馮 彬，班海濤，遲鈴泉，李 寧

（建筑安全與環(huán)境國家重點實驗室/中國建筑科學研究院有限公司地基基礎研究所/北京市地基基礎與地下空間開發(fā)利用工程技術研究中心，北京 100013）

0 引 言

在城市發(fā)展建設過程中，由于取土燒磚或取砂作為建筑材料的需要，在城市郊區(qū)形成了大大小小規(guī)模不等的人工取土坑或取砂坑，之后這些坑往往被用作棄置土方、建筑垃圾甚至生活垃圾的回填場。隨著城市規(guī)模的不斷擴大，這些位于城市郊區(qū)的回填場地陸續(xù)被開發(fā)建設。但這類場地在回填過程中普遍為雜亂、無序回填，填料成分復雜且未經(jīng)壓實，工程性質(zhì)極差，通常勘察報告建議為未經(jīng)處理不允許作為地基使用，給工程建設帶來了很大困擾[1]。選擇安全有效、經(jīng)濟合理的地基基礎方案是該類場地工程設計的關鍵。根據(jù)已發(fā)表的研究成果，可采用的地基處理方案包括樁基礎、強夯法[2]、強夯置換碎石法[3]、柱錘沖擴樁法[4]、高壓旋噴樁法[5]、孔內(nèi)深層強夯（SDDC工法）結(jié)合后插鋼筋籠灌注樁法[6]等，但對基底以下雜填土厚度超過20 m的場地的地基處理方法研究較少。

本文以北京市朝陽區(qū)某建于深厚雜填土場地的工程項目為例，介紹該項目地基處理方案特點。通過事前加強雜填土層勘察評價、進行填土沉降觀測作為地基處理設計依據(jù)，采用柱錘沖擴樁+CFG樁長短樁結(jié)合的復合地基處理方案。柱錘沖擴樁可不穿透雜填土層深厚部位，地基處理與基坑支護方案協(xié)同考慮以控制地基處理范圍。經(jīng)工后評價該方案滿足設計要求，且具有良好的經(jīng)濟性，可為類似場地地基處理設計與施工提供借鑒。

1 工程概況及特點

本工程位于北京市朝陽區(qū)，擬建建筑包括 1～10號樓及整體地下車庫，其中1～7號樓地上2～3層，8～10號樓地上8層，地下均為3層。結(jié)構形式為框架結(jié)構，采用筏板基礎，基礎埋深約11 m。未經(jīng)修正地基承載力特征值要求 8～10號樓為180 kPa，其余樓座包括地下車庫均為120 kPa。

本場地地貌單元屬溫榆河洪沖積扇中部，地基土層主要為人工填土層，以雜填土為主，雜色，濕，大部分為松散狀態(tài)，局部稍密，以碎石、碎磚、灰渣和黏性土等為主，成分不均，含較多建筑垃圾，局部為生活垃圾，部分位置生活垃圾含量達30%～70%，最大層厚33.10 m。填土層以下第四紀沉積土層以黏質(zhì)粉土、黏土層為主，典型地質(zhì)剖面如圖 1所示，主要土層物理力學參數(shù)見表1。

表1 主要土層物理力學參數(shù)Table 1 Physical and mechanical parameters of soil layers

圖1 典型地質(zhì)剖面圖Fig. 1 Typical geological profile

本場地主要存在2層地下水，第一層地下水類型為上層滯水，穩(wěn)定水位埋深1.20～7.80 m，開挖過程中發(fā)現(xiàn)填土中存水量較大，水質(zhì)為污水；第二層地下水類型為微承壓水，水頭距地面距離為18.30～20.10 m。第一層地下水對混凝土結(jié)構具弱腐蝕性，第二層地下水對混凝土結(jié)構具微-弱腐蝕性。

本場地原為某磚廠取土坑，自 2006年起開始逐步回填，2006年與2018年場地衛(wèi)星圖對比如圖2所示?；靥畹慕ㄖ邪罅炕炷翂K，最大尺寸超過1 m?；靥罘绞交緸闊o序回填，即沿前期形成的邊坡任意傾倒，使得不同成分的回填物在空間上形成傾斜分布，成份極不均勻，且回填后未經(jīng)碾壓，結(jié)構松散，密實度差?；滓韵绿钔磷畲蠛穸冗_22.5 m，基底以下填土厚度等值線圖如圖3所示。

