道路工程大规模填土坑勘察技术研究

程海陆 韩泽坤 王 涛 逯鹏宇

(北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京 100101)

0 引言

填土是一种常见的特殊性土，在建设工程中经常会遇到规模较大的填土坑，填土一般分为杂填土、素填土、冲填土和压实填土，具有不均匀性、高压缩性、湿陷性、低强度性等性质[1-4]。在道路工程遇多处大规模、成分复杂的填土坑，结合梅市口路工程将垃圾类别细分，将生活垃圾细分为焚烧和未焚烧垃圾，对规范法分类进行补充，根据细分的填土分类，有针对性地对建筑垃圾、焚烧、未焚烧垃圾采取多种处理方式，进而形成一套完整的深大填土坑勘察体系。

1 工程背景

梅市口路道路工程是北京市丰台河西地区与市区联系的主要东西向道路之一，同时也是第九届世界园艺博览会配套市政工程。

工程为城市主干道设计标准，全长8.5 km，东起玉泉路，终点至长兴路。该道路规划标准横断面为三幅路，全宽50 m，其中机动车道三上三下，宽24 m，单侧机非分隔带宽2 m，非机动车道宽5 m，人行步道宽6 m。沿线存在6个大型的填土坑，对线路影响极大，本次取3个典型填土坑进行论述。线路与填土坑位置关系图见图1。

图1 线路与填土坑位置关系图

2 典型填土特点分析

2.1 典型填土成分特点

3个典型填土坑分别位于三个里程区段，各有特点，包括未焚烧生活垃圾、建筑垃圾夹生活垃圾，以及建筑垃圾夹焚烧后垃圾，其填土成分特点见表1。

表1 典型填土成分特点分析

2.2 填土的分布

填土分布主要采用钻探手段查明，钻孔间距10～20 m，辅以等厚线图、三维图说明填土范围及深度，典型填土坑等厚线图、三维地质图、剖面图见图2—图4。

图2 K1+690～K1+840填土坑埋深等值线图

图3 K2+260～K2+920段填土坑三维地质图

图4 k5+140～k5+480段填土坑典型剖面图

2.3 填土的力学性质

填土成分复杂且不均匀，呈欠固结状态，承载力及沉降量不能满足路基设计要求。如果地基处理不当，将会造成管线因不均匀沉降被折断，严重时导致路面坍塌，影响人身安全[5]。典型填土层原位测试指标见表2。

表2 典型填土层原位测试指标

2.4 细化填土分类

线路填土类型多样、成分不一，有建筑垃圾、生活垃圾，有建筑垃圾与生活垃圾混杂，对比未焚烧生活垃圾和已焚烧生活垃圾力学指标，未焚烧生活垃圾离散性极大，极不均匀，而焚烧后生活垃圾测试数据离散性相对较小，经过焚烧后更加均匀。

因此将生活垃圾进行细分类，分为未焚烧生活垃圾和已焚烧生活垃圾，见图5所示。

图5 规范分类与本次补充分类关系图

3 生活垃圾填土地基处理研究

垃圾土中的有机物降解是一个同时进行物理、化学和生物反应的复杂又漫长的过程，一般要持续几十年甚至上百年[6]，随着填埋时间延长，腐化程度加大，垃圾土的结构组分和力学特性将会发生变化[7]。国内生活垃圾一般采取清除后换填，部分采用强夯法取得了一定效果，采用混凝土桩的处理方法极少。本研究根据上述生活垃圾细化分类，尝试采用两种不同的方法进行处理，并分别进行验算分析。针对未焚烧垃圾采用CFG桩+钢筋混凝土盖板，在CFG桩顶植筋与钢筋混凝土盖板相连的方法；对焚烧后生活垃圾采用CFG桩+碎石褥垫层的方式，前者相当于桥梁式跨越法模型，后者相当于桩与填土的复合地基模型[8]。

3.1 CFG桩+混凝土盖板方式

桩端进入卵石地层，桩径为500 mm，桩长9～10 m，桩距1.5 m，梅花形布置，采用C20混凝土灌注，盖板采用C25现浇钢筋砼板，板厚20 cm，宽14.1 m，长150 m，主筋φ25@200，分布筋φ8@200，卵石端阻按3000 kPa考虑，不考虑填土侧摩阻力，按式(1)[9]计算。

Quk=Qsk+Qpk=u∑qsikli+qpkAp

(1)

单桩竖向承载力特征值Ra为294.4 kN。布桩1105根，提供324284.4 kN，提供单位面积反力153.8 kN，大于荷载要求120 kPa。如图6所示。

图6 CFG桩+混凝土盖板(单位：cm)

3.2 CFG桩+桩顶填筑褥垫层方式

桩布置情况与上述相同，褥垫层总厚度为50 cm，根据原位测试数值，垃圾承载力按50 kPa，置换率m为0.1，折减系数β取0.75；根据式(2)[10]计算。

(2)

