柱锤冲扩桩法在某杂填土地基处理工程中的应用

陈宝军 时 磊 吴海燕

(1.北京岩土工程勘察院，北京 100083； 2.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

柱锤冲扩桩法在某杂填土地基处理工程中的应用

陈宝军1时 磊2吴海燕1

(1.北京岩土工程勘察院，北京 100083； 2.中国石油集团工程设计有限责任公司北京分公司，北京 100085)

结合某深厚杂填土地区地基处理工程实际，对柱锤冲扩桩法加固机理和特点作了介绍，并对不同荷载要求情况下施工设计方案进行了优化，阐述了该工法具体的施工技术，对同类工程具有一定的推广应用价值和参考意义。

柱锤冲扩桩，地基处理，加固机理，杂填土

1 工程概况

某场区原为砖瓦厂取土留下的土坑，后又用作鱼塘，直至地基处理前2月方回填完毕。南侧回填土厚度较小，与北侧地层差异较大。回填后作为检测车间及厂区内新建道路，回填后不能满足承载力要求，故需进行地基处理。场地工程地质和水文地质条件如下：①杂填土：杂色，湿，松散，局部稍密，厚度0.5 m～13.4 m，平均厚度6.19 m；含碎砖、石块、建筑垃圾，夹杂粘质粉土，欠压密，均匀性较差；fak=80 kPa。②粘质粉土～砂质粉土：褐黄色，中密～密实，厚度0.7 m～5.2 m；土质不均，属于中压缩性土。场地地下水位埋深16 m。

为加固场区土体提高地基承载力，现采用柱锤冲扩桩法对地基进行加固处理，处理后的地基承载力特征值，车间下独立柱基础不小于170 kPa，桩体材料采用水泥混合级配砂石；场区道路及其他部位不小于150 kPa，桩体材料采用水泥混合土。

2 柱锤冲扩桩法概述

柱锤冲扩桩法又称DDC法，是河北工业大学和沧州市机械施工有限公司等单位自1993年开始自主研发的地基处理新技术。由于桩身材料可就地取材，且可利用工业废渣，因此绿色环保，具有明显的社会效益、经济效益和广阔的应用环境。采用直径300 mm～600 mm、长度3 m～6 m、质量2 t～10 t的柱状锤，现场使用起重机等起吊设备，提高柱锤至7 m～10 m后，释放柱锤并使其自由下落，不断冲击地基土体成孔，到设计深度时再向达到设计要求深度的孔内分层填入三合土等材料，再用柱锤并夯实填料形成致密竖向增强桩体，同时与被强制挤密的桩周围土体共同作用形成复合地基。在桩顶可设置200 mm～300 mm厚砂石褥垫层[1]。

3 柱锤冲扩桩法加固机理

在柱锤冲扩桩成孔及成桩过程中，通过对原状土的充填置换(包括桩身及挤入桩间土的骨料)、动力挤密、动力固结、强力夯实、生石灰(水泥)的水化和胶凝等作用，使软弱地基土得到加固[2]。

1)冲击荷载作用分析。

在柱锤冲扩桩法加固地基的作用机理中，最直接最明显的还是柱锤以多达25 m/s速度撞击地基土体，对土体作用非常大的瞬时冲击能量。试验研究表明，冲击次数愈多，柱锤越重，抬升高度越高，施工次数越多，产生的冲击速度也就越快，夯击能量就自然越大，成孔深度也就越深，地基加固效果也就越明显。另外，柱锤冲扩桩法中的柱锤长细比较大，所以一般情况下底面积比较小，产生的接地静压力值普遍都大于150 kPa，最高甚至可达380 kPa。与一般的强夯法产生30 kPa～50 kPa的接地压力值相比，作用效果自然更好。柱锤在冲击成孔时，产生的冲击波，不仅使地基土体产生侧向挤压作用，也会产生竖直冲击作用，叠加上冲击应力的扩散效应，因柱锤产生充足的动力而使地基土体起到加固密实作用。

