北京上莊東路巨型砂石坑回填路基復合處理技術

秦俊生，涂曉方，周自梁，陳 剛

（1.中國地質大學〈北京〉，北京100083;2.北京市地質礦產勘查開發總公司，北京100050;3.北京市地質工程勘察院，北京 100037）

北京上莊東路巨型砂石坑回填路基復合處理技術

秦俊生1，2，涂曉方2，周自梁2，陳 剛3

（1.中國地質大學〈北京〉，北京100083;2.北京市地質礦產勘查開發總公司，北京100050;3.北京市地質工程勘察院，北京 100037）

根據北京上莊東路巨型砂石坑的地質條件及周邊情況，采用振沖碎石樁、強夯置換及強夯復合地基處理技術與重錘夯擴擠密碎石樁對砂石坑回填路基進行綜合處理。在高水位的情況下，對由軟土和建筑垃圾回填形成的砂石坑，采用振沖碎石樁作為砂石坑滲水通道，通過強夯置換形成縱向增強體并加大處理深度，最后采用強夯處理的復合處理方案;對于橋樁兩側的回填土路基則采用重錘夯擴擠密碎石樁方案，減少對橋樁的影響。

砂石坑回填路基;振沖碎石樁排水;強夯置換;強夯;重錘夯擴擠密碎石樁;復合處理方案

1 工程概況

北京上莊東路道路工程位于北京市海淀區與石景山區交匯處，連接阜石路和復興路，道路全線長2.15 km，紅線寬度40～50 m，規劃為市政主干道。現狀為2個直徑約800 m的巨型砂石坑回填后形成的填方區，地基的承載力以及沉降均不滿足設計要求，需對本路段的橋頭以及南側路段的路基進行處理，以達到以下目的:（1）使其承載力≮120 kPa;（2）消除新近填土的欠固結沉降;（3）確保橋臺最終沉降量≯50 mm;（4）確保附近變電站的正常使用，不能影響已施工橋樁的質量及安全。

2 場地工程地質與水文地質條件

2.1 場地工程地質條件

擬建場地位于永定河沖洪積扇中上部，下覆地層顆粒較粗。因開采砂石形成橫跨南北的兩個巨大砂坑，北端砂坑因橋梁施工已回填至地面，南端砂坑部分回填，原砂坑積水受采石場排渣影響，已被淤積的泥沙擠至擬建場地西側，場地內地形起伏變化較大，地面標高為53.66～63.88 m。

場地地面以下25 m深度范圍內的地層劃分為人工堆積層、第四系沉積層及侏羅系基巖3大類。根據巖土體的物理力學性質進一步分層描述如下:

（1）人工填土層，該層土質極不均勻。

粉土填土①層:褐黃色，稍密、稍濕，含磚渣、灰渣、植物根系等;

卵石填土①1層:雜色，中下密，濕～飽和，D大=20 cm，D一般=2～4 cm，亞圓形，含量約60%，粉土及細砂充填，含磚渣、灰渣等;

房渣土①2層:雜色，稍密，濕～飽和，含磚塊、灰渣、卵石等;

細砂填土①3層:褐黃色，中下密，濕 ～飽和，顆粒較均勻，含磚渣、卵石等;

淤泥質粉質粘土填土①4層:黃褐～灰色，飽和，流塑～軟塑，含磚渣、圓礫等。

該大層厚度為17.00～23.5 m，層底標高為39.79～40.16 m。

（2）一般第四系沉積層，主要為卵石②層，雜色，密實，濕 ～飽和，D大=10 cm，D一般=2～4 cm，亞圓形，含量約70%，中粗砂充填。

（3）侏羅系基巖。

強風化凝灰巖③層:黃白色，巖體較破碎，節理、裂隙發育，裂隙面有紅褐色銹蝕斑點;

強～全風化凝灰巖③1層:黃白～棕紅色，全風化，結構已破壞，呈土狀。

2.2 場地水文地質條件

本路段揭露2層地下水，第一層為上層滯水，靜止水位標高54.96～51.59 m（埋深0.10～5.50 m），主要受砂石場洗砂排水影響;第二層為地下潛水，靜止水位標高41.04～40.46 m（埋深13.00～14.60 m）。

3 回填砂石坑地基處理方案

3.1 回填土的特征及地基處理難點

3.1.1 回填土的特征

回填時間長短不一，絕大部分為近期砂石廠的廢棄物;回填的材料主要有砂子、粘性土、石子，普遍夾淤泥;回填土層分布不均勻，雜亂無章;地下上層滯水豐富。總體特征表現為地基承載力低，沉降量大及沉降不均勻。

