孔内深层强夯法(DDC)

DDC技术处理湿陷性黄土应用实例［摘要］DDC技术作为一项新型技术，近年来在大量工程实践中得到应用，其技术经济效益显著。本文结合工程实例，对其技术特点、设计计算及质量检测等进行了论述。［关键词］DDC技术湿陷性黄土渣土桩复合地基1DDC技术及其特点DDC技术，即孔内深层强夯法（down-oledynamiccompaction）,是一种新型深层地基处理方法。该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。DDC渣土桩复合地基（compositesubgradofslag-oilpile）是指用建筑垃圾、杂土、素土、石料、灰土、无毒工业废料及它们的混合物等为填料，以DDC法形成具有较高承载力的复合地基。与其它地基处理方法相比，该技术有以下优势：（1）使用范围广泛，可用于各类地基处理：如深厚层湿陷性黄土、液化土、软弱土、腐蚀性土、不均匀地基及回填垃圾地基等各种复杂建筑场地的处理。（2）用料标准低，就地取材：DDC技术的最大特之一就是对填料要求不严，可就地取材，凡是无机固体材料均可，如土、砂、碎石、建筑垃圾、碎砖块、混凝土块、粉煤灰等工业废料均可加以利用，而且不需要严格加工。（3）具有高动能、高压强和强挤密效应：夯击能可达2000～3000kN·m/m2,为一般强夯压能的5～8倍，根据工程需要可进行调高或降低。（4）地基承载力提高显著：渣土桩fk＝1000～1800kPa，复合地基fk＝200～800kPa，为原天然地基的3～9倍。（5）地基处理深度大：一般处理深度20m左右，最深可达30m。（6）复合地基变形模量大，沉降变形小：变形模量显著提高，承载性状明显，地基变形量大为降低，E0值可达30～40MPa以上。（7）社会经济效益好：该技术具孔内深层强夯的特征，故震动小，噪音低；消除渣土污染；可大量节约钢材、水泥，降低工程造价，一般可降低造价25%～80%以上。作为一项新技术，不仅新颖、独特、地基处理效果好，实用性强，更重要是具有环保意义，单项工程可消纳渣土上万立方米，是典型的绿色工程及经济适用技术。目前该技术在我国华北、华东、东北、西北以及中原地带的各类地基处理中得到应用。洛阳市宏伟世纪大厦采用该技术处理湿陷性黄土地基，亦取得了成功，为在洛阳市推广应用该项新技术积累了经验。本文结合本工程实例，就DDC法的技术特征、设计方法、施工工艺及处理效果等方面进行讨论。2工程概况洛阳市宏伟世纪大厦位于洛阳市凯旋西路，平面呈矩形，55.7m×15.9m，地上14层，地下1层，基底埋深-5m，框架结构，柱底最大轴力9500kN，安全等级为二级。3工程地质条件地基土分为9层，1层为素填土，2层为第四系全新统新近冲洪积（Q42al+pl）形成的黄土状粉土，3层为第四系全新统冲洪积（Q42al+pl）黄土状粉质粘土，4～9层为第四系上更新统冲洪积（Q3al+pl）黄土状土、砂性土及碎石土，地层结构具典型二元结构。2～5层为湿陷性黄土，湿陷系数δs在0.026～0.015之间，属Ⅰ级非自重湿陷性黄土场地，湿陷性土层的下限深度为6层顶面。场地土分层及主要物理力学指标见表。地下水情况：地下水属孔隙潜水，埋藏深度20～21.3m，赋存于7层底部，8、9层中，以大气降水和洛河补给为主，水位年变幅1～3m。4地基处理方案的选择按照“经济可行，方案合理，处理效果好”的原则，设计了4种处理方案进行比较。