张林涛

（郑州市市政工程勘测设计研究院，河南 郑州450018）

0 引言

路基是按照路线位置和一定技术要求修筑的带状构造物，是路面的基础，承受路面传来的行车荷载。因此，路基的强度和稳定性是保证道路工程质量的基本条件。近年来，随着城市框架的不断扩大，在城市外围扩建区的市政道路建设中常遇到大小不一、疏松且不均匀的杂填土路基需要处理。选取合适的处理方法，可有效减少工程投资，保证工期，降低杂填土路基对于道路工程的不良影响。

柱锤冲扩桩法具有适用性强、取材灵活、成桩快速、工程造价低等优点，广泛应用于建筑地基处理，但在道路路基处理中应用较少。本文简述了柱锤冲扩桩法加固地基的特点和计算方法，并结合工程实例介绍了其在杂填土路基处理中的技术应用。

1 柱锤冲扩桩的加固机理及特点

1.1 柱锤冲扩桩的加固机理

柱锤冲扩桩是指，利用柱状重锤反复冲击成孔，到达设计深度后分层填入砖渣三合土等材料，用柱锤夯实填料，同时利用天然土体对夯填料的约束作用，形成强度较高的散体材料增强体。根据建筑工程地基处理情况，其加固机理与桩间土性状、桩身填料类型、成桩工艺等密切相关，主要表现为以下四个方面：

（1）柱锤冲孔及填料夯实过程中的侧向挤密和镶嵌作用；

（2）柱锤在孔内深层强力夯实的动力挤密及动力固结作用；

（3）对原有地基土进行动力置换，形成的柱锤冲扩桩具有一定桩身强度，起到桩体效应；

（4）桩身填料的物理化学反应[1]。

1.2 柱锤冲扩桩的特点

（1）适用性强

柱锤冲扩桩法地基处理适用于地下水位以上的素填土、杂填土、液化土及湿陷性黄土等各类软弱土，同时，还适用于废料回填垃圾地基、软硬不均匀地基等各种复杂场地的处理，特别是对人工填筑的沟、坑、洼地、浜塘等欠固结松软土层和杂填土的处理，更显示出特有的优越性。

相较于强夯法，柱锤冲扩桩施工时产生的振动和噪音低，对周边既有建筑影响较小，不受施工场地影响，适合各类城市开发区内的地基处理。

（2）取材灵活

桩体用料广泛，可以采用各种无污染的无机固体材料，设计可根据工程需要和材料来源，因地制宜，灵活选用碎砖三合土、矿渣、级配砂石、灰土、水泥混合土等。

（3）成桩快速

柱锤冲扩桩施工所采用的设备简单，易于操作；施工机械化程度高，施工质量容易控制；施工速度快，受季节及气候影响较小。

（4）经济及社会效益显著

与混凝土灌注桩相比，一般可减少地基处理费用50%以上。当采用砖渣、碎砖三合土作为桩身填料时，可以大量消耗建筑垃圾，减少污染、保护环境，经济及社会效益显著。

2 复合地基设计计算

2.1 复合地基承载力计算

柱锤冲扩桩为散体材料增强体，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）7.8.4条第7款规定，其复合地基承载力可按式（1）进行估算：

式中：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，对于新填沟壑、杂填土等松软土层，可按照当地经验或根据重型动力触探平均击数N63.5确定，当天然地基承载力特征值fak≥80 kPa时，应取fsk=fak；m为面积置换率，一般宜控制在0.2～0.5，对于正三角形布桩对于矩形布桩其中，d为桩身平均直径（m），s1s2分别为纵向桩间距和横向桩间距，m；n为复合地基桩土应力比，无经验值时可取2～4，桩间土承载力较低时取大值[2]。

2.2 复合地基沉降计算

柱锤冲扩桩法应用于道路路基处理时，复合地基的沉降计算可根据《城市道路路基设计规范》（CJJ 194—2013）第7.2.9条相关规定，按式（2）、式（3）计算：

式中：Sz为柱锤冲扩桩桩长深度内地基的沉降；μs为桩间土应力折减系数；S为柱锤冲扩桩桩长深度内原地基的沉降，估算时，S可按分层总和法计算，即同式（1）[3]。

3 工程应用实例

3.1 工程地质概况

某拟建工程是郑州市南四环外一条新建市政道路，道路红线宽度40 m，规划为城市次干道，其中，K0+086～K0+340段跨越一个被建筑渣土回填的取土坑，封场时间小于3 a。根据地质勘察报告，该段分布有厚度为8.4～9.4 m的建筑生活垃圾，其成分中建筑垃圾以水泥块、红砖块和泡沫砖为主，其含量约30%～60%，生活垃圾以防尘网碎片、纸片和碎塑料布为主，含量约10%～20%，其下为中密的粉土及粉砂。