圖2 場地衛(wèi)星圖對比Fig. 2 Satellite image of the site (2006 & 2018)

圖3 基底以下填土厚度等值線圖Fig. 3 Contour map of fill thickness under the foundation

為查明填土層自重固結(jié)及場地穩(wěn)定性情況，初步設計階段首先對填土進行沉降觀測。觀測點布置于填土層表面，共布置監(jiān)測點34個，如圖4所示。觀測周期共60 d，結(jié)果表明，觀測期內(nèi)填土表面沉降量總體較小，平均沉降速率小于0.02 mm/d，可認為其自重固結(jié)已基本完成。

圖4 填土沉降監(jiān)測點布置圖Fig. 4 Layout of settlement monitoring points

2 地基處理方案選擇

對地基土普遍為雜填土的場地，因其工程性質(zhì)差且極不均勻，必須進行處理后方可作為地基或采用樁基礎?？紤]到本工程均為低層或多層建筑，建筑荷載相對較小而埋深較大，如采用樁基礎，依據(jù)勘察報告建議和規(guī)范要求，樁基承載力計算尚需考慮雜填土層產(chǎn)生的負摩阻力，樁長較長，且因雜填土層未經(jīng)擠密，結(jié)構松散，樁基礎還需按照高樁承臺設計，配筋量大，不經(jīng)濟。綜合考慮填土特性、場地穩(wěn)定性、承載力要求及附加應力分布等條件，采用地基處理方式，可以實現(xiàn)安全性與經(jīng)濟性的平衡。

柱錘沖擴樁為處理雜填土地基的有效方式。通過成孔及成樁過程中的動力擠密作用、動力固結(jié)作用、充填置換作用等共同達到擠密填土、提高地基承載力的目的。按照以往設計經(jīng)驗，經(jīng)柱錘處理后雜填土層地基承載力可達到120 kPa，能夠滿足1～7號樓及地下車庫部位的地基承載力要求。

對于本項目雜填土中存在的生活垃圾，其中的有機質(zhì)組分降解周期較短，根據(jù)現(xiàn)有回填年限判斷已基本完成降解，不存在后期繼續(xù)降解分化引起土體軟化或孔隙比增大等問題；纖維、塑料等成份能夠起到土體加筋的作用，且其降解周期遠大于建筑設計使用年限，因此認為柱錘沖擴樁可適用于存在生活垃圾的部位。由柱錘沖擴樁體形成復合地基的骨架，可以作為穩(wěn)定的受力體，還可以消除濕陷或組分分解帶來的影響。

9號、10號樓為本項目設計的重點。其基底以下雜填土最大厚度22.5 m，考慮到地下水條件與常規(guī)設備施工能力，柱錘沖擴樁的有效處理深度通常不超過10 m，無法穿透該區(qū)域雜填土層。采用柱錘沖擴樁不穿透雜填土層的方案主要基于以下考慮：（1）根據(jù)填土沉降觀測結(jié)果，本場地填土沉降已基本穩(wěn)定；（2）柱錘沖擴樁處理深度以下填土自地面埋深超過20 m且回填年限超過10年，在上部填土預壓下更為穩(wěn)定；（3）9號、10號樓基底反力為180 kPa，基礎埋深11 m，按照基底以上填土重度為19 kN/m3計算，基底以下附加應力小于0，不會使深部未經(jīng)擠密處理填土產(chǎn)生附加沉降。另外在柱錘沖擴樁處理的基礎上再增加CFG樁，要求CFG樁穿透雜填土層并進入原狀土不小于3 m，形成長短樁結(jié)合的復合地基處理方案。CFG樁一方面將復合地基承載力由僅布設柱錘沖擴樁時的120 kPa提高到180 kPa，另一方面通過柱、墻下布樁起到控制沉降的作用。

