“振動(dòng)法水墜砂+碾壓”地基處理方法試驗(yàn)

李永星，劉院院，王欣國(guó)

(1.中煤西安設(shè)計(jì)工程有限責(zé)任公司，陜西 西安 710054；2.陜西延長(zhǎng)石油巴拉素煤業(yè)有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜西延長(zhǎng)石油巴拉素礦井水處理項(xiàng)目地處陜蒙地區(qū)毛烏素沙漠，毛烏素沙漠大部分區(qū)域地基土為砂土地基，黃土稀少，不適宜用灰土墊層。陜蒙地區(qū)常見的地基處理方法有砂石墊層、CFG樁、水泥土攪拌樁、振沖樁等；CFG樁、水泥土攪拌樁、振沖樁造價(jià)高且需要基樁檢測(cè)，施工周期長(zhǎng)；砂石墊層施工速度快，但是挖填方量大，遠(yuǎn)距離運(yùn)輸砂石造價(jià)高。目前，陜蒙片區(qū)水處理項(xiàng)目地基處理大多選用了砂石墊層，若該片區(qū)所有建筑工程均采用砂石墊層則項(xiàng)目整體工程造價(jià)高，因此選擇一種價(jià)格低廉的地基處理方法成為了重點(diǎn)工作。對(duì)于砂土地基的處理方法，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》給出了置換法、碾壓法、振沖樁法等處理方式，但規(guī)范中并無水墜砂法方面相關(guān)的條文及施工工藝[1-3]。陜蒙地區(qū)水墜砂地基處理方法在水壩、鐵路、機(jī)場(chǎng)、房屋建筑中應(yīng)用廣泛，在低層房建工程地基處理中很有效且經(jīng)濟(jì)[4-7]。由于砂土級(jí)配、碾壓參數(shù)對(duì)碾壓法水墜效果有影響[8]，水墜后應(yīng)盡快進(jìn)行施工上部結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)及基礎(chǔ)墊層，防止由于水分蒸發(fā)導(dǎo)致砂土地基密實(shí)度下降[9-10]。通過水墜砂方法與強(qiáng)夯、密實(shí)砂樁對(duì)比，水墜砂法施工方便，能夠節(jié)約投資，縮短工期，具有一定的優(yōu)越性[11]；而在“水墜砂+碾壓”方面的研究較少，已有研究成果表明“水墜砂+碾壓”效果良好[12]，但未采用機(jī)械化施工作業(yè)的振動(dòng)法水墜地基處理方法。

為此，對(duì)砂土地基的機(jī)械化振動(dòng)法水墜砂+碾壓地基處理方法進(jìn)行了試驗(yàn)。該方法主要是將松散的砂土地基制作田字壟注水，采用振動(dòng)方法將基坑內(nèi)砂土地基土液化；在振動(dòng)法水墜砂施工完畢后，田字壟內(nèi)存水自然下滲，振動(dòng)液化后的砂土顆粒在水及其自身重力作用下下沉，將重新形成新的密實(shí)的土體結(jié)構(gòu)；此外，水墜后的砂土地基表面浮土，采用碾壓的方法將表層砂土壓實(shí)，以達(dá)到密實(shí)的效果。

1 試驗(yàn)方法

1.1 地勘數(shù)據(jù)

表1 地基土承載力特征值及壓縮(變形)模量

1.2 制作田字壟圍擋

基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后，用人工協(xié)助小挖掘機(jī)將基坑內(nèi)砂土刨起田字壟，并將田字壟內(nèi)原土整平，以此類推制作田字壟。田字壟格子尺寸以3 m×3 m左右為準(zhǔn)，砂土地基注水后下滲速度快，單個(gè)田字壟依次注水能夠節(jié)約用水，降低工程造價(jià)。田字壟圍擋高出基坑底標(biāo)高30 cm左右，如圖1所示。

圖1 田字壟制作

1.3 注水+振動(dòng)棒振動(dòng)水墜

注水作業(yè)：基坑降水至設(shè)計(jì)標(biāo)高及田字壟制作完成后，分別向各田字壟內(nèi)注水，注水后水位高出田字壟底面20 cm，一個(gè)田字壟注水完畢后進(jìn)行下一個(gè)田字壟注水作業(yè)，注水與振動(dòng)工作交叉作業(yè)連續(xù)進(jìn)行。

振動(dòng)水墜作業(yè)：水墜施工時(shí)田字壟內(nèi)保持0.2 m水頭以上，用電動(dòng)振動(dòng)棒進(jìn)行振動(dòng)水墜，振動(dòng)棒布置間距不大于0.5 m，呈梅花形布置或者正方形布置，振動(dòng)位置根據(jù)布置依次進(jìn)行，試驗(yàn)時(shí)振動(dòng)棒插入砂土地基內(nèi)深度0.5～1.0 m，如圖2所示。現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)，工人容易漏振相鄰田字壟根部，實(shí)際施工時(shí)應(yīng)注意加強(qiáng)田字壟根部處理，避免漏振。單個(gè)田字壟振動(dòng)完畢后，靜持水位不小于1 h，以便振動(dòng)液化后的砂土重新沉積完成密實(shí)的新結(jié)構(gòu)。

