SDDC樁在深雜填土地基中的應用

吳文濤

(昆明有色冶金設計研究院股份公司 昆明 650051)

0 引 言

工業建筑場地原始地形復雜，特別是分期擴建的建筑，往往因為前期規劃、工藝限制等原因，建筑物無法避讓較寬、較深雜填土場地。某公司在某項目的施工中，因一期建設未充分考慮后續工程建設，焙燒車間、機加工車間總圖位于一期場地平整后較深的雜填土區域，結合現場實際情況，建議設計采用SDDC樁進行地基處理，取得了良好的效果。

1 工程概況

項目位于云南省紅河州，焙燒車間長210 m，寬31 m，預制鋼筋混凝土排架柱廠房，廠房內為1座焙燒爐，主要配備1臺180 t功能天車；機加車間長201 m，寬48 m，為雙連跨鋼結構排架柱廠房，廠房內為機加工設備。

焙燒車間回填區域約長150 m，寬31 m，機加車間回填區約長160 m，寬48 m，見圖1。場區整平堆填形成，平均回填厚度2～14 m。回填區為第四系人工堆積(Q4 ml)層：碎石填土①：青灰色，主要成分為石灰巖，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 地基與基礎分析

該區域為場區整平時堆填形成，現最大堆填厚度約14 m，堆填時間約6年，經過碾壓處理。但受填土成分、填筑質量等因素影響，整體密實度不均勻，易產生差異沉降，不能采用天然地基，須采用地基處理或樁基礎。

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。該方案機械化程度高，施工過程中不需要人工進行鉆桿拆除和組裝，無需進行泥漿清渣處理，施工對地層的適應性較強。旋挖機靠底部帶有活門的筒式鉆頭回轉破碎巖土，并直接將其裝入鉆斗內提升至地面，每分鐘進尺30～50 cm，施工速度快。然而，由于旋挖機鉆進速度快，主要靠切土鉆進，孔壁護壁差，特別在填土和軟土地層容易發生塌孔和縮徑。

方案②：人工挖孔灌注樁。該方案成孔方法簡單，單樁承載力高，施工時無振動、無噪聲，施工設備簡單。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，施工質量可靠。但其勞動條件差，勞動力消耗大，且軟土、回填土易造成孔壁坍塌，施工存在困難及安全問題。

方案③：復合地基處理。因該廠區回填深度超過7 m，強夯、置換強夯處理深度無法滿足最大回填深度，地基處理可采用孔內深層超強夯法(SDDC)。SDDC地基處理全機械化施工，工期速度快，施工安全，可就地取材造價低等優點，成樁直徑大，擠密加固范圍大，樁呈擴大頭+串珠狀。經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30 m以上。

該區域除主廠房外，還有焙燒爐、道路、成片設備區域，地基整體剛度要求高，若采用成孔灌注樁，群數量多，單樁深度大，加之項目當地碎石等原材料充沛，原材料價格遠遠低于混凝土價格，從造價考慮SDDC地基處理經濟性遠優于灌注樁；該區域回填土整體密實度較差，鉆孔易發生孔壁坍塌，尤其是人工鉆孔安全風險較大；根據經驗，SDDC樁地基處理后復合地基承載力特征值可達到600 kPa，完全能夠滿足本項目設計要求。綜合以上分析，該項目采用SDDC樁地基處理為最優方案。

3 工藝簡介

孔內深層超強夯法(Super Down hole Dynamic Consolidation)簡稱SDDC，是用建筑垃圾、雜土、素土、石料、灰土、無毒工業廢料及它們的混合物等為填料，通過孔道將強夯引入到地基深處，用異型重錘對孔內填料自下而上分層進行高動能、超壓強、強擠密的孔內深層強夯樁法作業。孔內的填料沿豎向深層壓密固結的同時對樁周土進行橫向的強力擠密加固，有利于樁與樁間土的緊密咬合。

SDDC樁在成孔過程中，迫使孔內原狀土側向擠出，使樁周一定范圍內的土體受到擠壓、擾動和重塑。在填料時，迫使孔內填料再次側向擠壓孔壁，樁周更大范圍內的土體再次受到擠壓、擾動和重塑，強夯巨大的夯擊能量產生的波和動應力反復作用，迫使土骨架產生塑性變形，從而提高土的密實度和抗剪強度，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。

填入孔內的材料，在高動能、超壓強的夯錘作用下，對材料顆粒瞬間進行了劈裂、壓實及二次排序組合、固結；具有活性的膠結材料在夯擊能量釋放的過程中進行了化學凝固，而且隨著時間推移，強度越高。SDDC工法加固機理見圖2，SDDC樁施工流程見圖3。

4 施工組織

4.1 設計參數

主要設計參數見表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 主要設計參數Tab.2 Main design parameters

擬建場地SDDC樁分遍施工完成，旋挖鉆成孔孔徑1 200 mm，經夯擴擠密后，最終樁徑1 800 mm，夯擊能量2 000～25 000 kN·m。設計樁長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 施工過程

