烏魯木齊雜填土路基處理的比選及對(duì)策

高勐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

烏魯木齊雜填土路基處理的比選及對(duì)策

高勐

（上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，上海市200092）

以烏魯木齊地區(qū)雜填土地基道路工程為實(shí)例，介紹了雜填土工程特性，對(duì)實(shí)用地基加固方法進(jìn)行了分析比選，確定換填法與強(qiáng)夯法為相對(duì)較優(yōu)的地基處理方法。同時(shí)，結(jié)合烏魯木齊地區(qū)戈壁土特點(diǎn)，確定戈壁土為路基填筑材料和換填材料優(yōu)先選項(xiàng)，同時(shí)對(duì)戈壁土壓實(shí)技術(shù)要求進(jìn)行了明確。

路基；雜填土；換填；強(qiáng)夯；戈壁土

1 工程背景

工程位于烏魯木齊，該區(qū)域地勢(shì)起伏懸殊，山地面積廣大，易形成沖溝地貌，區(qū)域內(nèi)多見雜填土，且厚薄不均。如何利用、處理厚層雜填土成為一件棘手的巖土問題，對(duì)后續(xù)的城市建設(shè)也提出了挑戰(zhàn)。

1.1 區(qū)域工程地質(zhì)條件

烏魯木齊市區(qū)南為柴窩堡斷陷盆地，北為準(zhǔn)噶爾盆地，城區(qū)處于妖魔山、東山等低山丘陵所環(huán)抱的山間盆地之中。烏魯木齊河從南向北縱貫市區(qū)，地貌以兩岸階地及山前坡洪積、沖洪積傾斜平原為主。其典型地質(zhì)剖面如圖1所示。

圖1 由北向南中軸位置地質(zhì)剖面圖

該工程地層由上至下為雜填土、粉質(zhì)黏土含礫、卵石及風(fēng)化基巖。對(duì)道路有影響土層為雜填土和粉質(zhì)黏土含礫。其巖土特性如下：

（1）雜填土：分布于整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)，一般厚度7.00～11.50 m，由在場(chǎng)地平整過程中從外運(yùn)進(jìn)的土料在原沖溝內(nèi)經(jīng)過多次堆填形成。鉆探過程中漏漿嚴(yán)重，提鉆后有塌孔現(xiàn)象，說明填土未經(jīng)過碾壓或其他壓密措施處理，密實(shí)度很差。

（2）粉質(zhì)黏土含礫：在近半勘探孔內(nèi)揭露，厚度分布呈沖溝底厚度大、坡面厚度小，埋深5.50～16.80 m，厚度0.50～5.50 m。粉質(zhì)黏土中礫石粒徑約0.5～2 c m。該層土為回填前沖溝內(nèi)坡積物，沉積時(shí)間短、固結(jié)性差。本層土動(dòng)力觸探擊數(shù)介于7～9擊[1]。

對(duì)類似于該工程地質(zhì)條件的烏魯木齊地區(qū)道路路基而言，雜填土性質(zhì)較差，必須進(jìn)行處理。以解決建設(shè)于這類場(chǎng)地之上的道路沉陷等一系列工程問題。

1.2 區(qū)域水文地質(zhì)條件

該區(qū)域地下水類型主要為第四系孔隙潛水，按其補(bǔ)給條件又可分為兩種亞型：一是河谷兩側(cè)坡洪積平原的潛水，主要是受其上部山區(qū)大氣降水及基巖裂隙水補(bǔ)給；二是沖洪積平原中的潛水，主要受烏魯木齊河滲漏補(bǔ)給。前者水量小、水質(zhì)差；后者含水層為砂卵礫石層，水量豐富、水質(zhì)良好。地下水埋深因受地質(zhì)構(gòu)造控制從南到北成有規(guī)律變化。自烏魯木齊河出山口進(jìn)入柴窩堡斷陷盆地，河水大量下滲補(bǔ)給地下水，形成沖洪積扇頂部的地下水深埋帶。隨著地下水向北徑流，由于受到基巖隆起的阻擋，地下水位壅高，到妖魔山南側(cè)的倉房溝一帶埋深小于2 m，并在空九軍東邊的沖溝處有下降泉出露，到新疆水泥廠至十二中一帶河谷最窄，地下水埋深為3～6 m，再向北進(jìn)入老城區(qū)，河谷漸開闊，地下水埋深變大，在新疆飯店附近為10 m左右，繼續(xù)向北，由于受到紅山及妖魔山的阻擋，地下水位再次壅高，出紅山谷口往北地下水埋深再次變大，從明園附近的5～6 m，到鐵路局一帶埋深大于26 m。

