孟慶龍，劉明華，楊光昌

(1.北京市政建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司第二工程處， 北京 102600；2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

隨著我國城市化進(jìn)程的推進(jìn)，建筑行業(yè)得到了快速發(fā)展，同時(shí)也產(chǎn)生了大量的建筑垃圾。大部分建筑垃圾直接被運(yùn)到城市郊區(qū)進(jìn)行堆放或掩埋，形成建筑垃圾雜填土。建筑垃圾雜填土一般是由渣土、廢舊磚石、廢舊混凝土以及其他廢棄物組成，是一種成分多樣、顆粒尺寸懸殊、顆粒間孔隙大的特殊土[1]。隨著城市向周邊的開發(fā)拓展，為充分利用土地，很多建(構(gòu))筑物需要在建筑垃圾雜填土上進(jìn)行基礎(chǔ)施工。因此，建筑垃圾雜填土地基處理技術(shù)的研究，尤其針對(duì)是深厚垃圾雜填土，是很有必要的[2-3]。

因建筑垃圾雜填土地基結(jié)構(gòu)形式復(fù)雜、不確定性因素多以及力學(xué)特性復(fù)雜的特點(diǎn)，極大增加了地基處理的難度，并且國內(nèi)外的可借鑒的處理案例也相對(duì)較少。國內(nèi)外一些學(xué)者在建筑垃圾雜填土地基處理方面進(jìn)行了大量研究。比如，Gomes等[4]通過對(duì)建筑垃圾土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn)，確定了抗剪強(qiáng)度參數(shù)，并建立了建筑垃圾土剪切強(qiáng)度理論的框架。朱德良等[1]介紹了高壓旋噴樁加固深厚建筑垃圾雜填土地基處理方法，并通過單樁和復(fù)合地基靜載荷試驗(yàn)，驗(yàn)證了該方法加固效果。江立群[5]采用強(qiáng)夯置換碎石法對(duì)雜填土地基進(jìn)行處理，并開展了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證了加固效果。李玉龍[6]詳細(xì)論述了壓密注漿在深厚雜填土場(chǎng)地作止水帷幕的原理及適用性。劉渤等[7]以北京某工程實(shí)例，對(duì)雜填土地基危害進(jìn)行了分析，并詳細(xì)介紹了地基處理的設(shè)計(jì)計(jì)算與施工方法。陳德勇等[8]介紹了采用強(qiáng)夯法對(duì)雜填土地基進(jìn)行處理。肖西衛(wèi)等[9]結(jié)合鐵路站場(chǎng)工程實(shí)例，研究了渣土樁加固雜填土地基的作用機(jī)理，并通過與雜填土注漿處理方案對(duì)比，說明了渣土樁在處理大面積雜填土地基中的優(yōu)勢(shì)。夏長華[10]通過對(duì)比分析不同深厚雜填土地基處理方法，給出了優(yōu)選方案，并利用ANSYS數(shù)值軟件對(duì)雜填土地基的處理的效果進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。

此外，一些學(xué)者通過二元樁的方式進(jìn)行雜填土地基加固，應(yīng)用較多是碎石樁聯(lián)合CFG樁。比如，曾華健等[11]分析了強(qiáng)夯碎石樁聯(lián)合CFG樁復(fù)合地基的加固機(jī)理，并通過有限元軟件模擬分析了對(duì)地基處理后的沉降和差異沉降情況。劉強(qiáng)等[12]分析了CFG樁和強(qiáng)夯碎石樁的復(fù)合地基作用機(jī)理,通過數(shù)值模擬與工程實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析了多樁型復(fù)合地基的沉降特性。柱錘沖擴(kuò)樁法是一種較為新型的地基處理方法，其應(yīng)用領(lǐng)域正逐步擴(kuò)大[13-14]，并且柱錘沖擴(kuò)樁聯(lián)合CFG樁的地基加固方法，具有處理效果好、工程造價(jià)低廉等特點(diǎn)，在濕陷性黃土地基得到了成功應(yīng)用[15-16]。

