張大劍，李永星

(中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

毛烏素砂漠腹地有豐富的風(fēng)積砂，該地區(qū)在地基處理方式時(shí)通常選用砂石墊層、CFG樁復(fù)合地基、水泥土攪拌樁、振沖樁、灌注樁等方法[13]。由于石子一般需要從寧夏、山西等地運(yùn)到現(xiàn)場，成本相對較高，樁基養(yǎng)護(hù)檢測工期較長，當(dāng)?shù)卮迕褚话悴捎盟畨嬌斑M(jìn)行地基處理。水墜砂法在工程領(lǐng)域應(yīng)用廣泛[46]，工程技術(shù)人員對水墜砂原理、方法、影響因素、經(jīng)濟(jì)性、施工工期等方面進(jìn)行了大量研究[712]，但水墜砂受施工人員技術(shù)水平、責(zé)任心及施工工藝等影響較大。此外，地基處理規(guī)范中缺少水墜砂方面的相關(guān)條文。為此，對灌坑法水墜砂+碾壓地基處理方法進(jìn)行試驗(yàn)研究。

1 工程概況

巴拉素礦井工業(yè)場地位于榆林市榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)西北約10 km的武家梁村，行政區(qū)劃隸屬榆陽區(qū)巴拉素鎮(zhèn)管轄。巴拉素煤礦井下水處理站工程是對巴拉素煤礦井下排水進(jìn)行處理，處理后的井下水除礦井及選煤廠自用外，其余處理達(dá)標(biāo)后外排。膜處理車間地基土均為砂土層，大片水池區(qū)域采用了灌坑法水墜砂+碾壓地基處理方法，其他區(qū)域主要采用了振動法水墜砂+碾壓等地基處理方法。水池區(qū)域地基灌坑試驗(yàn)基坑為117.5 m×56.0 m，深度-3.570 m；基坑開挖范圍內(nèi)土質(zhì)基本為粉細(xì)砂土層，土質(zhì)松散，天然地基壓實(shí)度系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。根據(jù)工程地質(zhì)測繪及鉆孔揭露情況，場地地層由新至老依次為第四系全新統(tǒng)素填土(Q4ml)、風(fēng)積砂(Q4eol)、泥炭質(zhì)土(Q4l)，上更新統(tǒng)薩拉烏蘇組湖積砂(Q3ls)，白堊系下統(tǒng)洛河組砂巖(K1l)?？辈靻挝唤o出的各地基土層的承載力特征值詳見表1，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果詳見表2。

表1 地基土承載力特征值及壓縮(變形)模量

表2 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)實(shí)測結(jié)果

2 水墜砂+碾壓地基處理原理

水墜砂方法是將基坑內(nèi)松散砂層挖出，用符合要求砂土分層回填，對地基土進(jìn)行圍堰成田字壟并將其內(nèi)部整平，然后向田子壟內(nèi)砂層注水，保持水頭一段時(shí)間，砂土吸附水的能力較差，水位下降的過程中，砂土層頂部的水由于水頭差自上而下滲透，滲透水對砂土產(chǎn)生動水壓力，進(jìn)而帶動砂土顆粒重新進(jìn)行排列分布，最終由疏松變成密實(shí)的新結(jié)構(gòu)；然后采用重型壓路機(jī)或裝載機(jī)端重物靜載碾壓，碾壓時(shí)應(yīng)保持輪寬覆蓋不小于1/3，壓實(shí)度系數(shù)最終由實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場取樣檢測得到，如壓實(shí)度不符合設(shè)計(jì)要求，重新水墜+碾壓，一直到地基壓實(shí)度合格，下層滿足要求后方可進(jìn)行下一道施工工序。其根本原因是砂土微觀結(jié)構(gòu)重新調(diào)整，即砂土層在水滲流作用下砂土結(jié)構(gòu)由處理前疏松微結(jié)構(gòu)變?yōu)橄鄬o密狀態(tài)，砂土層經(jīng)處理后密實(shí)度提高，地基承載力提高。