2 雜填土工程特性

本文所提及工程，其填土主要成分以土、建筑垃圾土、生活垃圾為主。建筑垃圾土成分有黏性土、碎石土、混凝土塊等，很松散，雜色，以黑色和灰色為主。雜填土具有以下各項(xiàng)工程特性：

（1）性質(zhì)不均、密度變化大。由于場(chǎng)地雜填土的物質(zhì)來源和組成成分的復(fù)雜和差異，造成場(chǎng)地雜填土性質(zhì)很不均勻，密度變化大。

（2）強(qiáng)度低、壓縮性大。場(chǎng)地雜填土組成成分復(fù)雜，堆積時(shí)間短，未經(jīng)過碾壓或其他壓密措施處理，孔隙大，具有很低的強(qiáng)度和很大的壓縮性。

（3）自重壓密變形大，并有濕陷性。場(chǎng)地雜填土屬于欠壓密土，具有很大的壓縮性，除正常荷載作用下的沉降外，還存在自重壓力下沉降，且往往具有濕陷變形的特點(diǎn)。生活垃圾還存在因進(jìn)一步分解腐殖質(zhì)而引起的變形。

3 雜填土地基處理方法比選

由于雜填土的成分復(fù)雜，性質(zhì)很不均勻，孔隙較大，結(jié)構(gòu)性差等特點(diǎn)，因此，雜填土地基處理有其固有特點(diǎn)。常見的雜填土地基處理方法有如下幾種。

（1）砂石樁法

砂石樁法采用振動(dòng)沉管工藝或柱錘夯實(shí)成孔，將砂石擠壓入樁孔之中形成密實(shí)樁體,并對(duì)樁間土有擊碎并擠密加固作用。

雜填土土體結(jié)構(gòu)比較松散，在沉管過程中，樁管對(duì)周圍土層產(chǎn)生很強(qiáng)的橫向擠壓力，對(duì)樁周填土產(chǎn)生擠密作用。同時(shí)，砂石樁將樁管位置的工程性質(zhì)較差的雜填土擠排至四周，然后用工程性質(zhì)較好的砂石來代替部分雜填土，從而形成復(fù)合地基。

（2）振沖法

振沖法指在振沖器水平振動(dòng)和高壓水的共同作用下使松砂土層振密或在軟弱土層中成孔，然后回填碎石等粗粒料形成樁柱，并和原地基土組成復(fù)合地基。

（3）水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法

水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法指以水泥作為固化劑的主劑，通過特制的深層攪拌機(jī)械或噴漿設(shè)備，將固化劑和地基土強(qiáng)制攪拌，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強(qiáng)度的樁體的地基處理方法。

根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（J G J79-2012）規(guī)定：水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法適用于處理粉土、黏性土、飽和松散砂土、淤泥質(zhì)土與淤泥、飽和黃土、填土等地基。

（4）換填法

換填法是將雜填土挖除,然后按規(guī)范要求分層回填填充材料直至設(shè)計(jì)標(biāo)高，并經(jīng)過碾壓、夯實(shí)的地基處理方法。該方法一般適用于換填土較薄的情況。

當(dāng)雜填土土層厚度較小時(shí)，可以考慮采用換填法。在本質(zhì)上，換填法適用于地基淺層處理，換填法處理深度一般應(yīng)控制在3 m以內(nèi)[2]。