3 地基處理方案

3.1 柱錘沖擴樁

（1）設計參數(shù)及施工要求

柱錘沖擴樁布置于地基土為雜填土的區(qū)域，設計樁徑600 mm，樁間距1.65 m，采用正方形布置。樁長根據(jù)填土厚度分區(qū)域變化，對于基底以下雜填土厚度小于10 m的部位，按樁長分為0～3 m、3～6 m、6～8 m、8～10 m共4類區(qū)域，并要求柱錘沖擴樁穿透雜填土層；基底以下雜填土厚度大于10 m的部位，樁長統(tǒng)一取10 m。柱錘沖擴樁平面布置見圖5，圖中標注數(shù)字為相應區(qū)域樁長。

圖5 地基處理與基坑平面布置圖Fig. 5 Layout of ground treatment and excavation

柱錘沖擴樁常用樁體材料為碎磚三合土、級配砂石等，為最大限度地實現(xiàn)廢物利用并降低工程造價，本項目將雜填土中大量分布的混凝土塊破碎形成粒徑不大于50 mm的再生碎石作為填料使用。根據(jù)以往工程經(jīng)驗，采用碎磚三合土的充盈系數(shù)約1.5（以虛方計），而再生碎石骨架強度高，壓縮模量大，其實際充盈系數(shù)僅約 1.0～1.1，可減少填料用量。

根據(jù)柱錘沖擴樁機施工特性，施工前需要將雜填土層內(nèi)上層滯水疏干，并要求柱錘沖擴樁施工作業(yè)面距離設計樁頂不小于 0.5 m。成孔過程中如遇塌孔需分次填入碎磚或生石灰沖擊護壁，如塌孔嚴重還需采用套管管內(nèi)夯擊作業(yè)的方式。夯擴成孔至設計深度后，將填料分層填入樁孔內(nèi)夯實，每層填料量不大于0.5 m3，分層夯填至設計樁頂標高以上不小于0.5 m。柱錘落距不小于4 m，擊數(shù)不小于8擊，且最后2擊沉降量不大于5 cm。

（2）地基處理邊界確定

《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ 79—2012）要求柱錘沖擴樁復合地基處理范圍應大于基底面積，一般地基在基礎外緣應擴大（1～3）排樁，且不應小于基底下處理土層厚度的1/2[7]。本項目基底以下填土深度普遍超過8 m，東側(cè)最深處超過20 m，即使按照柱錘沖擴樁最大處理厚度 10 m計，處理范圍也應于基礎外緣外擴不小于5 m。而柱錘沖擴樁于基坑內(nèi)作業(yè)，地基處理范圍的擴大意味著基坑開挖范圍的擴大，將直接導致工程造價增加，并對基坑周邊場地使用造成影響。為控制地基處理外擴范圍，在基坑坡面靠近坡腳部位打設鋼管微型樁作為地基處理范圍邊界。圖5為地基處理與基坑支護平面布置圖，圖6為地基處理與基坑支護剖面圖。

圖6 地基處理與基坑支護剖面圖Fig. 6 Profile of ground treatment and excavation

基坑支護采用坡度為 1∶1的預應力復合土釘（花管）墻，鋼管微型樁設置于靠近基坑坡腳部位，水平間距1.5 m，成孔直徑150 mm，長度6 m（東南側(cè)填土深厚區(qū)為12 m）。內(nèi)置DN80鋼管，樁身灌注M30水泥漿并進行樁底二次注漿，二次注漿水泥量不少于200 kg/樁?；娱_挖至相應標高后施作鋼管微型樁，然后繼續(xù)開挖至柱錘沖擴樁作業(yè)標高進行地基處理施工。鋼管微型樁視作地基處理的一部分，可增加基礎外一定范圍內(nèi)填土的穩(wěn)定性，同時又作為基坑支護構件增加基坑坡腳的穩(wěn)定性。該方案下柱錘沖擴樁布置范圍普遍為基礎邊緣外擴 1排樁，有效減小了基坑開挖面積，經(jīng)濟效果顯著。

3.2 CFG樁

在柱錘沖擴樁施工完成并檢測合格的基礎上，8～10號樓增加CFG樁以滿足其地基承載力和沉降控制的要求。8～10號樓地上均為8層，地基承載力要求相對較低（180 kPa），CFG樁采用400 mm樁徑較為經(jīng)濟。但因雜填土地層中存在大量建筑垃圾，長螺旋鉆機成孔困難，后改用旋挖鉆機施工。根據(jù)旋挖鉆機工藝特性，最終設計樁徑采用600 mm，以粉細砂層作為樁端持力層，樁長23.9～25.9 m。根據(jù)地基承載力要求并結(jié)合結(jié)構平面布置，采取柱下、墻下布樁方式，平面布置如圖7所示（以10號樓為例）。