與其他特殊地基處理的研究相比，建筑垃圾雜填地基處理的研究和應(yīng)用相對(duì)較少。本文結(jié)合北京某水工構(gòu)筑物地基加固工程，探討了柱錘沖擴(kuò)樁聯(lián)合CFG樁在深厚建筑垃圾雜填土地基處理中的應(yīng)用效果。該工程首次采用柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁二元樁聯(lián)合處理深厚垃圾雜填土地基，由于施工場(chǎng)地內(nèi)垃圾土層較厚，不確定性因素多，施工復(fù)雜，目前兩種施工工藝同時(shí)應(yīng)用于處理垃圾雜填土地基基礎(chǔ)尚無成熟的經(jīng)驗(yàn)案例可借鑒。因此，探索總結(jié)柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁二元樁施工技術(shù)對(duì)推動(dòng)該方法應(yīng)用于水工構(gòu)筑物地基基礎(chǔ)具有積極的創(chuàng)新意義。本文通過FLAC3D軟件數(shù)值模擬分析了該地基處理方法的應(yīng)用效果及適用性，可為其他深厚建筑垃圾雜填土地基處理設(shè)計(jì)與施工提供借鑒。

1 工程概況

亦莊水廠工程地處北京市大興區(qū)，位于南五環(huán)以南，南海子公園東側(cè)；西側(cè)緊鄰南北向的榮京西街，東側(cè)為現(xiàn)況亦莊西十八號(hào)路，南側(cè)緊鄰黃亦路；亦莊水廠工程規(guī)劃占地面積約48.8萬m2，其中一期工程總用地16.2萬m2，廠區(qū)為較規(guī)則的四邊形，南北向長約407 m、500 m，東西向?qū)捈s367 m。其中，機(jī)加池分東、西2個(gè)系列，每系列設(shè)6座，四周為鋼筋混凝土框架結(jié)構(gòu)，對(duì)稱布置，每系列機(jī)加池平面尺寸106.8 m×79.0 m。機(jī)加池屬于半地下式圓形儲(chǔ)水構(gòu)筑物，采用上部?jī)?nèi)直徑29.0 m，下部?jī)?nèi)直徑17.4 m的現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)形式。擬建場(chǎng)為荒地，場(chǎng)地大部分較為平坦，場(chǎng)地東側(cè)基本為原地貌，西側(cè)為近期人工堆填的雜填土、建筑垃圾等。建筑垃圾雜填土位于地表層，整個(gè)場(chǎng)地內(nèi)均有分布，厚約0.4 m～18.6 m。西側(cè)機(jī)加池場(chǎng)地部分有大面積厚度較深的垃圾雜填土層，約為12 m。其中，北側(cè)2個(gè)機(jī)加池下垃圾雜填土層較薄，采用CFG樁進(jìn)行處理。由于南側(cè)4個(gè)機(jī)加池下面有較厚的垃圾雜填土，采用柱錘沖擴(kuò)樁聯(lián)合CFG樁進(jìn)行地基加固，樁基分布如圖1所示。

圖1 二元樁平面布置圖

本文主要針對(duì)表層含有深厚垃圾雜填土的南側(cè)西系機(jī)加池的地基處理進(jìn)行研究，如圖2所示。其中，柱錘沖擴(kuò)樁的CFG樁長為20 m，柱錘沖擴(kuò)樁樁長為12 m，樁間距1.8 m，樁徑0.6 m，方形布置，樁身采用雜填土及5%水泥。CFG樁長為20 m，樁間距1.8 m，樁徑0.6 m，方形布置，并與柱錘沖擴(kuò)樁位置交叉，樁身采用C30混凝土。樁頂設(shè)300 mm厚中粗砂褥墊層。場(chǎng)地的工程地質(zhì)狀況復(fù)雜，據(jù)現(xiàn)場(chǎng)鉆探測(cè)試資料及土工試驗(yàn)資料，地層從上往下依次為垃圾雜填土、圓礫、細(xì)砂、黏質(zhì)粉土、粉質(zhì)黏土，雜填土厚度約為12 m，相關(guān)的地層參數(shù)見表1。其中，E為彈性模量，ν為泊松比，φ為內(nèi)摩擦角，c為黏聚力。