方案一：人工挖孔灌注桩该方法是比较可靠的地基处理方法，第9层卵石是良好的桩端持力层，该层承载力高，变形小，桩径大小可选择，桩端可扩底，且该桩型在洛阳地区广泛使用，施工经验丰富；但卵石层在水位以下，施工时需采取降水措施，且人工挖孔易发生安全事故，近年来在洛阳地区限制使用。方案二：强夯方案采用8000kN·m能量级重锤强夯。本工程湿陷性黄土厚度19m左右，深浅不均，强夯法处理厚度有限，且场地土多为粘性土层，含水量较高，饱和度在80%～90%之间，易夯成橡皮土，影响施工质量，同时，施工区位于洛阳市繁华地带，强夯施工产生的振动对邻近建筑物产生有害影响，其噪音亦影响居民环境。方案三：灰土挤密桩与CFG桩联合处理方案采用灰土挤密桩处理湿陷性黄土，CFG桩提高地基承载力，此法在洛阳地区应用较多，是处理湿陷性黄土地基的很好方法，但场地土含水量较高，饱和度较高，挤密效果差，且该法施工周期较长。方案四：DDC法（孔内深层强夯法）方案该法既可以解决强夯影响深度不够的问题，又可以避免橡皮土的出现，还可以解决湿陷性及承载力低的问题，同时可以消纳建筑垃圾。由于DDC桩体自下而上的超压强固结桩体及桩间土，所以它的桩径随地基土的软硬而变，一般呈串珠状，地基土越软桩径越大，技术效果越好。采用此法处理后的地基承载力高、变形模量大、刚度均匀，可大幅度降低工程造价，缩短施工工期，且对环境污染非常小。地基处理要求：①复合地基承载力fk≥350kPa；②消除地基土的湿陷性。③复合地基刚度均匀。综合以上四种地基处理方案，对其优缺点及经济效益进行分析，最终确定采用DDC渣土桩复合地基处理方案。5设计计算5.1桩孔直径设计根据成孔机械、施工工艺和场地地质情况确定桩孔直径，一般以350～450mm为宜。土质较软孔径宜偏小，土质较硬孔径宜偏大。本工程采用450mm桩孔直径。5.2桩孔中心距设计桩孔中心距设计从消除土的湿陷性和提高地基土的承载力两方面考虑。（1）为消除土的湿陷性，挤密后桩间土的平均挤密系数不应小于0.93，当按等边三角形布孔时，桩孔中心距可按下式计算：经上式估算桩孔之间的中心距s=1.05m。（2）从提高地基土的承载力考虑，可由复合地基承载力公式得到桩孔中心距表达式，复合地基承载力表达式为：fspk=mfpk+（1-m）fsk（2）m=0.9069d２/s２（等边三角形布桩时）（3）式中：fspk——复合地基承载力特征值（kPa）;fsk——天然地基承载力特征值（kPa）；fpk——渣土桩桩体承载力特征值（kPa）；m——桩土面积置换率；d—桩身平均直径（m）；s——桩孔中心距（m）。实际桩孔中心距由以上两方面综合考虑，并取二者的小值。本工程采用桩孔中心距为1.05m。5.3布桩范围的确定DDC法属夯扩挤密处理方法，处理范围应大于基础底面宽度，以保证地基的稳定性。局部处理通常不考虑防渗隔水作用。工程实践经验表明：对于非自重湿陷性黄土、素填土、杂填土等地基，处理范围每边超出基底边缘的宽度不小于0.25b（b为基础短边宽度），并不小于0.5m。对于自重湿陷性黄土场地，地基处理范围每边超出基底边缘的宽度不小于0.75b，并不小于1m。这样可使基底下被处理的土层不致产生不良的侧向变形。整片处理通常要求具有防渗作用。每边超出建筑物外墙基础边沿的处理宽度应不小于基础局部处理的宽度，通常按压力扩散角或按处理土层厚度的1/2确定，并不应小于2m。本工程采用整片处理，处理范围为每边超出基础边缘4m。5.4桩长设计桩长的设计原则如下：DDC桩由于采用钻孔成孔或用洛阳铲掏孔，因此桩长不受条件限制，考虑到4m以内一般采用较为简便的换填法等处理，故一般大于4m以上均可采用DDC技术进行处理，处理深度一般为4～30m。