圖7 CFG樁平面布置圖Fig. 7 Layout of CFG piles

CFG樁單樁承載力計算中雜填土層參數(shù)的取值，對于表層10 m經(jīng)柱錘沖擴樁處理的部分，根據(jù)擠密處理后的動力觸探擊數(shù)要求，參考《工程地質(zhì)手冊》第八篇第三節(jié)[8]，極限側(cè)阻力取40 kPa；對于 10 m深度以下未經(jīng)處理部分，綜合考慮基底附加應力情況及勘察報告給定的填土性狀（重型動力觸探擊數(shù)及回填年限等），認為其不會產(chǎn)生大于樁體的沉降，即不計其負摩阻力，同時偏于安全考慮，極限側(cè)阻力取0。由此計算得到的CFG樁單樁承載力特征值為700 kN。由于地下水對混凝土結(jié)構具有弱腐蝕性，根據(jù)《工業(yè)建筑防腐蝕設計標準》（GB/T 50046—2018）[9]的要求，樁身混凝土需采用抗硫酸鹽硅酸鹽水泥配制。

4 地基處理效果評價

4.1 復合地基檢測結(jié)果

（1）柱錘沖擴樁復合地基

柱錘沖擴樁復合地基承載力檢測采用堆載平臺反力裝置，一次性將所需配重均勻地擺放在由鋼梁組成的平臺上，用千斤頂配合高壓油泵施加反力，載荷試驗參數(shù)如表2所示。

表2 柱錘沖擴樁載荷試驗參數(shù)表Table 2 Static load test parameters of impact displacement columns

載荷試驗分8級加載，每級加載前后各測讀1次沉降，以后每隔30 min讀數(shù)1次。每1 h的沉降不超過0.1 mm，認為該級荷載的沉降已趨穩(wěn)定，可以加下一級荷載。根據(jù)設計要求共進行復合地基承載力檢測83點，典型的p-s及s-lgt曲線如圖8所示。各檢測點的p-s曲線均為平緩的光滑曲線，均未出現(xiàn)明顯的比例界限和極限荷載，取最大加載壓力的一半作為檢測點的復合地基承載力特征值，此壓力對應的變形值均小于規(guī)范容許的相對變形值。

圖8 柱錘沖擴樁復合地基載荷試驗曲線Fig. 8 p-s curve and s-lgt curve of composite foundation with impact displacement columns

經(jīng)檢測柱錘沖擴樁復合地基承載力特征值均滿足120 kPa的設計要求。

（2）重型圓錐動力觸探

勘察報告提供的雜填土N63.5重型圓錐動力觸探擊數(shù)普遍為4～8擊，最小值僅2擊，且具有極大的離散性，變異系數(shù)為0.668。經(jīng)柱錘沖擴樁處理后，樁身及樁間土N63.5重型圓錐動力觸探檢測結(jié)果如圖9所示。樁身平均擊數(shù)約20～22擊，樁間土平均擊數(shù)約14～16擊，較地基處理前顯著提高。試驗擊數(shù)明顯高于設計要求，可能與本項目填料采用再生碎石，以及雜填土中含大量建筑垃圾有關。類似場地擊數(shù)要求可根據(jù)土質(zhì)及填料種類進行調(diào)整，或根據(jù)試驗確定。

圖9 重型圓錐動力觸探擊數(shù)隨深度變化曲線Fig. 9 Variation of heavy dynamic cone penetration blow count with depth

（3）CFG樁復合地基

CFG樁單樁復合地基承載力檢測實質(zhì)為 CFG樁+柱錘沖擴樁兩種樁型復合地基的承載力檢測。試驗方法同柱錘沖擴樁復合地基承載力檢測，試驗參數(shù)見表3。

