随着我国城市化进程的推进,城市建设产生的建筑垃圾也在与日俱增,包括土地开挖渣土、违建拆除、棚户区改造、旧城改造产生的大量碎砖、碎石、碎混凝土等建筑废弃物; 此外,地震等灾害也会产生大量的建筑垃圾 ^[1]。

　　 据统计,我国建筑垃圾的数量已经占到城市垃圾总量的30%～40% ^[2],传统的处置方法是将建筑垃圾直接填埋处理,造成资源浪费和土地占用。当前我国建筑垃圾的资源化利用率不足5%,而在欧美发达国家和地区可达90%以上,韩国甚至达到97%以上 ^[3]。以往我国对建筑垃圾的资源化利用研究主要集中在基于不同骨料尺寸的再生砖 ^[4,5]、再生混凝土构件 ^[6,7,8]以及市政道路工程应用 ^[9,10,11]等方面。

　　 随着城市开发的不断拓展,以建筑垃圾为主的杂填土地基越来越多。建筑垃圾杂填土往往物质成分复杂、颗粒尺寸悬殊、颗粒间孔隙大、填土厚度不均,增加了地基处理难度。在建筑垃圾地基处理研究方面,赵航 ^[12]分析了建筑垃圾处理后作为地基填料以及颗粒不同来源、不同配比的变形规律和强度特性。张利军 ^[13]通过分选、分拣及破碎将建筑垃圾渣土加工为路基填筑再生料,然后通过模型试验确定了路基填筑施工的技术参数,并采用静载荷试验和旁压试验进行了路基强度和变形检验。Henzinger和Heyer ^[14]采用将建筑垃圾回收骨料加入土体,作为改善地基承载力、压实特性的方法,在室内试验取得了较好的效果。邓尤贵 ^[15]通过细长锤夯击成孔,桩端形成复合载体后放置钢筋笼灌注混凝土成桩的载体桩施工工艺,有效解决了杂填土地基基础高差较大的施工难题。江立群 ^[16]采用高能级强夯置换对重庆地区人工挖石杂填土地基进行处理,将处理后的地基作为持力层,并采用动力触探试验和瑞利波检测等原位测试方法验证了加固效果。对比其他特殊土地基处理研究,目前关于建筑垃圾杂填土地基处理的研究及其应用相对较少。

　　 本文结合闽北地区某建筑工程项目,探讨高压旋喷桩在深厚建筑垃圾杂填土地基处理中的应用,通过试桩检验加固效果,并以此为依据制定施工工艺和控制标准,可为其他深厚建筑垃圾杂填土地基处理设计与施工提供借鉴。

　　 该工程项目位于福建省武夷山市,工程总用地面积115 280.58m²,总建筑面积130 052.97m²,其中地下建筑面积66 000m²,由1～4层建筑群及附属设施组成。拟建场地东侧为居民区,北侧、南侧现均为空坪; 西侧为防洪堤,堤下为崇阳溪,防洪堤与拟建建筑边线距离大于40m。场地属河床冲洪积地貌,原为荒地和工程砂石采料场; 地势低、地面起伏大,场地填土到设计标高需土方约46万m³。因此建设方开放场地、吸收周边建筑垃圾和弃土,并对混凝土结构梁等大尺寸建筑垃圾进行破碎处理后在一年内将场地回填至设计标高,既解决了建筑垃圾处理问题又节省了填土、石料等一大笔工程费用。场地内软弱土层主要为杂填土层,颗粒变化大、孔隙大、均匀性差,局部地段分布厚度较大,土层中分布较多碎块石等。未整平的建筑垃圾杂填土地基如图1所示。

　　 根据工程地质勘察报告,场地岩土分层及主要特征见表1。各岩土层物理力学性质指标见表2。

　　 场地的地下水主要为松散层孔隙潜水及基岩风化带孔隙、裂隙潜水。松散层孔隙潜水主要赋存于①杂填土层、③细砂层和④卵石层中,基岩孔隙裂隙潜水主要赋存于⑤中风化砂砾岩层中。混合稳定水位埋深约在3.17～9.25m,受季节性变化影响,场地常年水位变化幅度约为1.00m。

　　 该工程地基基础设计等级为乙级,对沉降变形的敏感度为一般,场地杂填土层厚4.10～9.80m,平均厚度6.2m,要求处理后的地基承载力特征值不低于140kPa。

　　 建筑垃圾杂填土地基与一般场地存在较大差别,新近回填、成分多样、颗粒不均、结构复杂,处理难度大,且国内外可借鉴案例相对较少。因此,选用合适的地基处理方法,满足地基设计强度、承载力和经济性要求,是建筑垃圾杂填土地基处理的关键。结合本场地条件与地层特点,几种可能的地基处理及基础方案的分析如下:

