孔内深层强夯法处治城市道路复杂地基研究

田子泽

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 概况

兰秦快速路宽沟互通立交工程为接入某园区的简易立交，位于兰州市皋兰县忠和镇东南侧，布设于兰秦快速路YK2+352处南北两侧。目前该区域附近将开发为某园区的场地，已被挖山填沟,进行整平处理。填平区最大填筑土厚度为25 m，但压实度不足，大幅沉降导致兰秦快速路YK2+230～300段路面开裂，裂缝最大宽度已超过10 cm，如图1所示。该立交即位于路面开裂段附近，如图2所示。

图1 兰秦快速路路面裂缝

该立交采用相邻象限半直连半苜蓿叶组合式立交。主线等级为城市主干路，设计速度40 km/h，双向4车道；匝道设计速度30 km/h，单向单车道。被交路兰秦快速路为城市快速路，设计速度80 km/h。路基设计最大填土高度为5.2 m。

图2 立交附近地貌

该立交位于陇西黄土高原西北部，地处祁连山山脉东延与陇西沉降盆地间交错的过渡段。地形特征为山川相间，山岭相望，丘壑错综，属黄土丘陵地貌。

平整场地的人工填筑土主要为风积黄土，浅黄色，硬塑～坚硬，厚11～25 m，属Ⅱ级普通土，如图3、图4所示。根据土工试验成果可知，人工填筑土的天然含水率为6.2%～7.2%，干密度为1.2～1.3 g/cm3，孔隙比e为1～1.3，孔隙率n为50.6%～56.1%，承载力为100 kPa，湿陷性等级为中等（II级）。项目区属干旱区，勘探深度内未见地下水出露。

2 待解决问题

平整场地的人工填筑土除压实度不足外，还存在黄土湿陷性和承载力较低的问题。这些问题会导致地基出现较大沉降、沉陷或失稳破坏等，因此，必须对其进行处治。

图3 人工填筑土场地

图4 风积黄土

3 方案比选

结合地质勘察资料，根据相关规范、周边道路建设经验等，对该项目平整场地人工填筑土地基可采用的孔内深层强夯法、强夯、灰土挤密桩、高压旋喷桩及预应力管桩五种方案进行比选。

3.1 方案一：孔内深层强夯法

孔内深层强夯法（down-holedynamic compaction，简称DDC法）是一种深层地基处理方法。该方法先成孔至预定深度，然后自下而上分层填料强夯或边填料边强夯，形成高承载力的密实桩体和强力挤密的桩间土。该方法适用于素填土、杂填土、砂土、粉土、黏性土、湿陷性黄土、淤泥质土等地基的处理，对沙漠、垃圾场以及工业废料场的处理也有明显的效果[1]。

该项目人工填筑土地基采用孔内深层强夯法处理时，桩径采用140 cm，桩长按钻入原地面下不小于1 m控制，桩间距4.2 m，采用等边三角形布置，处理范围为路基坡脚外5 m，桩孔内填料采用素土。桩顶标高以上设置50 cm厚的8%石灰土褥垫层，垫层顶面高出目前地面20 cm。

优点：（1）地基处治深度大、处理彻底，可从根本上提高地基压实度和承载力，并消除湿陷性；（2）桩体用料要求低，易于就地取材，造价较低，经济性好；（3）集高动能、高压强和强挤密效应于一体；（4）处治后的地基承载力高；（5）复合地基压缩模量高，整体刚度均匀，承载性好，沉降变形小；（6）成桩直径大，强夯能量选择范围广，挤密加固区域大，桩体呈串珠状，复合受力好；（7）施工速度快，效率高。

缺点：（1）夯锤在孔内是否完全呈自由落体状对处治效果影响较大；（2）经验性强，理论还有待进一步完善。

3.2 方案二：强夯

该项目人工填筑土地基采用强夯处理时，强夯单点夯击能采用6 000 kN·m，在路基坡脚处采用灰土换填，换填宽度为路基内侧5 m至坡脚外侧5 m范围，然后在路基坡脚外侧设置1 m宽、2 m深的灰土隔水墙。

优点：（1）施工简单、迅速、方便；（2）技术成熟；（3）加固效果好；（4）适用范围广；（5）节省材料；（6）造价低。

缺点：（1）由于该项目人工填筑土厚度较厚，为11～25 m，强夯处治深度有限，不能从根本上解决沉降问题；（2）强夯施工时振动大、噪声大，项目紧邻兰秦快速路，强夯易引起兰秦快速路出现裂缝，影响其运营安全。

3.3 方案三：灰土挤密桩

该项目人工填筑土地基采用灰土挤密桩处理时，桩径采用40 cm，桩长10 m，桩间距1.2 m，等边三角形布置，处理范围为路基坡脚外5 m。桩顶标高以上设置50 cm的天然砂砾垫层。

优点：（1）可就地取材；（2）可用多种施工工艺，设备简单；（3）挤密效果较好；（4）施工速度快；（5）造价低廉。

缺点：（1）灰土挤密桩的处治深度有限，不能从根本上解决沉降问题；（2）对于含水量过大或饱和度大的土不适用。

3.4 方案四：高压旋喷桩

该项目人工填筑土地基采用高压旋喷桩处理时，桩径采用60 cm，桩长按钻入原地面不小于1 m控制，桩间距1.5 m，采用等边三角形布置，处理范围为路基坡脚外5 m。桩顶标高以上设置50 cm的天然砂砾垫层。