勘探深度范围内未揭露地下水，可不考虑地下水影响。

3.2 存在问题分析

由于取土坑内主要为新近堆填土，填土厚度大，土体性质不均、颗粒悬殊、有机质含量较高，呈严重欠固结状态，路基强度及密实度均不能满足路基的正常使用要求，须进行路基处理。

拟建场地周边有已建厂房和已运行城市高架桥，无强夯处理条件。受扬尘管控及工程费用影响，换填法亦无实施条件。综合考虑场地限制条件和工程成本，最终采用柱锤冲扩桩法进行路基处理。

3.3 路基处理方案设计

（1）路基处理要求

根据道路填方高度情况及路床下管线相关要求，确定本工程路基处理后复合地基承载力特征值fspk≥130 kPa。

（2）路基处理方案

根据区域竖向规划，本段道路路面标高较原地面高2 m，污水管线平均埋深3.2 m。拟先将表层2 m杂填土挖除并平整场地，采用柱锤冲扩桩法处理下部杂填土路基，再向上填筑4 m至设计路面标高。

为充分利用场地周边建筑拆迁废料，本次设计采用建筑砖渣填料，综合考虑杂填土强度和砖渣强度，桩土应力比n取3.5；柱锤采用φ377公称锤，结合土质情况，确定桩径d为600 mm；为使地基挤密均匀，有效提高桩间土的密实度，采用正三角形布桩形式，桩长h=9-2=7 m。

（3）布桩计算

根据现场重力触探试验结果，N63.5=2.5，按《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）查表并根据杂填土性质折减后，可得

将上述数据代入式（1）中，即

反算得s≤1.25 m，取布桩间距s=1.2 m，则置换率

（4）变形计算

根据地质勘察报告，杂填土平均重度为17.8 kN/m3，平均压缩模量为4.2 MPa。根据《公路挡土墙设计与施工技术细则》表4.2.5，车辆附加荷载取q0=20 kPa[4]。路基填料重度取γ路基=23 kN/m3。考虑挖方换填段填料置换，作用在复合地基顶面的附加应力（大面积荷载应力）：

柱锤冲扩桩桩长Δh=7 m，沉降系数取ms=1.2，将桩长深度范围内按一层计算，则原地基的沉降为：

根据式（2）、式（3）计算，桩长深度内地基的沉降为：

本工程范围内为粉质土，渗透系数较大，且存在大直径的排水通道，超静孔隙水压力消散速度快，所需固结时间短，经超载碾压后，土层固结度及工后沉降易满足相关要求。

4 施工要点

4.1 施工工艺

路基基槽开挖平整后，调整起重机位置使柱锤对准设计桩位，将柱锤提升到6～8 m，使之自由落下，反复冲击路槽成孔至设计孔深，用运料车分次向孔内填入分拣合格的砖渣，再提升柱锤将孔内填料分层夯实，反复夯填至桩顶设计标高以上50 cm，随后施工机具移位，重复上述步骤进行下一根桩施工。桩体施工完成后，清除松上部散桩头及松软桩间土后铺设30 cm砂石垫层，并采用振动压路机压实，形成柱锤冲扩桩复合地基。

4.2 施工注意事项

（1）在冲击成孔过程中，若出现缩颈或塌孔时，可采用填料冲击成孔、复打成孔或套管成孔方式；

（2）为保证桩身均匀，作为填料的砖渣粒径宜控制在60 mm左右，不应大于120 mm，严禁使用粒径大于240 mm的砖料及混凝土块；

（3）分层填料量、分层夯实厚度及总填料量是桩体施工的关键，应根据试验或当地经验确定，填料充盈系数一般不宜小于1.5；

（4）为保证处理效果，成桩时应自中间向四周施工，且成桩及填料夯实的顺序应间隔进行。

5 结语

根据现场复合地基承载力检测结果，经处理后路基有效提高了路基的强度和密实性，能够保证路基运行期间的稳定性，达到了设计预期目标，表明柱锤冲扩桩法在道路工程杂填土路基处理中具有良好的适用性。

根据柱锤冲扩桩加固机理和特点，柱锤冲扩桩法处理杂填土路基，不但施工工期短、速度快，机械化程度高，施工质量容易控制，处理效果好，而且低振动、低噪音，适用性强。当桩身采用砖渣填料时还可以消耗大量拆迁产生的建筑垃圾，节省大量的水泥、石灰等建筑材料，减少大气污染及固体废弃物污染，绿色环保，同时大大降低工程成本，具有良好的经济效益和社会效益。随着城镇化进程的持续深入，柱锤冲扩桩复合地基将在市政道路建设中得以全面推广应用。