表 3 CFG樁載荷試驗參數(shù)表Table 3 Static load test parameters of CFG piles

經(jīng)檢測，復合地基承載力特征值滿足180 kPa、單樁承載力特征值滿足700 kN的設計要求。以10號樓為例，復合地基載荷試驗p-s及s-lgt曲線如圖10所示，單樁復合地基靜載荷試驗成果見表4，單樁豎向抗壓靜載荷試驗成果見表5。

圖 10 CFG樁復合地基載荷試驗曲線Fig. 10 p-s curve and s-lgt curve of CFG piles

表 4 單樁復合地基靜載荷試驗成果表Table 4 Results of static load test on composite foundation with single pile

表 5 單樁豎向抗壓靜載荷試驗成果表Table 5 Results of vertical static load test on single pile

4.2 建筑沉降觀測結(jié)果

根據(jù)設計要求，結(jié)構底板施工完成后即開始建筑沉降觀測。截至本文完成時累計沉降觀測周期約600～650 d（不同樓座根據(jù)其工程進度開始監(jiān)測時間略有不同，其中結(jié)構封頂后監(jiān)測時長約400～450 d）。圖 11為部分樓座各監(jiān)測點平均累計沉降量隨時間變化曲線，根據(jù)沉降發(fā)展規(guī)律，累計監(jiān)測約 400～450 d后可認為樓座沉降已進入穩(wěn)定狀態(tài)，滿足《建筑變形測量規(guī)范》（JGJ 8—2016）對建筑沉降達到穩(wěn)定狀態(tài)的判定標準，即最后100 d的最大沉降速率小于0.01～0.04 mm/d[10]。圖中僅采用柱錘沖擴樁的樓座（3號、4號、5號）和采用柱錘沖擴樁+CFG樁兩種樁型復合的樓座沉降發(fā)展規(guī)律未見明顯差異。10號樓沉降量較其他樓座偏大，可能與該樓座基底下填土以素填土為主有關。工程設計中可根據(jù)填土性質(zhì)不同分別取值進行設計與計算。

圖11 累計沉降量隨時間變化曲線Fig. 11 Cumulated settlement with time

各樓座監(jiān)測期最終沉降量如表6所示。平均沉降量為4.91～14.81 mm，由差異沉降計算得到的整體傾斜均小于 1‰。不同樓座間沉降量的差異可能由基底以下填土層厚度、結(jié)構施工順序及周期、基地附加壓力等條件的不同所引起?？紤]后期裝修及使用等荷載，預期最終沉降量也不會大于 30 mm，小于40～42 mm的計算值（其差異可能源于雜填土層壓縮模量取值偏差），能夠滿足地基沉降量不大于50 mm、整體傾斜不大于 1.5‰的設計要求，說明該地基處理方案可行。

表6 建筑沉降觀測成果表Table 6 Building settlement monitoring results mm

5 結(jié) 論

（1）將地基中的雜填土層作為勘察工作的重點，加強了對其性狀如組分、回填年限、力學參數(shù)等的評價，并通過沉降觀測等方式評價其固結(jié)度及穩(wěn)定性，為地基基礎方案設計提供了依據(jù)。

（2）深厚雜填土地層建議將地基處理與基坑支護方案協(xié)同設計，以控制地基處理范圍。通過在基坑支護坡腳部位打設注漿鋼管微型樁，既可以作為地基處理范圍的邊界，又可以起到加固坡腳的作用。

（3）對于常規(guī)擠密工藝難以穿透的深厚雜填土層，可通過分析建筑附加應力大小及分布、用沉降觀測等手段查明填土固結(jié)度及穩(wěn)定性，如滿足要求可采用僅擠密處理上部一定厚度雜填土層的方案。本項目采用的柱錘沖擴樁+柱、墻下布置 CFG樁形成長短樁結(jié)合的復合地基處理方案，并采用整體性更好的筏板基礎。經(jīng)檢測和沉降監(jiān)測滿足設計要求，滿足安全性要求的同時具有良好的經(jīng)濟效益。

（4）柱錘沖擴樁填料可按照因地制宜、就地取材的原則選擇，并經(jīng)試驗確定充盈系數(shù)。本項目采用現(xiàn)場再生碎石作為填料，充盈系數(shù)僅 1.0～1.1，加固擠密效果經(jīng)對比優(yōu)于常用的碎磚三合土填料。