圖2 二元樁地基加固剖面圖

表1 土層的物理力學(xué)指標(biāo)

2 加固機(jī)理分析

垃圾雜填土地基先進(jìn)行柱錘沖擴(kuò)樁的施工，而后進(jìn)行CFG樁施工，樁點(diǎn)布置圖如3所示。柱錘沖擴(kuò)樁采用強(qiáng)夯置換法的加固原理對(duì)樁間土進(jìn)行加固，相對(duì)于其他復(fù)合地基加固效果要好。在錘擊成孔及成樁過程中，通過對(duì)原狀土的動(dòng)力擠密、強(qiáng)力夯實(shí)、動(dòng)力固結(jié)、充填置換(包括樁身及擠入樁間土的骨料)、生石灰的水化和膠凝等作用，使軟弱地基土得到加固。CFG樁是一種可調(diào)節(jié)強(qiáng)度樁，介于剛性樁與柔性樁之間，主要通過樁的擠密作用來改善地基承載力和減少沉降，并且水泥的膠結(jié)作用可有效的發(fā)揮樁的側(cè)阻作用。在柱錘沖擴(kuò)樁-CFG樁二元樁復(fù)合地基中，柱錘沖擴(kuò)樁和CFG樁各自發(fā)揮著不同的作用，具體加固機(jī)理包括以下幾個(gè)方面：

(1) 置換效應(yīng)：在垃圾雜填土地基處理工程中，采用柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁二元樁復(fù)合地基處理技術(shù)，用高強(qiáng)度的樁體材料置換結(jié)構(gòu)復(fù)雜的垃圾雜填土，使地基承載能力得到提高。

(2) 動(dòng)力夯實(shí)擠密效應(yīng)：在進(jìn)行柱錘沖擴(kuò)樁和CFG樁施工時(shí)，對(duì)樁間土進(jìn)行了不同程度的擠密、振密，尤其是柱錘沖擴(kuò)樁沖孔及填料成樁過程中對(duì)樁底及樁間土的夯實(shí)擠密作用(二次擠密)，可有效減小垃圾雜填土孔隙率，消除液化現(xiàn)象，使地基土變得更加密實(shí)，從而提高地基承載力得到提高，減小沉降量。

(3) 咬合抱緊效應(yīng)：樁體在施工擠密過程中，往往形成串珠狀體，有利于樁與樁側(cè)土的緊密“咬合”，增大了側(cè)壁摩阻力，使加固后的樁與樁間土形成一個(gè)密實(shí)整體。樁周土受到的側(cè)向強(qiáng)力擠密應(yīng)力，成樁后慢慢釋放，對(duì)樁體產(chǎn)生很大的側(cè)向約束的“抱緊”作用，使樁體具有剛性或柔性樁的特點(diǎn)。

(4) 固結(jié)排水作用：柱錘沖擴(kuò)樁為散體材料樁，方便地基土的排水，可加快施工引起的超孔隙水壓力的消散，從而加速地基土的固結(jié)。

(5) CFG樁的護(hù)樁效應(yīng)：因?yàn)橹N沖擴(kuò)樁是散體材料樁，其承載力的大小取決于樁周土對(duì)樁體約束力的大小。在柱錘沖擴(kuò)樁復(fù)合地基中置入CFG樁，使樁間土進(jìn)一步被擠密，相當(dāng)于在柱錘沖擴(kuò)樁周邊施加了一個(gè)額外的側(cè)向約束，保護(hù)樁體不因膨脹而破壞，使柱錘沖擴(kuò)樁的承載力得到更好的發(fā)揮，從而使復(fù)合地基承載力進(jìn)一步提高。此外，利用CFG樁的整體性，滿足了地基承載力與沉降的要求。