（5）強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法主要是降低土體孔隙率，增加土體密實(shí)度。強(qiáng)夯法加固非飽和土?xí)r，夯擊所產(chǎn)生的沖擊波和動(dòng)應(yīng)力使得土體顆粒受到擠壓，雜填土顆粒重新進(jìn)行排列，土體孔隙中的氣體被迅速排出，土體的孔隙率減小，密實(shí)度增加。土體在外荷載作用下逐漸達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)。地基土經(jīng)強(qiáng)夯法加固后，其強(qiáng)度提高作用機(jī)理大致可分為4個(gè)階段：a.夯擊能量轉(zhuǎn)化，同時(shí)伴隨強(qiáng)制壓縮或振密，表現(xiàn)為土體中水及氣體排出，孔隙水壓力上升；b.土體液化或土體結(jié)構(gòu)破壞，表現(xiàn)為土體強(qiáng)度降低或抗剪強(qiáng)度喪失；c.排水固結(jié)壓密，表現(xiàn)為滲透性能改變，土體裂隙發(fā)展，土體強(qiáng)度提高；d.觸變恢復(fù)并伴隨固結(jié)壓密，包括部分自由水又變成薄膜水，土的強(qiáng)度繼續(xù)提高。

經(jīng)過強(qiáng)夯法處理后的地基既提高了地基土的強(qiáng)度，又降低了地基的壓縮性，同時(shí)還能改善地基抗振動(dòng)液化的能力。

強(qiáng)夯法適用于處理碎石土、砂土、低飽和度的粉土與黏性土、濕陷性黃土、素填土和雜填土等地基。所以，從適用范圍而言，強(qiáng)夯法天然特別適用于處理低含水量的雜填土地基。

強(qiáng)夯法具有施工方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、加固效果顯著、施工周期短、節(jié)約材料、施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)考慮到施工振動(dòng)影響，強(qiáng)夯特別適合于如烏魯木齊地區(qū)場(chǎng)地開闊且周邊無建(構(gòu))筑的情況。

4 雜填土地基處理方法選擇分析

各種雜填土地基處理方法，有其各自優(yōu)點(diǎn)及局限性。

砂石樁適用于含砂石或素土成分較多的雜填土，對(duì)含建筑垃圾較多的雜填土，亦存在施工困難問題，故不太適用；振沖法適用于處理粉土、粉質(zhì)黏土、砂土和雜填土等地基，但烏魯木齊地區(qū)屬于缺水地區(qū)，此法并不適用；水泥土攪拌法/注漿法/旋噴法可以用于處理雜填土地基，但其處理成本相對(duì)較高，且對(duì)含有生活垃圾等有機(jī)質(zhì)雜填土處理效果較差。

因此，針對(duì)烏魯木齊地區(qū)雜填土地基的道路，對(duì)較薄的雜填土可以采用換填壓實(shí)的方式，對(duì)較厚的雜填土，可以采用強(qiáng)夯的方式進(jìn)行處理。

對(duì)常用的換填法，主要考慮換填層厚度，當(dāng)雜填土土層厚度較小時(shí)，可以考慮采用換填法。換填法有兩個(gè)前提條件：填料來源充足且成本低，棄土外運(yùn)和處置成本低。對(duì)烏魯木齊地區(qū)而言，這兩個(gè)前提條件都基本具備，存在采用的合理性。

因此，對(duì)于淺層換填（不大于1 m），結(jié)合烏魯木齊地區(qū)填料供給情況，優(yōu)先考慮采用換填天然級(jí)配的戈壁土，并分層碾壓地基處理方案。處理方案要求如下：（1）換填墊層地基處理的換填材料為天然級(jí)配戈壁土；（2）采用分層回填、碾壓的辦法處理；（3）每層鋪填厚度可取200～300 mm；（4）為保證分層壓實(shí)質(zhì)量，應(yīng)控制機(jī)械碾壓速度；（5）回填土要求同路基填料要求。

對(duì)填土較厚情況，全部采用換填不是一種經(jīng)濟(jì)合理的處理方式。如前所述，對(duì)強(qiáng)夯法而言，特別適用于處理建筑垃圾，同時(shí)亦特別適用于處理低含水量的各類填土及建筑垃圾。烏魯木齊地區(qū)少雨且其地下水位很低，因此在該地區(qū)采用強(qiáng)夯處理較厚雜填土地基有著天然技術(shù)優(yōu)勢(shì)。