地基土体承受柱锤冲击荷载作用下的受力状态如图1所示，主要包括柱锤冲孔时的孔壁上的横向切应力Qs和横向挤压力Ph，以及作用效果最好的锤底冲击压力Pv；试验和理论分析均证实，桩孔深度、地基土性质以及柱锤的冲击能量等多因素都影响着Pv的大小。

土体之所以产生动力密实，正是由于应力扩散和冲击波的双重作用效应。对于饱和软土等松散土层，如果埋深浅时，冲击力较大时因土层覆盖压力较小，会产生隆起而使局部土体松动破坏。因此，采用柱锤冲扩桩进行地基处理时，为保证处理效果，桩顶应由一定厚度的覆盖土体产生足够大的覆盖压力。

2)侧向挤密作用分析。

一般来说，魏西克圆筒形孔扩张理论可以很好地来描述侧向挤密作用。当不断增加孔内作用均布横向压力Ph时，圆筒孔初始半径外周围的原本为弹性的环形区域将逐渐变成塑性区域。呈环形的塑性区域随着Ph增加，不断向周围延伸和发展，直到Ph达到最大值Pm时，塑性区土体的半径也同时达到最大值Rmax。Rmax范围以内的土体是可以看作可压缩性固体的。半径Rmax的计算表达式为：

(1)

其中，Rmax为冲孔环形塑性区域半径，冲扩孔的半径；E为待加固地基土体的变形模量；q为地基土中原始固结压力；μ为场地待加固土体的泊松比；c为场地土体的粘聚力；φ为土体内摩擦角。

由计算式(1)可知，桩冲孔塑性区的最大环形半径Rmax与桩冲孔半径Ru成正比例关系，同时也与地基土体参数有关，如泊松比、粘聚力、内摩擦角以及变形模量等也影响着Rmax的大小。利用魏西克上述理论分析侧向挤密作用可知，在柱锤冲击产生的扩张应力作用下，场地土体受到挤压而密实，大大提高了桩周土体的密实程度。

3)填料过程的二次挤密夯实作用效应。

在填料分层夯实挤密成桩过程中，由于柱锤的夯击能量非常大，填料在桩孔夯实过程中由于冲击力大于周围土体剪应力，填料破坏周围土体再次形成环形塑性区域，同时迫使填料强制嵌入周围达到极限状态的桩周土体中，即形成桩身周围土体的二次挤密作用，同时扩大桩径。实践证明，夯扩后桩径可达到成孔直径的1.5倍～2.5倍左右，可达到600 mm～1 000 mm。

4 柱锤冲扩桩设计及计算

在设计中，一般根据岩土工程勘察单位提供的地基承载力和地基处理后复合地基应满足的承载力特征值，并考虑实际的施工机械，参考当地的施工经验来确定相应的桩径、桩距和置换率等参数，最后通过现场静载荷试验确定所选参数是否正确。综合考虑以上因素，本工程选取桩径为500 mm，根据杂填土厚度，分区域柱锤冲扩桩桩长为8 m～14.5 m，车间柱下独立基础桩间距为1.4 m×1.4 m，道路及其他部位桩间距为1.5 m×1.5 m。

复合地基承载力特征值按照相关的规范，依据计算式(2)来进行估算[3]：

(2)

其中，fspk为处理后的复合地基承载力特征值，按设计要求达到170 kPa/150 kPa；fsk为处理后桩间土承载力特征值，根据勘察报告，取80 kPa；λ为单桩承载力发挥系数，取0.85；β为桩间土承载力折减系数，取0.9；m为面积置换率。