圖3 樁點(diǎn)布置圖(單位：mm)

這兩種樁的組合應(yīng)用，既能滿足承載力與沉降的要求，又可以充分發(fā)揮柱錘沖擴(kuò)樁的排水、擠密的功能，加速固結(jié)。同時(shí)CFG樁加強(qiáng)了地基土的整體強(qiáng)度，增大了樁間土的密度以及柱錘沖擴(kuò)樁的側(cè)向應(yīng)力，從而可防止柱錘沖擴(kuò)樁樁體的膨脹破壞。

3 數(shù)值分析

3.1 計(jì)算模型

以采用柱錘沖擴(kuò)樁聯(lián)合CFG樁進(jìn)行地基處理的西系南側(cè)某一機(jī)加池為研究對(duì)象進(jìn)行建模分析。整體模型的長和寬取相應(yīng)方向機(jī)加池尺寸的3倍，深度方向取CFG樁長的2.5倍，地基土采用摩爾-庫侖彈塑性模型的實(shí)體單元表示，選用適當(dāng)?shù)谋緲?gòu)模型是數(shù)值計(jì)算的關(guān)鍵[17]。褥墊層以及上部的機(jī)加池底板采用材料屬性為Elastic各項(xiàng)同性彈性模型的實(shí)體單元表示，褥墊層厚度為0.3 m，底板厚度為0.7 m，采用C30混凝土。柱錘沖擴(kuò)樁采用Elastic各項(xiàng)同性彈性模型的實(shí)體單元進(jìn)行模擬，CFG樁采用Pile結(jié)構(gòu)單元模擬，樁基模型如圖4所示。Pile樁結(jié)構(gòu)單元參數(shù)的取值參考文獻(xiàn)[18-19]中的方法，如表2和表3所示。對(duì)于實(shí)體單元模型，節(jié)點(diǎn)共有三個(gè)自由度，底面節(jié)點(diǎn)x、y、z方向位移固定，垂直x軸的兩側(cè)面限制其x方向的位移，垂直y軸的兩側(cè)面限制其y方向的位移，模型頂面為自由面。樁在豎直方向上的旋轉(zhuǎn)通過約束Rz來限制。機(jī)加池以均布荷載的形式施加到底板上，總體模型圖如圖5所示。

表2 樁基計(jì)算參數(shù)

表3 樁單元耦合彈簧參數(shù)

圖4 樁基模型圖

圖5 整體模型圖

3.2 計(jì)算過程

根據(jù)相應(yīng)的實(shí)際工程情況開展數(shù)值模擬計(jì)算，具體計(jì)算過程如下：(1) 初始地應(yīng)力平衡。地基土模型建立完后，求得在自重應(yīng)力作用下，地基土的初始地應(yīng)力場(chǎng)；(2) 基坑開挖。由于基礎(chǔ)埋深較淺，進(jìn)行一次性開挖，計(jì)算開挖后的地層位移場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)。(3) 施做柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁基礎(chǔ)，以及褥墊層和底板；(4) 施加作用荷載。

為了體現(xiàn)二元樁處理地基的優(yōu)勢(shì)，設(shè)置只采用CFG樁進(jìn)行地基處理的情形作為對(duì)照組進(jìn)行對(duì)比分析。數(shù)值模擬主要分析兩種地基處理形式的沉降變化以及樁的受力情形，從而說明采用柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁二元樁處理垃圾雜填土地基的有效性及優(yōu)勢(shì)。