　　 (1)建筑垃圾杂填土地基成分多样、颗粒不均,骨料虽强度较高但骨料之间存在大量空隙,若仅做机械压实处理,随时间推移和雨水渗入等易产生不均匀沉降,严重影响后期使用。

　　 (2)若采用强夯法,场地东侧居民区土层处理后易松散; 且地下水活动使细粒土流失,易引起地基下陷等问题。

　　 (3)若采用人工挖孔桩或钻孔灌注桩,因土层松散且地下水丰富,回填土松散,易产生坍孔; 预制桩则因建筑垃圾杂填土地基成分复杂、颗粒尺寸较大造成贯入困难,且造价较高。

　　 (4)高压旋喷桩通过钻杆将喷嘴下放到一定深度,利用高压水泥浆冲击切割土体、同时旋转上升,将切割土体和水泥浆充分拌合,形成高强度的柱状加固体,具有加固体强度高、加固效果均匀、费用较低、施工工艺简单、工期较短等优点 ^[17],对于此类松散的建筑垃圾杂填土地基具有较强针对性。

　　 综上分析,该项目拟采用独立基础,杂填土地基拟采用高压旋喷桩加固处理。典型区域的高压旋喷桩与独立基础平面图如图2所示,地基基础剖面图如图3所示。

　　 根据建筑垃圾杂填土地基现状,结合《建筑地基基础设计规范》(GB 50007—2011) ^[18]、《建筑地基处理技术规范》(JGJ 79—2012) ^[19]、相关图纸、设计文件和勘察报告,初步提出以下设计参数,并在施工过程中不断优化。

　　 设计桩径为500mm,桩进入卵石层深度不小于0.5m,桩端持力层为④卵石层。增强体单桩承载力特征值R_a按式(1)估算:

　　 $R{}_{\text{a}}=u{}_{\text{p}}{\displaystyle \sum _{i=1}^{n}q}{}_{\text{s}i}l{}_{\text{p}i}+\alpha {}_{\text{p}}q{}_{\text{p}}A{}_{\text{p}}(1)$

　　 式中:u_p为桩的周长,m; q_si为桩周第i层土的侧阻力特征值,kPa,按地区经验确定; l_pi为桩长范围内第i层土的厚度,m; α_p为桩端端阻力发挥系数,按地区经验取1.0; q_p为桩端端阻力特征值,kPa,对于旋喷桩,应取未经修正的桩端地基土承载力特征值; A_p为桩的截面面积,m²。

　　 由桩身材料强度确定的单桩承载力特征值按式(2)计算:

　　 $R{}_{{\text{a}}^{\prime }}=\eta f{}_{\text{c}\text{u}}A{}_{\text{p}}(2)$

　　 式中:f_cu为与桩身水泥土配比相同的室内加固土制成的边长为70.7mm立方体试块在标准养护条件下90d龄期的抗压强度平均值,kPa; η为桩身强度折减系数,按湿法取0.3。

　　 取1 100mm×1 100mm方形布桩,增强体复合地基承载力特征值f_spk按式(3)估算:

　　 $f{}_{\text{s}\text{p}\text{k}}=\lambda m\frac{R{}_{\text{a}}}{A{}_{\text{p}}}+\beta (1-m)f{}_{\text{s}\text{k}}(3)$

　　 式中:λ为单桩承载力发挥系数,按地区经验取1.0; β为桩间土承载力发挥系数,按地区经验取0.7; m为面积置换率,m=d²/d²_e,其中d为桩身平均直径,m,d_e为一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径,m,方形布桩d_e=1.13s,s为桩间距; f_sk为处理后桩间土承载力特征值,kPa,按地区经验取70kPa。

　　 由式(2)计算得到桩身材料强度确定的单桩承载力特征值147.0kPa,不小于由式(1)计算得到的由桩周土、桩端土抗力所提供的单桩承载力特征值122.7kPa; 由式(3)计算得到增强体复合地基承载力特征值估算值为141.3kPa,满足设计要求。

　　 施工前使用推土机平整场地,然后选用20t双钢轮振动压路机缓慢碾压,压路机行驶速度不超过6km/h,运行过程中依据“由慢至快,先两边后中间”的准则。要求横向相接碾压叠加宽度为0.4～0.5m,纵向相接两段碾压叠加宽度为0.8m,且在沿线方向线路维持相同方向,多次作业保证质量,压实后表面相对紧实,无大气孔、松软情况,无落差。