优点：（1）有效处治深度深，可达 30 m；（2）处理彻底，可从根本上提高地基承载力、减小沉降，并消除湿陷性；（3）施工期间对兰秦快速路的干扰小；（4）适用范围广；（5）成桩形式多样，可做成水平桩或斜桩；（6）施工便捷，成桩效果好；（7）施工机械体积小，可适用于施工受限的环境。

缺点：（1）施工时需做排污处理，污染环境；（2）工艺较复杂；（3）造价高。

3.5 方案五：预应力管桩（PHC管桩）

该项目人工填筑土地基采用预应力高强混凝土管桩(PHC管桩)进行处治时，桩径统一设计为：外径D为400 mm，内径d为210 mm，桩长按钻入原地面不小于1 m控制；处理范围为路基坡脚外2 m，并保证坡脚外布设一排桩。根据相关规范，经测算，桩间距设计值均采用2 m，梅花状布置，桩顶设置1.2 m×1.2 m×0.35 m的桩帽，桩帽采用C30混凝土现浇。桩顶标高以上设置50 cm的8%石灰土褥垫层。施工采用锤击打入的方式进行。

优点：（1）地基加固处理深度大；（2）处理彻底，可从根本上提高地基承载力、减小沉降，并消除湿陷性；（3）单桩承载力高，处理后地基承载力提高显著；（4）工厂化生产，容易保证质量，成桩质量高，检测方便；（5）复压容易；（6）施工方便，速度快，效率高，工期短；（7）施工期间对兰秦快速路的干扰小。

缺点：（1）由于具有挤土效应，群桩施工时会引起周围地面的隆起及可能使相邻已就位的桩上浮或偏移；（2）甘肃省缺少生产厂家，须从外省购买运输，运距远；（3）造价高。

经综合比选，设计推荐采用方案一，即孔内深层强夯法(DDC法)。

4 技术要求

（1）孔内深层强夯法选用机械钻孔法成孔，孔径1.4 m，孔距4.2 m，呈等边三角形布设；孔内填料就地取材采用黄土，填料粒径应小于（1/10～1/5）成孔直径；桩体压实度不小于97%，桩间土挤密后的平均压实度不小于93%。单桩竖向承载力为1 526 kN，复合地基承载力不小于200 kPa。桩及桩间土的湿陷性全部消除[2]。

（2）施工前需对场地进行碾压或低能量满夯一次，以提高地基承载力，使其不小于120 kPa。

（3）在大面积处治施工前，应选择代表性路段进行处治试验，以确定合理的施工工艺和参数[3]。

5 施工工序及要求

5.1 施工工序

首先对路基处治范围内进行清表，然后碾压或进行低能量满夯，使地基承载力满足要求。之后选择代表性路段进行处治试验，以确定合理的施工工艺和参数，再进行大面积处治。全部处治完成后，进行检测、验收，合格后方可施工桥涵构造物及填筑路基[4]。

5.2 施工要求

（1）成孔及强夯应由外到内至少分两遍间隔进行，严禁一排一排向前施工，同排内应至少间隔1孔进行。

（2）强夯作业前必须对关键性指标进行检查，如成孔直径、孔深、垂直度等，并对孔底进行强夯。桩孔内填料采用素土，主要为风积黄土，也可采用成孔出渣土，但夯实均必须在最佳含水量下进行。根据实验，该项目风积黄土最佳含水量为12.3%[5]。

（3）强夯必须按试验段总结优化后的参数进行实施，并由经验丰富的监理人员全程旁站。

（4）强夯锤应选用橄榄状柱锤或尖锥杆状夯锤。

（5）强夯锤是否呈自由落体状态下落是确保工程质量的关键，除受成孔直径、垂直度影响外，务必确保重锤与桩孔中心对中实施[6]。

（6）未施工完毕的桩井必须及时进行遮盖，桩井周围应夯填土埂，以防止雨水进入，并确保人员安全。

（7）除施工单位自检外，检测应委托具有相关资质的第三方机构进行评定。

（8）褥垫层填筑前应对场地实施低能量满夯一次。

6 结语

（1）孔内深层强夯法是近十几年发展起来的一种深层地基处理技术。它融合了强夯、钻孔灌注桩、挤密桩等传统地基处理方法的优点，具有适用范围广、处治深度大、就地取材、造价相对较低、绿色环保等特点，技术经济效益十分显著，非常值得推广应用。

（2）该项目的桥涵构造物地基也采用孔内深层强夯法一并进行了处治，特别是对于桥梁，采用在处治后的复合地基中设置桩基础的综合方案。不仅解决了人工填筑土和湿陷性黄土厚度大、负摩阻力大、摩阻力低等问题，还大大缩短了桩长，有效降低了工程造价。

（3）目前，孔内深层强夯法的理论研究还落后于工程实践，导致设计中缺乏成熟完善的理论指导，还需要广大工程技术人员在实践中不断总结、研究，使该技术日臻成熟完善。

[1]CJJ 194—2013，城市道路路基设计规范[S].

[2]JTG D30—2015，公路路基设计规范[S].

[3]GB 50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[4]CECS 197:2006，孔内深层强夯法技术规程[S].

[5]颜霆鑫，张凯，司新正.孔内深层强夯在五阜立交地基处理中的应用[J].市政技术，2004，22（2）：88-92.

[6]沈保汉.桩基础施工新技术专题讲座（三十四）孔内深层强夯法和孔内深层超强夯法[J].工程机械与维修，2015（3）：116-121.