3.3 模擬結(jié)果分析

(1) 整體沉降分析。圖6給出采用二元樁模型的總沉降云圖。由于將上部荷載簡(jiǎn)化為圓形均布荷載，模型整體沉降呈現(xiàn)出從中間大，四周小的“盆形”分布，最大沉降位于中心部位，沉降量可達(dá)13.0 mm，與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相近。圖7給出了兩種地基處理情形距離地基中心不同處的地基表面沉降值大小，可以看出，兩種樁基礎(chǔ)形式的沉降從地基中心向四周逐漸減小，并呈對(duì)稱分布。采用二元樁的情形，機(jī)加池地基最大沉降差約為3.2 mm。只采用CFG樁的情形，整體最大沉降達(dá)17.8 mm，比二元樁處理方式沉降多出近5 mm。同時(shí)機(jī)加池下不均勻沉降達(dá)5.4 mm。可以看出，采用二元樁處理垃圾雜填土地基不僅有效的控制了整體沉降量，還減小了機(jī)加池的不均勻沉降。

圖6 整體沉降云圖(單位：m)

圖7 地基表面離地基中心不同處的沉降

二元樁模型整體沉降剖面圖如圖8所示，可以看出，樁間土的總體沉降值較大，說明其壓縮量不是很大，土層壓縮主要發(fā)生在樁底端處，并可以明顯看出沉降值的變化，具體沉降壓縮量如圖9所示。CFG樁長為20 m，可以看出，樁間土壓縮量較小，地基土壓縮量主要發(fā)生在樁底端下土層，約占總沉降的93%，樁間土經(jīng)過二元樁的處理，其壓縮量較小，只占總沉降的7%。

圖8 整體沉降剖面云圖(單位：m)

圖9 地基土壓縮量發(fā)展圖

只采用CFG樁情形與二元樁情形相比，垃圾雜填土層(深度12 m范圍)樁間土產(chǎn)生較大的壓縮量，約為3 mm，與其壓縮系數(shù)較大有關(guān)。壓縮量也是從CFG樁底端開始迅速增大，樁底端20 m內(nèi)(-20 m～-40 m)的壓縮量占總沉降量的59%，也是隨著深度逐漸減小?？梢钥闯?，二元樁處理方法可以減小垃圾雜填土層的壓縮量，并更有效地將上部荷載通過CFG樁傳遞到持力層上。

(2) 樁基沉降分析。圖10分別給出了柱錘沖擴(kuò)樁與CFG樁的樁基沉降云圖，以及總的樁基沉降云圖?？梢钥闯觯c地基土的沉降發(fā)展類似，同樣也是中間樁沉降大，四周樁沉降較小。由于柱錘沖擴(kuò)樁采用建筑垃圾進(jìn)行回填夯實(shí)，為散體材料樁，柱錘沖擴(kuò)樁提高了整體復(fù)合地基的承載能力，有效的減小了地基沉降。本算例采用實(shí)體結(jié)構(gòu)單元來對(duì)其進(jìn)行模擬分析，因此可以將柱錘沖擴(kuò)樁及其樁間土看成復(fù)合地基，可對(duì)該復(fù)合地基進(jìn)行分析。最大沉降發(fā)生在復(fù)合地基中間，約為13.0 mm。CFG樁采用結(jié)構(gòu)樁單元(Pile)進(jìn)行模擬，其沉降同樣也是中間大，四周小，最大沉降發(fā)生在中間樁，約為12.4 mm，如圖10(a)所示。只采用CFG樁樁基礎(chǔ)整體沉降云圖如圖10(b)所示。可以看出，兩種情形的沉降分布規(guī)律相似，只采用CFG樁樁基礎(chǔ)較二元樁情形發(fā)生較大的沉降量，沉降量約多出2.0 mm。

圖10 兩種樁基礎(chǔ)形式的樁基沉降云圖(單位：m)