当以消除地基湿陷性为主要目的时，对非自重湿陷性黄土地基，一般处理至地基压缩层下限，或处理至附加应力与自重应力之和大于湿陷起始压力的全部土层止。当以提高地基承载力为主要目的时，应对基底下持力层范围内的高压缩性（a1-2≥0.5MPa-1）土层进行处理，下卧层顶面的承载力应满足设计要求。当以减少沉降量为主要目的时，可用沉降量控制。沉降的计算按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）复合地基沉降计算部分执行。加固区复合模量可用下式计算：Esp=mEp+（1-m）Es（4）式中：Esp——复合地基加固层复合压缩模量；Ep——桩体变形模量；Es——桩间土变形模量。本工程以处理湿陷性和提高地基承载力为主要目的，桩长穿透湿陷性黄土层，至第7层砾砂顶面，桩长按20m考虑。5.5桩孔填料的选用本工程填料采用建筑垃圾、碎石及少量生石灰，以附近旧房拆除的废料为主。本工程共布置DDC渣土桩1132根，实际有效施工期62d。6地基施工6.1机械成孔成孔方法有钻孔法、沉管法、洛阳铲掏孔法等。本工程采用机械洛阳铲成孔。6.2桩孔夯填孔内深层强夯机（夯实机）实施桩孔夯填。（1）夯实机就位后应保持平整稳定，夯锤对准桩孔中心，并能自由下落至孔底。（2）夯实前先检查孔底，不得掉进杂物，不得有积水和回淤现象，否则应予以清除，填料前先夯实孔底。（3）填料时应按试验确定的填料量进行，每次填料后，必须夯够规定的锤击数后方能进行下次填料。6.3施工顺序DDC桩施工时一般应采用隔行隔列、间隔跳打的方法四遍成孔、成桩，以避免后打孔施工时对已打孔的影响。7质量检测7.1质量检测的方法质量检测视加固目的不同而有所不同，以消除湿陷性为目的，可侧重挤密和消除湿陷性检测，以提高承载力为主可采用静载荷试验进行检测。挤密效果检测可通过现场对不同桩间距的挤密土分层取样，测其干密度和压实系数。对湿陷性黄土，当ηc≥0.93时，可认为已达到消除湿陷性的目的。消除湿陷性的检测也可采取原状土样进行室内试验测定δs值。7.2检测结果（1）土工物理试验探井对桩间土共作6个土工物理检测探井，采取60组原状土样进行室内试验，主要测定γd和δs值。结果表明，DDC法处理后的桩间土ρd在1.59～1.78g/cm3之间，δs值均小于0.007，湿陷性全部消除。（2）静载荷试验本次静载荷试验使用全自动设备，通过100T液压千斤顶施加荷载，共进行了6组试验。其荷载—位移关系（p～ｓ）曲线见图。根据各试验点静荷载试验实测资料绘制的p～ｓ曲线可以看出:本次静载试验6个试验点在荷载作用下均未达到极限状态,比例极限点不易确定,也未出现明显的极限荷载点,按相对变形法取s/d=0.012可判定出各试验点的地基承载力特征值，但判定出的地基承载力特征值均大于最大加载量的一半，故各试验点的地基承载力特征值均按最大加载量的一半判定。最大加载量均为704kPa，即复合地基承载力特征值均为352kPa≥350kPa，满足设计要求。综合两种检测结果，DDC渣土桩复合地基满足设计要求，达到了预期的效果。8结束语DDC技术具有适用范围广、用料标准低、处理效果佳、绿色环保、工程造价低、施工工期短等优势，具有较好的推广价值和应用前景。作为一项新技术，目前尚缺乏成熟的理论指导，应该在实践中不断总结施工经验，推进该项技术的快速发展。在设计时可参考中国工程建设标准CECS197：2006《孔内深层强夯法技术规程》有关规定进行。