5 柱锤冲扩桩法施工技术

5.1 成孔作业

成孔方法依据土质、设备、桩长、环境等要求分别选用，冲击成孔方法最常用，其主要工艺有如下三种：

1)冲击成孔。适用于地下水位以上不会坍孔土层，否则应采用跟管成孔。

2)填料冲击成孔。当出现缩颈或孔壁不稳的坍孔现象，可将适量大块碎石或生石灰块等填入孔内，柱锤分层夯实时挤入孔的周围软弱土体，以加固周围土体。

3)复打成孔。当坍孔严重时，可先锤击成孔，再分层将水泥、生石灰和大块碎石等填入孔内，待填料吸水膨胀使孔周围土体性质有所改善加强并稳定后，再二次复打成孔。

5.2 填料成桩

1)填料。将拌好的填料分层填入桩孔并夯实。

2)夯填要求。按设定配合比将拌合好的填料填入桩孔并分层夯实。采用套管进行时，随着夯实进度逐渐拔出套管，防止套管难于拔出。填料超过桩顶设计标高50 cm，未填料的桩孔用原地基土回填夯实。

5.3 施工注意事项

1)有积水时应采取措施降低水位。2)冲扩成孔时若出现缩颈或坍孔等现象，在成孔过程中可不断将碎砖等填料挤入孔壁周围土体及孔底土体并充分拌合，必要时应适当调整柱锤的落距和冲孔速度。3)桩径和桩长应根据规范及设计要求在设计时进行设定，填料充盈系数一般不小于1.5(或达到设计要求)，必须保证桩体密实程度，这是检验施工质量好坏的关键。4)注意成桩顺序，一般自中间向四周施工；尤其要保护好毗邻已建建筑物。

6 试验检测

依据相关规范和图纸要求，本工程共进行19根单桩复合地基承载力静载试验。载荷试验应在成桩14 d后进行。

通过对198号桩等共19个单桩复合地基静载荷试验P—S曲线的分析(见图2)，当加至最大极限试验荷载时，并未出现明显拐点，P—S曲线呈缓变形曲线。因此，综合分析得出结论，复合地基承载力满足设计要求。

7 结语

1)通过对场地杂填土体的动力挤密、置换等加固机理分析，柱锤冲扩桩法理论上证明加固了场地的软弱地基土体是非常有效的。

2)在桩身材料中加入水泥、生石灰等材料，桩身材料具有一定的强度，使柱锤冲扩桩法形成复合地基，减少了杂填土的不均匀沉降，大幅度地提高了地基承载力。

3)实践证明，柱锤冲扩桩法在处理欠固结的杂填土上使用具有明显的工程效果，同时通过对不同承载力要求的不同部位，桩身材料创新性地采用水泥土混合料水泥级配砂石混合料，既满足了工程要求，也具有桩身材料可就地取材、项目费用低等优点。

[1] 任振甲.重锤冲孔夯扩垃圾挤密桩复合地基的设计与施工问题[J].建筑技术，1999,30(3)：96-97.

[2] 王恩远,刘熙媛.柱锤冲扩桩法加固机理研究[J].建筑科学，2008(9)：53-55.

[3] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范[S].

Application of DDC method in miscellaneous fill foundation treatment engineering

Chen Baojun1Shi Lei2Wu Haiyan1

(1.BeijingGeotechnicalEngineeringSurveyInstitute,Beijing100083,China; 2.BeijingBranchCompany,ChinaPetroleumGroupEngineeringDesignCo.,Ltd,Beijing100085,China)

Combining with deep miscellaneous fill foundation treatment engineering practice, the paper introduces reinforcement methods and properties of DDC method, optimizes construction design scheme under different loading conditions, and describes specific construction technologies, which has certain promoting value and guiding meaning for similar engineering.

piles thrusted-expanded with column-hammer (DDC), foundation treatment, reinforcement mechanism, miscellaneous fill

1009-6825(2015)16-0053-02

2015-03-28

陈宝军(1981- )，男，硕士，工程师； 时 磊(1981- )，男，工程师； 吴海燕(1984- )，女，工程师

TU472

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