(3) 樁基受力分析。柱錘沖擴(kuò)樁及樁間土復(fù)合地基的豎向應(yīng)力云圖如圖11所示?？梢钥闯觯瑥?fù)合地基所受豎向應(yīng)力隨深度方向增大，在段底端部位所受應(yīng)力最大，約為227 kPa。圖12給出了兩種樁基礎(chǔ)形式的CFG樁樁軸力云圖，與上述沉降規(guī)律相對(duì)應(yīng)，樁軸力分布規(guī)律為角樁最大，邊樁次之，內(nèi)部中心樁最小。群樁的荷載傳遞過程不同于單樁，不同位置處承載力的發(fā)揮是不同步的。由于上部樁間土的壓縮，限制了樁土的相對(duì)移動(dòng)，樁端阻力起主要作用。隨著荷載的不斷增大，樁身下部的側(cè)摩阻力開始發(fā)揮作用，并隨著沉降的增大，上部側(cè)摩阻力也開始發(fā)揮作用。由于沉降為中間大，四周小，角樁的側(cè)摩阻力最早發(fā)揮作用，而中心樁的承載以端阻力為主[20]。

圖11 柱錘沖擴(kuò)樁軸向應(yīng)力云圖 (單位：Pa)

只采用CFG樁樁軸力云圖如圖12(b)所示。與二元樁情形相比，不同樁之間樁軸力的差值增大，樁頂最大樁軸力值為410 kPa，而最小樁頂軸力僅為6 kPa。而采用二元樁情形，最大樁頂軸力約為344 kPa，最小樁頂軸力為41 kPa。這不僅減小了最大樁頂軸力值，還減小了不同樁之間受力差值，從而可更好的發(fā)揮群樁的作用。此外，二元樁樁端軸力的值較僅采用CFG樁的情形要小，從而使側(cè)摩阻力得到更好的發(fā)揮。

圖12 兩種樁基礎(chǔ)形式CFG樁樁軸向應(yīng)力云圖 (單位：Pa)

CFG樁的彎矩云圖如圖13所示，可以看出，彎矩最大值發(fā)生在樁的中間部位，樁兩端彎矩較小，并且角樁和邊樁的彎矩值大于中間樁，因此，施工時(shí)應(yīng)注意增加樁中間部位的配筋。只采用CFG樁情形與二元樁情形相比，最大樁彎矩值增大，樁身不同位置處的彎矩差值增大。

(4) 二元樁處理垃圾雜填土的優(yōu)勢(shì)說明。通過對(duì)兩種地基處理方式的模擬分析可知，采用柱錘沖擴(kuò)樁聯(lián)合CFG樁處理垃圾雜填土地基的方式表現(xiàn)出明顯的優(yōu)越性，具體體現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：(1) 減小了總體的地基以及樁基礎(chǔ)沉降值；(2) 減小了機(jī)加池的不均勻沉降；(3) 減小了樁軸力值，并能充分發(fā)揮各樁的作用，荷載分配更為均勻；(4) 減小了樁的最大彎矩值。

圖13 兩種樁基礎(chǔ)形式CFG樁的彎矩云圖(單位：N·m)

4 結(jié) 論

本文結(jié)合實(shí)際工程，通過數(shù)值模擬分析了柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁二元樁復(fù)合地基處理法處理深厚垃圾雜填土地層的應(yīng)用效果，并通過與只采用CFG樁的情形進(jìn)行了對(duì)比分析，體現(xiàn)出二元樁處理垃圾雜填土地基的優(yōu)勢(shì)。

(1) 機(jī)加池沉降規(guī)律一般表現(xiàn)為中間大，四周小的"盆形分布"。柱錘沖擴(kuò)樁+CFG樁二元樁基礎(chǔ)可有效提高地基的承載力，降低了地基的整體沉降和不均勻沉降。

(2) 樁間土壓縮量較小，地基土壓縮主要集中在樁端以下的土層，其壓縮量約占基礎(chǔ)總沉降量的80%。柱錘沖擴(kuò)樁增強(qiáng)了垃圾雜填土地層的整體承載力，減小了樁間土的沉降。

(3) 采用二元樁處理方法，減小了CFG樁軸力值以及最大彎矩值，并能充分發(fā)揮各樁的作用，荷載分配更為均勻。