3 灌坑法水墜砂+碾壓砂土地基處理方法

灌坑法水墜砂+碾壓地基處理施工流程為基坑開挖、基槽底整平、機(jī)械分層回填、分層灌坑、分層碾壓、分層取樣壓實(shí)度檢測?；娱_挖時(shí)采用機(jī)械開挖，不用擔(dān)心原狀土擾動，整平后灌坑水墜+碾壓能解決該問題。將基底以下擾動、虛鋪的松散砂土層進(jìn)行了土層機(jī)械整平?；踊靥钌巴梁笳接葹橹匾皇悄軌虮ＷC各個(gè)地方水墜效果一致，二是便于后續(xù)碾壓。水池區(qū)域水墜注水時(shí)處于雨季，利用天時(shí)地利，剛好遇到了大雨，將整個(gè)礦區(qū)收集處理后的雨水排入基坑中，持續(xù)注水一個(gè)晚上，注水后基坑內(nèi)水頭達(dá)到了50 cm以上。試驗(yàn)灌入基坑內(nèi)水量較大，2 d內(nèi)水位依然高出基坑底標(biāo)高0.2 m，第3天采用了插管降水，水位下降的過程中對基坑內(nèi)砂土層形成二次水墜，水墜后效果良好。為試驗(yàn)地基土含水率對碾壓影響，現(xiàn)場臨時(shí)另外找局部區(qū)域進(jìn)行了試驗(yàn)，含水率過高，碾壓后出現(xiàn)了橡皮土的現(xiàn)象；含水率低，砂土層難以壓實(shí)，水分越小碾壓后砂土層越松散；砂土層暴曬后碾壓或未灑水進(jìn)行碾壓，碾壓未能壓實(shí)砂土層反而擾動了原土層。灌坑水墜后，本工程采用裝載機(jī)端重物進(jìn)行碾壓，為保證良好的碾壓效果，當(dāng)砂土處于最優(yōu)含水率時(shí)進(jìn)行大面積碾壓，碾壓時(shí)保持輪寬覆蓋不小于1/3，輪跡布滿整個(gè)作業(yè)面，碾壓次數(shù)不得少于5遍，碾壓后效果良好。每層砂土壓實(shí)后，通知具有專業(yè)檢測資質(zhì)的實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測，檢測后壓實(shí)度如符合本設(shè)計(jì)要求才能進(jìn)入下一道工序，不合格時(shí)應(yīng)重新灑水、碾壓，直至滿足設(shè)計(jì)要求為止。

4 試驗(yàn)現(xiàn)象與試驗(yàn)結(jié)果

4.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

砂土級配對水墜砂的影響：現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，同樣的處理方法，砂土級配好的區(qū)域壓實(shí)系數(shù)高；此外含泥量對水墜也有影響，含泥量高的地方，水流下滲的速度慢，碾壓時(shí)，容易出現(xiàn)橡皮土的情況，壓實(shí)效果不佳，局部區(qū)域采用了換砂后重新水墜。

水頭及水量對水墜的影響：水頭差大的區(qū)域引起的動水壓力大、下滲持續(xù)時(shí)間長，水墜效果好。灌坑法水墜用水量大，可因地適宜，水源比較豐富時(shí)，可采用該方法，能夠省去很多人工，加快施工進(jìn)度；水源不是很充足時(shí)，不建議采用灌坑法，砂層滲流速度快，用水量巨大，如用車輛運(yùn)輸成本相對較高，水頭也不容易保持；水頭保持到位則水墜效果好，否則水墜效果差，處理后地基不均勻，土層整體壓實(shí)效果難以達(dá)到預(yù)期。本工程水池基坑底距地下水位較近、需處理砂土層很薄，如用常規(guī)方法降水，基坑降水面積大，需要人工多，工期長。本工程施工正處于雨季，時(shí)常下雨，現(xiàn)場雨水、地下水水源較為豐富，給灌坑法水墜創(chuàng)造了條件。本工程地基處理時(shí)下了大雨，進(jìn)行了灌坑試驗(yàn)，連續(xù)兩日水頭保持50 cm以上；灌水完畢后采用了插管降水，對砂土層進(jìn)行了再次水墜，降水后砂土表層效果良好。