　　 注浆材料为42.5普通硅酸盐水泥,掺入量不少于15%,与搅拌桩桩身水泥土相同配比的室内加固土试块,在标准养护条件下28d龄期抗压强度均值不小于2.5MPa。采用单管旋喷法成桩,桩径500mm,桩长约6～11m,桩间距1.1m; 在桩顶与基础垫层底面之间铺设300mm厚砂石褥垫层,碎石与砂的比例为3∶1,夯实系数为0.9。经处理后的复合地基承载力特征值不低于140kPa,高压旋喷桩单桩承载力特征值不低于110kPa。

　　 本工程选用引孔和旋喷一体的高压旋喷钻机,当钻杆钻至设计深度后旋喷注浆作业,此法能够加快施工进度、降低施工成本,施工时采用跳打法,跳打时间不少于48h,以保护完成尚未达到一定强度的桩的施工。

　　 (1)施工前进行水泥加固土的室内试验,根据被加固土的性质及单桩承载力要求,确定每延米水泥用量。

　　 (2)每个作业点施工前必须先打设不少于5根的工艺试桩,检验机具性能及施工工艺中的各项技术参数包括浆液配比、旋喷参数、钻进和提升速度等; 按试桩确定水泥浆配比,水灰比宜为1～1.5; 高压喷射注浆时钻杆旋转速度控制在10～20rad/min,钻杆提升速度一般为100～250mm/min; 施工过程中采取一定措施防止喷嘴和管路出现堵塞情况,定期检查喷嘴磨损情况,及时更换磨损过度的喷嘴。

　　 (3)高压旋喷桩可根据工程要求和当地经验采用开挖检查、钻孔取芯、标准贯入试验、动力触探和静载荷试验等方法进行检验。检验点布置应符合以下规定:成桩质量检验点的数量不少于施工孔数的2%,且不少于6点; 承载力检验宜在成桩28d后进行。

　　 (4)竣工验收时,增强体复合地基承载力应采用复合地基静载荷试验和单桩静载荷试验确定。静载荷试验检验数量不得少于总桩数的1%,且每个单体工程复合地基静载荷试验数量不少于3点。

　　 (5)施工中如因地下障碍物等原因,钻杆无法钻进时,应及时通知监理及设计人员,以便后续采取补桩措施。

　　 (6)喷射注浆过程中应观察冒浆情况,冒浆量超过注浆量的20%或者完全不冒浆时,应查明原因并采取相应的措施。

　　 施工前选择最不利位置的试桩,共6根(编号分别为F1-8-7#,F1-9-6#,F1-21-10#,F1-30-13#,F2-4-13#,F2-10-13#),于施工28d后按设计承载力要求,采用单桩静载荷试验进行了单桩承载力检测。荷载-沉降(p-s)曲线如图4所示。单桩静载荷试验结果汇总见表3。

　　 结果表明:6根桩的单桩承载力特征值均达到110kPa,满足设计要求。因此,后续施工根据试桩的工艺参数进行工程桩施工。

　　 选择最不利位置的三种独立基础(9根桩基础、16根桩基础、20根桩基础),随机抽取3个复合地基,在场地整平并铺设300mm厚砂垫层,分别选取编号为11#,91#,216#地基进行静载荷试验,均加载至最大试验荷载,图5为复合地基静载荷试验所得p-s曲线。

　　 从图5可以看出,各静载荷试验p-s曲线呈缓变型。复合地基承载力特征值按相对变形值确定,取s/b=0.008所对应的压力且不大于最大加载压力的一半为各点的复合地基承载力特征值,其中b为承压板宽度或直径。静载荷试验结果汇总如表4所示。

　　 试验结果表明:3个复合地基承载力特征值均达到140kPa,3个试验点的承载力特征值极差未超过其平均值的30%,满足设计要求。

　　 (1)将周边建筑垃圾进行破碎处理后回填场地,既解决了建筑垃圾处理问题又节省了填土、石料等工程费用。

　　 (2)新近回填、成分复杂、厚度不均的深厚建筑垃圾杂填土场地处理难度大,采用引孔和旋喷一体的高压旋喷桩复合地基连续施工工艺能够避免施工中出现塌孔问题,同时可缩短工期,具有费用较低、施工工艺简单、加固效果可靠等优点。

　　 (3)单桩和复合地基静载荷试验表明,采用高压旋喷桩加固后的地基,其承载力得到大幅度提升、满足设计要求; 该加固实例表明高压旋喷桩可成功应用于深厚建筑垃圾杂填土地基处理,可供其他类似杂填土地基处理借鉴。