3.1.2 地基處理難點

回填土處理深度較大，平均深度20 m;回填土處理的面積大，約15700 m2;淤泥質粉質粘土填土①4層普遍分布，厚度1.5～2.0 m，呈流塑～軟塑狀態，承載力低，沉降量大，固結時間長;地下水較淺。3.2 地基處理方案的選擇與優化

根據勘察報告和路基設計要求，本工程地基處理主要是加固處理人工填土。

對橋臺兩側，由于橋臺灌注樁已經施工，采用強夯進行施工時考慮到震動對樁身質量的不利影響，因此采用重錘夯擴擠密碎石復合地基處理方法，該方法具有處理深度大、樁間土擠密效果好等優點，既能滿足路基的承載力要求又能同時保證地基土的均勻性和壓實度，減小路基沉降量和沉降差，而且可有效的保護橋臺灌注樁不受施工影響。

南側路段填土地基處理可采用方法較多，常見的方法有:（1）換填碾壓;（2）拋石擠淤;（3）沉管擠密碎石樁或振沖碎石樁;（4）夯擴擠密碎石樁;（5）CFG樁法;（6）振沖碎石樁排水、強夯置換結合面層強夯復合處理方案。方法（1）～（5）分別存在土方開挖量大，需采取截排水措施、處理深度小，處理效果得不到保證、成孔深度受回填物影響大，施工用電量大，用電量得不到保證、工程造價高等不足，方法（6）具有處理效果好、處理影響深度大、工程造價低等優點。

強夯法處理填土地基具有施工工藝簡單、施工速度快、造價低廉等特點，但對于本工程中重點要處理的高飽和度淤泥來說，單純的強夯法施工無論是增加強夯能量還是強夯的擊數對于粘性土中孔隙水的消散作用都不顯著。本工程地基處理的關鍵是加速軟粘土中孔隙水的釋放和消散，加速軟粘土的固結，只有通過增加排水通道才能達到上述目的，強夯置換磚渣土（碎卵石）樁法可以很好解決上述難題。

強夯置換原理:重錘自高空落下瞬間形成巨大的能量對被加固土體產生3個方面的作用，一是直接位于重錘底下面的土在瞬間高能沖擊下形成一個壓密體;二是土體在巨大能量沖擊下發生豎向剪切破壞，形成圓柱形深坑;三是錘體落下沖壓和沖切土體形成夯坑的同時，還產生強烈的震動，以震波的形式將能量向土層深處傳播，基于震動液化、排水固結和震動擠密等聯合作用，使置換體周圍的土體也同時得到加固。其原理如圖1、圖2所示。

圖1 強夯動能在地層中的轉換傳遞路徑

圖2 填料夯擴樁端地層壓縮變形示意圖

為保證工程質量，提高工程效果，對施工場地先進行拋石整平提供作業面后，在路基兩側采用振沖碎石樁，達到排水滲水的目的，同時也能限制坡角的位移，待降水、排水結束后再進行強夯置換施工，強夯置換施工完成后再進行強夯施工。

因此，采用振沖碎石樁排水+強夯置換+強夯法復合處理方案既能滿足路基的承載力要求又能保證地基土的均勻性和壓實度，減小路基沉降量和沉降差，是本場地地基處理的最佳方案。

4 地基處理方案及設計參數

4.1 振沖碎石樁設計

設計參數:樁徑800 mm;樁長13 m，樁端進入卵石層①1或②（按地質勘察報告孔口標高+地面鋪填1 m的砂石）;樁體材料選用直徑3～5 cm的碎石或卵石;碎石樁布置在路基的兩側，間距3.0 m。

4.2 強夯置換地基處理設計

對于回填土路基，在進行大面積強夯施工前，先進行強夯置換施工。強夯置換施工前，為確保強夯機械安全平穩施工作業，應先進行場地平整，去除表層的冰層和凍土，鋪設1 m厚的毛石，再鋪0.5 m厚的砂石。

強夯置換設計參數:強夯錘重15 t;重錘直徑1200 mm;填充材料為碎石或卵石;碎石墩體直徑2000 mm;碎石墩深度4 m;終孔標準:采用深度和貫入度雙控原則，即:深度4 m和最后2錘貫入度＜10 cm;孔位間距5 m×4 m，三角形布置。