碾壓對表面浮土的影響：土層頂部砂土水頭小，受到的壓力只有水頭自重壓力，土層底部承受層底以上的水重+土自重，壓力呈現(xiàn)下部大上部小，水墜后表層砂土密實(shí)度較底部不足，干燥后用腳蹬后聲音木訥。為確保表層松散砂土的壓實(shí)效果，用裝載機(jī)端重物方式進(jìn)行了碾壓，處理后地基明顯好于未碾壓地基土，土層表面有明顯壓實(shí)痕跡；碾壓設(shè)備的重量越大，壓實(shí)效果越明顯。

含水率對砂土地基處理的影響：通過現(xiàn)場試驗(yàn)，含水率較低或者干燥時(shí)，用鏟車端重物10多遍碾壓地基土后依然為松散砂土層，且有擾動原土層跡象，砂土級配變差。含水率過高時(shí)，現(xiàn)場表現(xiàn)為泥坑，車輛難以通行；含水率較高時(shí)，表現(xiàn)為軟塑狀的橡皮土，碾壓完畢后踩上去會有顫動感覺；含水率在最優(yōu)含水率附近時(shí)，碾壓效果最好，踩不下腳印。試驗(yàn)表明，含水率是砂土層地基處理的主要影響因素，水墜+碾壓地基處理完畢后應(yīng)立即封閉基坑進(jìn)行基礎(chǔ)施工，切忌水墜后暴曬基坑后碾壓，此時(shí)再碾壓起不到任何有利作用。

4.2 試驗(yàn)結(jié)果

擊實(shí)試驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)室現(xiàn)場取樣后，測得最大干密度為1.85 g/cm3，最優(yōu)含水率為11.6%，砂土干密度與含水率關(guān)系如圖1所示。同一場區(qū)其他車間區(qū)域砂土層的最大干密度1.75 g/cm3，最優(yōu)含水率為10.6%。試驗(yàn)表明，雖同處于一個(gè)大片區(qū)，但由于砂土分布差異，最大干密度、最優(yōu)含水率不盡相同。實(shí)際施工時(shí)應(yīng)對地基土先進(jìn)行試驗(yàn)再水墜，不盲目套用其他工程的資料。

圖1 干密度與含水率關(guān)系Fig.1 Relationship between dry density and moisture content

關(guān)系壓實(shí)系數(shù)：膜處理車間水池區(qū)域“灌坑水墜+碾壓”試驗(yàn)，在處理后砂土層地基中共取了12個(gè)點(diǎn)，其中5個(gè)點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)為0.96，4個(gè)點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)為0.97，3個(gè)點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)為0.98，所有數(shù)據(jù)點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)均大于0.96，處理后砂土層地基試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表3。試驗(yàn)過程中，每層砂土層水墜碾壓后及時(shí)通知實(shí)驗(yàn)室檢測，檢測結(jié)果滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行上一層施工，不合格區(qū)域經(jīng)局部換填級配較好砂土，水墜后重新用機(jī)械碾壓，直至滿足要求為止。整個(gè)場地灌坑水墜+碾壓處理后的壓實(shí)系數(shù)均不小于0.96，試驗(yàn)結(jié)果達(dá)到了設(shè)計(jì)壓實(shí)度要求。

表3 壓實(shí)系數(shù)

5 結(jié)論

(1)灌坑法水墜砂+碾壓豐富了砂土地基水墜砂處理方法，但適用范圍受自然條件限制較大，水量充足時(shí)方可采用該方法。條件滿足時(shí)，該方法能夠節(jié)省人力、節(jié)約成本、縮短建設(shè)工期。

(2)灌坑法水墜砂+碾壓能夠解決粉細(xì)砂土層土質(zhì)松散、堆積密度小、力學(xué)性質(zhì)差的問題，從微觀結(jié)構(gòu)上提高了砂土層的密實(shí)度，碾壓后砂土層壓實(shí)度系數(shù)能夠達(dá)到0.96。

(3)灌坑水量、水頭、碾壓、砂粒級配、含水率是灌坑法水墜砂+碾壓地基處理方法的影響因素；同一區(qū)域砂土層分布存在差異，地基處理前應(yīng)先進(jìn)行水墜砂試驗(yàn)，不能盲目進(jìn)行水墜砂地基處理。