SDDC樁采用旋挖鉆引孔，孔徑1 200 mm，見圖5。樁身填料為現場土夾石材料(前期基坑開挖的土石混合材料)、無機固體建筑垃圾的混合料。SDDC樁施工完成后，表層擾動土進行1 000 kN·m滿夯處理。

(1)機具就位：旋挖機就位后應保持機身垂直穩定，不允許發生傾斜、移位現象。孔位垂直度偏差不應>孔深的2.5 %，成孔中心偏差不應超過樁徑的1/4且≤20 mm。

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

(3)填料和夯擊：填料前應進行空夯或預留一定厚度空夯至處理深度，以保證孔底密實和處理深度滿足設計要求，見圖7。

圖5 旋挖機

圖6 旋挖引孔

圖7 填料夯擊

經質檢確認達到設計深度后，用裝載機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，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，分層夯實直至到樁頂標高以上500～1 000 mm。重錘自動掛(脫)鉤技術：重錘掛(脫)鉤采用遙控器操作的自動裝置，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時，四連桿縱向伸長，橫向收縮；活塞桿下端收縮時，四連桿縱向收縮，橫向伸展。使用時，該裝置插入重錘的內錐型掛桶內，通過裝置自重，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，鉤住掛桶，提起重錘。當提升重錘到預定高度后，操縱電磁閥接通油路，油路一旦接通，四連桿在重錘的強大重力作用下克服彈簧的拉力，使活塞桿下端伸長，四連桿隨之縱向伸長，橫向收縮，重錘隨即落下，彈簧將活塞桿復位，由此實現了自動掛鉤脫鉤。

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)施工機械移位，重復上述步驟進行下一根樁施工。

(5)作好施工記錄，尤其是填料數量與夯填工藝的有關數據的記錄，交接班時應按樁位編號圖進行核對，使記錄與編號一致，以免出現漏樁。

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

(7)滿夯：當按設計要求挖鑿至設計標高，填完褥墊層后，應對場地實施1 000 kN·m低能量滿夯一遍，見圖9。

5 地基檢測

施工完成14天后，豎向增強體及周圍土體物理力學指標基本穩定，采用慢速維持荷載法，用壓重平臺提供反力，以千斤頂加載慢速維持荷載法測試進行試驗，進行復合地基靜載荷試驗，測定復合地基承載力特征值。

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

5.1 復合地基承載力特征值的確定

1)當壓力—沉降曲線上極限荷載能確定，而其值≥對應比例界限的2倍時，可取比例界限；當其值<對應比例界限的2倍時，可取極限荷載的一半；

2)當壓力—沉降曲線是平緩的光滑曲線時，可按相對變形值確定，并應符合下列規定：

(1)對沉管砂石樁、振沖碎石樁和柱錘沖擴樁復合地基，可取s/b或s/d等于0.01所對應的壓力；

(2)對灰土擠密樁、土擠密樁復合地基，可取s/b或s/d等于0.008所對應的壓力；

(3)對水泥粉煤灰碎石樁或夯實水泥土樁復合地基，對以卵石、圓礫、密實粗中砂為主的地基，可取s/b或s/d等于0.008所對應的壓力；對以黏性土、粉土為主的地基，可取s/b或s/d等于0.01所對應的壓力；

(4)對水泥土攪拌樁或旋噴樁復合地基，可取s/b或s/d等于0.006～0.008所對應的壓力，樁身強度>1.0 MPa且樁身質量均勻時可取高值；

(5)對有經驗的地區，可按當地經驗確定相對變形值，但原地基土為高壓縮性土層時，相對變形值的最大值不應>0.015；

(6)復合地基荷載試驗，當采用邊長或直徑>2 m的承壓板進行試驗時，b或d按2 m計；

(7)按相對變形值確定的承載力特征值不應>最大加載壓力的一半。

注：s為靜載荷試驗承壓板的沉降量；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按下式計算

式中：

I0——剛性承壓板的形狀系數(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，粉質粘土取0.38，粘土取0.50)

d——承壓板直徑或邊長(m)；

p——p-s曲線線性段的壓力(kPa)；

s——與p對應的沉降(mm)。

5.3 檢測結果

該工程按規范隨機進行了9組檢測，處理后的復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數據(1#點)進行闡述，相關數據詳見表3-5。

表3 靜載試驗數據表Tab.3 Static test data sheet

序號荷載/kPa歷時/min沉降/mm本級累計本級累計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 靜載試驗數據表Tab.4 Static test data sheet

表5 檢測結果匯總表Tab.5 Summary of test results

6 結 語

孔內深層超強夯法實在綜合了重錘夯實、強力夯實、鉆孔灌注樁、鋼筋混凝土預制樁、灰土樁碎石樁、雙灰樁等地基處理技術的基礎上，吸收其長處，摒棄其缺陷，集高動能、超壓強、強擠密各效應于一體。采用SDDC法處理地基時，可采用廢棄土、建筑垃圾為填料，節省了建筑材料，減小環境污染，而且施工質量及作業安全得到有效保證，尤其是在工業項目單體建筑(構筑)物密集的成片地基處理中，可以達到較好的技術效果和經濟效益。