式中：Ra为单桩竖向承载力特征值，kN；Ap为桩的截面积，m2；β为桩间土承载力发挥系数，按地区经验取0.75；fspk为复合地基承载力特征值，kPa；fsk为处理后桩间土承载力特征值，kPa，本次按50 kPa考虑。

复合地基承载力特征值为184.9 kPa，也满足设计要求。为使受力更加均匀，可加铺1层三向土工格栅(见图7)。

图7 CFG桩及桩顶布置(单位：cm)

4 建筑垃圾填土地基处理研究

4.1 柱锤冲扩桩法试验

4.1.1 试验布置

为了解不同地基处理工艺施工效果，结合现场条件，确定选择2个试验区，平面位置见图8。

图8 柱锤冲扩桩试验区位置图

根据已有施工经验，确定各试验区试验参数见表3，各试验区桩(孔)位平面布置详见图9。

表3 试验区主要参数表

图9 试验区桩位平面布置详图(单位：m)

4.1.2 检测结果

(1)单桩复合地基载荷试验结果

① 试验1区2组单桩复合地基静载荷试验，在最大加载压力作用上，最终沉降量均小于18 mm，因此，fspk≥240 kPa；

② 试验2区2组单桩复合地基静载荷试验，最终沉降量分别为17.51 mm和 17.53 mm，s/b=0.008，对应的压力分别为170 kPa和150 kPa，均满足设计承载力之要求。

试验点号1—107点载荷试验结果见图10。

图10 试验点号1—107荷载试验结果

(2)钻孔波速测试

通过施工前后剪切波速对比分析，可知：

①柱锤冲扩碎石渣土桩施工后，地层等效波速值平均提高19.1 m/s，3孔平均等效波速平均值为187.0 m/s；柱锤冲扩碎石渣土桩及柱锤冲扩灰土桩均在2.0～8.0 m范围内，波速值提高较为明显。

②柱锤冲扩灰土桩施工后，地层等效波速值平均提高37.3 m/s，3孔平均等效波速平均值为201.8 m/s；柱锤冲扩灰土桩比柱锤冲扩碎石渣土桩地层等效波速值提高幅度略高，桩间土挤密效果略好。

试验2区1点波速结果见图11。

图11 试验2区1点波速试验结果对比

(3)重型动力触探

①渣土碎石桩施工后，锤击数平均提高1.9，三孔平均值达到8.0击。

②灰土桩施工后，锤击数平均提高1.5，三孔平均值达到8.0击。

4.2 换填法试验

4.2.1 试验布置

检验砂石质量→分层铺筑砂石→洒水→夯实或碾压→找平验收。

对级配砂石进行技术鉴定，将砂石拌和均匀，分层铺筑砂石，铺筑砂石的每层厚度不超过40 cm，分层厚度用样桩控制。

4.2.2 检验结果

a.换填地基平板载荷试验测试，最终沉降量为12.25～15.35 mm；

b.换填地基竖向抗压承载力特征值满足不小于120 kPa设计要求。

换填碾压地基某点载荷试验结果见图12。

图12 荷载试验p-s曲线

4.3 注浆法试验

4.3.1 试验布置

加固材料：水泥浆(水灰质量比0.5)；

孔位布置：间距1.8 m，正三角形布置；

注浆孔参数：直径130 mm，长度约8.5 m；

试验规模：5孔×5孔。

试验区孔位平面布置详见图13。

图13 试验区注浆孔位布置(单位：m)

4.3.2 检验结果

a.试验点边缘区重力触探击数前后增长不明显，中间区略有增长，平均增长2～3击；

b.试验中间区检验结果比边缘区检验结果较好。

4.4 试验研究对比分析

(1)以建筑垃圾为主的填土坑，柱锤冲扩桩法与换填法基本都能满足设计及施工要求。

(2)从充填材料来源分析，柱锤冲扩渣土碎石桩的施工材料方便易取，现场即可解决部分，如采用柱锤冲扩桩法，可采用柱锤冲扩渣土碎石桩，并适当提高桩的置换率，桩间距建议取1.4～1.5 m。

(3)当采用换填法时，由于填土坑较深，后期有长期沉降的影响存在，建议增加换填厚度，换填前进行预碾压，碾压采用大吨位震动碾压法。

(4)特殊地段采用注浆工艺，注浆孔间距可适当减小，施工顺序应由外围向中心注浆。

5 结论

(1)根据填土成分、规模大小进行分类，将填土类型按区域、按成分分别进行细化，将生活垃圾划分为焚烧后垃圾与未焚烧垃圾，提供了下一步针对性的地基处理的依据，也可作为规范分类的补充。

(2)根据细化后的填土分类，通过不同的地基处理方法研究，从成本、进度、效果对比各种处理方法，并根据填土种类以及对应不同构筑物进行分别处理，采取有区别的处理方式，快速高效经济。

(3)现今大部分程序勘察和地基处理是分离的，在勘察过程中极少做地基处理研究，如果将二者有机地结合，当遇到大范围不良地质和特殊性土，进行一些地基处理研究，不但能极大地完善勘察报告，对设计也更有指导意义，是今后勘察走向的一种趋势。