強(qiáng)夯法處理雜填土地基，沒有棄方的堆置及填方的取土問題，因此強(qiáng)夯處理的造價(jià)也遠(yuǎn)低于換填方案。同時(shí)，強(qiáng)夯法具有施工方便、設(shè)備簡(jiǎn)單、施工周期短、節(jié)約材料、施工費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn)。考慮到施工振動(dòng)影響，強(qiáng)夯又特別適合于烏魯木齊地區(qū)場(chǎng)地開闊且周邊無建(構(gòu))筑的情況。

對(duì)于強(qiáng)夯加固，主要確定地基處理深度和夯擊能參數(shù)。在處理深度上，可通過數(shù)值分析軟件分析在行車荷載作用下路面和路基內(nèi)部的應(yīng)力和應(yīng)變場(chǎng),從而確定合理的地基處理深度和范圍,其分析模型如圖2所示。

圖2 荷載影響深度力學(xué)計(jì)算模型

在夯擊能確定上，根據(jù)式（1）可以確定夯錘重量和落距：

式中：H為有效加固深度；M為錘重；h為落距；α為系數(shù)，可取0.5～1.0。

工程經(jīng)驗(yàn)表明,強(qiáng)夯法處理雜填土可達(dá)到預(yù)期效果。

以烏魯木齊某住宅小區(qū)強(qiáng)夯處理雜填地基為例，其夯擊參數(shù)見表1。

表1 強(qiáng)夯加固參數(shù)

處理后地基土的壓縮模量有較大程度的提高，見表2。

表2 加固后壓縮模量統(tǒng)計(jì)

對(duì)2 000 k N·m夯擊能：0～5 m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)的提高幅度較明顯，夯后10.0～29.0擊（夯間），平均22.0擊，比夯前增加15.1擊，比夯前平均6.9擊提高220%；5 m以下效果沒有這么明顯。對(duì)3 000 k N·m夯擊能：0～7 m范圍內(nèi)標(biāo)貫擊數(shù)的提高幅度較明顯，夯后16.0～30.0擊（夯間），平均23.0擊，比夯前增加16.1擊，提高240%。綜合分析強(qiáng)夯處理前后標(biāo)貫指標(biāo)的情況，可以認(rèn)為：2 000 k N·m強(qiáng)夯的加固深度約為5.0～7.0 m，以5.0 m以淺較明顯，3 000 k N·m強(qiáng)夯的加固深度為7.0～9.0 m，以7 m以淺為佳[3]

因此，對(duì)基底雜填土較厚情況，從類似工程經(jīng)驗(yàn)來看，處理厚度不大于3 m的區(qū)域采用點(diǎn)夯夯擊能2 000 k N m，處理土層厚度大于3 m區(qū)域選用點(diǎn)夯夯擊能3 000 k N m，滿夯夯擊能1 000 k N m。點(diǎn)夯和滿夯遍數(shù)宜根據(jù)試夯效果確定。

5 路基填料分析

對(duì)于配套道路的路基土填料，應(yīng)優(yōu)先選用級(jí)配較好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，填料最大粒徑應(yīng)小于150 mm。當(dāng)采用細(xì)粒土填筑時(shí)，路堤填料最小強(qiáng)度應(yīng)符合規(guī)定。表3為路堤填料最小強(qiáng)度要求。

表3 路堤填料最小強(qiáng)度要求

烏魯木齊屬于新疆戈壁地區(qū)，新疆戈壁地區(qū)主要分布戈壁土。戈壁土是分布在戈壁地區(qū)的薄層粉質(zhì)黏土、黃土、鹽漬土、粉土、粉砂、細(xì)砂以及細(xì)圓礫土、粗圓礫土、細(xì)角礫土、粗角礫土、碎石土、卵石土和分布在上述粗顆粒土中的中砂、粗砂、礫砂的總稱，其最大特點(diǎn)是土體顆粒粒徑比較大，大部分屬于粗粒土。戈壁土來源豐富，且戈壁土按分類屬于四類沙礫堅(jiān)土（這里指含碎卵石在30%以內(nèi)、其粒徑在3 mm以內(nèi)的雜質(zhì)黏土、天然級(jí)配砂石），為天然級(jí)配料的優(yōu)質(zhì)填料[4]。

