓板取0.785，方形承壓板取0.886)

V——土的泊松比(碎石土取0.27，砂土取0.30，粉土取0.35，粉質(zhì)粘土取0.38，粘土取0.50)

d——承壓板直徑或邊長(zhǎng)(m)；

p——p-s曲線線性段的壓力(kPa)；

s——與p對(duì)應(yīng)的沉降(mm)。

5.3 檢測(cè)結(jié)果

該工程按規(guī)范隨機(jī)進(jìn)行了9組檢測(cè)，處理后的復(fù)合地基承載力特征值為220 kPa，地基承載力極限值為550 kPa；14.3 MPa<壓縮模量<15.5 MPa。此處僅截取具有代表性的一組檢測(cè)數(shù)據(jù)(1#點(diǎn))進(jìn)行闡述，相關(guān)數(shù)據(jù)詳見表3-5。

表3 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.3 Static test data sheet

序號(hào)荷載/kPa歷時(shí)/min沉降/mm本級(jí)累計(jì)本級(jí)累計(jì)7385604203.5416.178440604803.8019.979495605404.3724.3410550606004.8729.211144130630-0.3028.911233130660-0.5428.371322130690-0.8127.561411030720-1.0726.49150180900-1.4425.05最大沉降量:29.21 mm最大回彈量:4.16 mm回彈率:14.2 %

表4 靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)表Tab.4 Static test data sheet

表5 檢測(cè)結(jié)果匯總表Tab.5 Summary of test results

6 結(jié) 語(yǔ)

孔內(nèi)深層超強(qiáng)夯法實(shí)在綜合了重錘夯實(shí)、強(qiáng)力夯實(shí)、鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土預(yù)制樁、灰土樁碎石樁、雙灰樁等地基處理技術(shù)的基礎(chǔ)上，吸收其長(zhǎng)處，摒棄其缺陷，集高動(dòng)能、超壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密各效應(yīng)于一體。采用SDDC法處理地基時(shí)，可采用廢棄土、建筑垃圾為填料，節(jié)省了建筑材料，減小環(huán)境污染，而且施工質(zhì)量及作業(yè)安全得到有效保證，尤其是在工業(yè)項(xiàng)目單體建筑(構(gòu)筑)物密集的成片地基處理中，可以達(dá)到較好的技術(shù)效果和經(jīng)濟(jì)效益。