4.3 強夯設計計算

強夯設計施工參數包括:錘重和落距、最佳夯擊能、單點夯擊能、單點夯擊數、夯點布置、夯擊遍數以及兩遍間隔時間、處理范圍等。

4.3.1 單點夯擊能

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2002）和公式（1）即可確定:

式中:H——加固深度，大于 7 m;M——錘重;h——錘落距，m;α——修正系數，取 0.5 ～0.8，本工程可以取0.5。

經計算，當錘重18 t，落錘高度15 m時，即夯擊能3000 kN·m時，即可滿足設計要求。

4.3.2 單點夯擊擊數

單點夯擊隨著擊數增加，土體越來越密，此時具有一個最佳夯擊擊數，超過此擊數時，地基土不但不會加密，反而會越夯越松，因此單點夯擊擊數應由現場單點夯擊試驗確定。夯點的夯擊次數應滿足下列條件:最后兩擊的平均夯沉量≯50 mm;夯坑周圍地面不應發生過大的隆起;不因夯坑過深而發生提錘困難。一般單點夯擊擊數為4～6擊。

4.3.3 夯點布置

為了保證整個場地都能均勻加固不留空白，同時又要考慮到夯擊坑的有效影響范圍，因此單點夯擊間距與夯錘直徑有密切關系，一般夯錘直徑為2.5 m，由單點夯擊試驗隆起曲線確定單點夯擊間距，遍夯單點夯擊間距為6～7 m。根據本工程基礎大小形式，設計采用直徑為2.4 m的夯錘，單點夯擊間距為7 m，采用三角形布置。

4.3.4 夯擊遍數

夯擊時單點重夯應采取2遍，布點梅花型交叉布置，最后一遍為低能量滿夯。滿夯能量為1000 kN·m，采用低落距錘，錘印搭接1/3。

4.3.5 處理范圍

根據《建筑地基處理技術規范》（JGJ 79-2002），考慮到本工程結構要求以及地質條件，設計基礎外超出的處理范圍為最外邊基礎外皮向外3.0 m。

4.3.6 兩遍之間的時間間隔

因本工程地下水水位埋深較淺，同時，需要進行處理的地基土含水量相對較大，根據有關經驗，兩遍強夯施工不可連續進行，需要間隔1周進行孔壓水消散。在大面積施工前應消除地面積水，保證機械正常作業。

4.3.7 強夯現場試驗

在進行正式的強夯施工前，在現場有代表性的地點進行單點試驗和小區試驗，以確定最佳強夯施工參數。

4.3.7.1 單點夯試驗

進行單點夯試驗的目的是為了合理選擇夯擊數，每個試夯小區均布設2個單點夯擊試驗點及2個地面變形觀測試驗點，測量其周圍的地面變形（即高程變化和水平位移量）。

用隨機抽樣檢驗法，抽取2個單點作夯擊試驗點，詳細觀測每擊夯沉量，并作出擊數N與沉降量s的曲線圖。

圖3 點夯試驗變形觀測布置圖

4.3.7.2 小區群夯試驗

小區群夯試驗的目的是判斷強夯的適宜性和夯后地基所能達到的物理力學指標是否滿足設計要求。是在單點夯試驗的基礎上，按設計確定的夯擊能、夯擊數和布點間距分遍施工，并控制最后兩擊的平均夯沉量滿足設計要求，使地基土在水平方向和垂直方向均得到有效加固。群夯試驗過程中取得的參數將是指導工程施工的依據。工程施工的程序與群夯試驗施工完全一致。

小區試驗內容包括:強夯施工前的重型動力觸探試驗（N63.5）和輕型動力觸探試驗（N10）;強夯施工后重型動力觸探試驗（N63.5）和輕型動力觸探試驗（N10）;以及夯前夯后的ω、γ、Es;

在進行小區試驗夯擊后，間隔6天以后，進行標準貫入試驗檢測，檢驗強夯處理效果。同時通過試驗夯取得施工最佳參數，從而更有效的保證地基加固的效果。

4.3.8 強夯設計參數

強夯錘重20 t;重錘直徑2400 mm;強夯能量3000 kN·m;夯點間距7 m×4 m;遍數為2遍點夯、1遍平夯;夯擊擊數暫定5擊。

4.4 橋臺兩側填方段夯擴擠密碎石樁設計計算

4.4.1 柱錘夯擴擠密碎石樁復合地基設計

擠密碎石樁設計參數:設計樁徑550 mm;設計樁長5～9 m;設計樁間距1.4 m;置換率m=0.12。

擠密碎石樁復合地基承載力按照下式進行計算:

式中:fpk——樁體承載力特征值，取400 kPa;m——碎石樁面積置換率，為 0.12;β——影響系數，為1.1;fsk——樁間土承載力特征值，取90 kPa。

經過計算，碎石樁復合地基承載力特征值fspk=135 kPa，滿足設計要求。

4.4.2 復合地基沉降計算

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007-2002），按照下式進行復合地基沉降量計算:

其中各復合土層壓縮模量按下式計算:

根據經驗，取經過夯擴擠密后的地基土壓縮模量為8.0 MPa，則復合土層壓縮模量為12.0 MPa。

橋臺中心點最大沉降計算結果分別為41.05 mm。滿足設計要求。

4.5 場地平整有關要求

由于場地仍在生產砂石，地表大量洗砂水漫流，且地面高差較大，堆積了大量砂石料和建筑垃圾。為了保證強夯機械的安全作業，對現場場地應進行平整，清除表層的凍塊和冰塊。鋪設1.0 m厚毛石及0.5 m厚砂石，壓實后方可進行強夯施工。

5 工程質量檢測

上莊東路（復興路—阜石路）砂石坑地基采用振沖碎石樁、強夯置換、強夯復合處理方案與重錘夯擴擠密碎石樁方案，為業主節省了投資，縮短了工期。施工完成后，經過北京市勘察設計研究院檢驗，結果全部合格，達到了設計要求。該工程的成功實施對類似砂石坑回填土地基的設計、施工具有指導和借鑒作用。

6 結語

通過本工程的實踐，可以得出如下啟示:

（1）砂石坑等復雜場地的地基處理方案確定，一定要根據場地的地質條件和施工條件，結合周邊環境特點，利用各自處理方法的優勢，揚長避短，綜合確定，做到技術可行、經濟合理。

（2）方案比選決定工程造價及工期，是項目投資控制的關鍵內容。

（3）施工過程中要加強風險防范管理，識別危險源和風險點，做好各項應急預案工作，確保項目的技術、質量及施工的安全。

［1］ 龔曉南.地基處理手冊（第三版）［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008.

［2］ 上莊東路巖土工程勘察報告［R］.北京:北京市地質工程勘察院，2005.

［3］ JGJ79-2002，建筑地基處理技術規范［S］.

［4］ 沈保漢.樁基與深基坑支護技術進展:沈保漢地基基礎論文論著選集［M］.北京:知識產權出版社，2006.

［5］ 劉景政，楊素春，鐘冬波.地基處理與實例分析［M］.北京:中國建筑工業出版社，2000.

Comprehensive Treatment Technology of Roadbed of Large Sandstone Pit Backfill in Beijing

QIN Jun-sheng1，2，TU Xiao-fang1，ZHOU Zi-liang1，CHEN Gang3（1.China University of Geoscience，Beijing 100083，China;2.Beijing Geology and Mineral Resources Prospecting and Developing Company，Beijing 100050，China;3.Beijing Institute of Geological Engineering，Beijing 100037，China）

According to the geological conditions of the large sandstone pit and the peripheral conditions，the ideal comprehensive application of vibor-replacement stone column，dynamic replacement＆ dynamic composite foundation treatment and heavy compacted crushing stone pile in Shangzhuangdonglu backfill roadbed of sandstone pit was introduced.At high water level，for the sandstone pit back-filled with soft soil and construction waste，vibro-replacement stone column was taken as the seepage tunnel，by dynamic replacement to form vertical reinforcement with the treatment depth increasing，and finally the compound treatment scheme of compact consolidation was adopted.For the backfill roadbed at both sides of bridge pile，the scheme of heavy compacted crushing stone pile was used in order to reduce the impact to bridge pile.

backfill roadbed of sandstone pit;seepage by vibro-replacement stone column;dynamic replacement;dynamic compaction;heavy compacted crushing stone pile;compound treatment scheme

U416.1

A

1672-7428（2012）02-0060-04

2011-07-12;

2011-12-09

秦俊生（1970-），男（漢族），安徽人，中國地質大學（北京）博士在讀，北京市地質礦產勘查開發總公司副總經理、高級工程師、國家注冊一級建造師、注冊安全工程師，探礦工程專業，從事探礦工程、巖土工程、地質災害工程及礦山環境治理新技術研究工作，北京市西城區南緯路4號北京市地質礦產勘查開發總公司，flowboy@163.com。