影響粗粒土壓實(shí)的因素很多，場(chǎng)地條件、施工工藝、壓實(shí)機(jī)械、壓實(shí)能量、碾壓速度等是影響壓實(shí)特性的外因，填料的自身特性和顆粒組成是內(nèi)因。粗粒土的顆粒級(jí)配組成對(duì)其工程特性極其重要，其顆粒組成成分對(duì)現(xiàn)場(chǎng)壓實(shí)效果有顯著影響。研究表明：當(dāng)粗料含量大于30%～40%時(shí)，粗料開始起骨架作用，細(xì)、粗料彼此填充，干密度增長(zhǎng)較快；當(dāng)填料中粗料含量在60%～70%、填料級(jí)配處于T a i lo r理想級(jí)配范圍內(nèi)時(shí)，粗料形成骨架，細(xì)料又能填充孔隙，干密度值最大，壓實(shí)效果良好；當(dāng)粗料含量超過70%后，細(xì)料填不滿粗料的孔隙，粗料起主要作用，干密度呈下降趨勢(shì)。

考慮新疆戈壁地區(qū)填料的最大干密度隨著粗料含量的增加而急劇增大，當(dāng)填料中粗料含量在60%～70%時(shí)，最大干密度最大。最大干密度與粗料含量及細(xì)粒含量存在著良好的線性關(guān)系。因此，針對(duì)戈壁土中細(xì)粒土相對(duì)缺乏，可考慮適當(dāng)增加細(xì)粒土。另外，根據(jù)戈壁土的最優(yōu)含水量在6%左右，在施工過程中可適當(dāng)加水以控制施工含水量。

6 結(jié)論

針對(duì)烏魯木齊地區(qū)雜填土道路工程，可得出如下工程對(duì)策：

（1）通過對(duì)地基處理方法比選，同時(shí)結(jié)合烏魯木齊雜填土層特點(diǎn)、地下水位低以及戈壁土料豐富等情況，對(duì)薄層雜填土地基可采用換填方式處理，對(duì)雜填土層相對(duì)較厚，優(yōu)先采用強(qiáng)夯法處理，其效果好，成本低，工期短。

（2）強(qiáng)夯處理厚度不大于3 m及大于3 m的區(qū)域分別采用點(diǎn)夯夯擊能2 000 k N·m和3 000 k N·m的強(qiáng)夯工藝，滿夯夯擊能1 000 k N·m。點(diǎn)夯和滿夯遍數(shù)根據(jù)試夯效果確定工程采用的各項(xiàng)強(qiáng)夯參數(shù)。

（3）換填材料和道路路基填料可優(yōu)先采用戈壁土進(jìn)行填筑，施工過程中應(yīng)控制戈壁土的粗顆粒含量，并在施工過程中控制好含水量，其經(jīng)驗(yàn)最優(yōu)含水量宜控制在6%左右。

[1]新疆西北巖土工程咨詢有限公司.烏魯木齊市高鐵片區(qū)核心區(qū)站房配套設(shè)施工程——北廣場(chǎng)巖土工程勘察報(bào)告[R].烏魯木齊：新疆西北巖土工程咨詢有限公司，2013.

[2]王飛,李鯤.戈壁地區(qū)高速鐵路路基工程技術(shù)研究[J].中國鐵路，2009(12)：37-40.

[3]上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司.烏魯木齊高鐵站區(qū)配套設(shè)施建設(shè)項(xiàng)目——北廣場(chǎng)及場(chǎng)站配套設(shè)施工程初步設(shè)計(jì)說明[R].上海：上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院（集團(tuán)）有限公司，，2014.

[5]J G J 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

U416.1

B

1009-7716（2017）06-0068-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.06.019

2017-03-01

高勐（1981-），男，上海人，助理工程師，從事道路工程工作。