圖2 振動(dòng)棒振動(dòng)

1.4 碾壓

振動(dòng)水墜后田字壟靜持水位時(shí)間完畢后停止注水，田字壟內(nèi)存水自然下滲完成。用鏟車將田字壟鏟平，待地基土內(nèi)含水率基本接近最優(yōu)含水率時(shí)，砂土表面灑水，開始碾壓地基表面浮砂，要求用鏟車端土來回碾壓或者壓路機(jī)來回碾壓，肉眼觀測(cè)或者腳蹬的方式檢查壓實(shí)后的效果。碾壓完成后準(zhǔn)備取樣送實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)。

1.5 壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)

標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)：取基坑內(nèi)原砂土取樣，送往實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)方法，測(cè)定土的密度與含水率的關(guān)系，確定砂土的最大密度與最優(yōu)含水率。

壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)：振動(dòng)法水墜、碾壓完成后，待基坑內(nèi)砂土地基含水率至接近實(shí)際工程狀態(tài)時(shí)，由實(shí)驗(yàn)室取樣做壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)。送往實(shí)驗(yàn)室用標(biāo)準(zhǔn)的擊實(shí)方法，測(cè)定土的密度與含水率的關(guān)系，確定砂土的最大密度與最優(yōu)含水率。

2 試驗(yàn)現(xiàn)象與結(jié)果

2.1 試驗(yàn)現(xiàn)象

砂土黏粒含量對(duì)水墜砂的影響：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，有局部區(qū)域砂土地基的黏粒含量較高，采用田字壟內(nèi)注水振動(dòng)，水墜后田字壟內(nèi)存水無法在短期下滲完成，無法完成水墜。因此現(xiàn)場(chǎng)采用了換填砂土重新水墜的方法，在黏粒含量低的區(qū)域，振動(dòng)水墜+碾壓后效果良好。

靜持水位對(duì)水墜的影響：現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)，個(gè)別田字壟內(nèi)砂土表面未整平，注水后田字壟內(nèi)部分區(qū)域水頭較小，振動(dòng)法水墜后砂土未充分液化、沉積，處理后砂土地基中留有孔洞，如圖3所示。田字壟內(nèi)水位保持對(duì)水墜效果影響較大，實(shí)際工程中應(yīng)足夠重視。現(xiàn)場(chǎng)采取了重新整平田字壟內(nèi)砂土水墜的方法，水墜后效果良好。

圖3 田字壟內(nèi)未整平水墜后殘留孔洞

碾壓對(duì)表面浮土的影響：水墜后砂土地基部分區(qū)域表面，用大拇指用力按下后留有手印，初步判斷部分區(qū)域地基土表層砂土不夠密實(shí)，主要原因可能有以下3個(gè)方面。①因?yàn)橥粓?chǎng)地砂土級(jí)配略有不同，砂土顆粒級(jí)配差的砂土地基水墜后密實(shí)度差；②表層砂土水頭小，水墜后表層砂土密實(shí)度不足；③基坑表層土上部已無覆土，負(fù)擔(dān)的載荷小。

碾壓對(duì)表面松散砂土的影響：對(duì)表層松散砂土，現(xiàn)場(chǎng)采用裝載機(jī)端土碾壓的方法，碾壓工作的主要影響因素為碾壓機(jī)械重量和灑水。灑水對(duì)表層砂土碾壓效果有影響，取一塊場(chǎng)地進(jìn)行了灑水碾壓試驗(yàn)。地基土表面干燥而未灑水時(shí)，碾壓后表層砂土變得松散，不如原土密實(shí)；灑水碾壓后，表層砂土壓實(shí)度較好。為了避免表層砂土含水率不足碾壓時(shí)散開，對(duì)砂土表面進(jìn)行人工灑水，然后對(duì)整個(gè)水墜區(qū)域用裝載機(jī)端土或者壓路機(jī)來回碾壓后，碾壓后效果良好，用腳蹬后未見陷下去的腳印，如圖4所示。

圖4 水墜+碾壓后地基效果

振動(dòng)深度對(duì)水墜砂的影響：電動(dòng)振動(dòng)棒插入深度0.3～0.4 m時(shí)水墜效果好，但施工效率低。振動(dòng)棒插入地基深度1.0 m時(shí)，0.5～0.6 m范圍內(nèi)砂土能夠充分液化，0.6 m以下部分未能充分液化。輕型動(dòng)力觸探檢測(cè)表明，插入深度較大時(shí)，水墜對(duì)較深部分地基未起到效果，錘擊數(shù)未提高。究其原因，主要是因?yàn)樯巴恋鼗鶡o法實(shí)現(xiàn)充分液化，未形成新的密實(shí)土體結(jié)構(gòu)。根據(jù)試水墜效果，現(xiàn)場(chǎng)4個(gè)廠房地基施工時(shí)均選用了振動(dòng)棒插入深度0.5～0.6 m，水墜后工程效果良好。

振動(dòng)棒布置間距對(duì)水墜砂的影響：振動(dòng)棒的布置間距對(duì)水墜影響較大，間距小時(shí)，水墜效果好，但是施工效率低。振動(dòng)間距過大時(shí)，田字壟內(nèi)砂土無法充分液化，無法得到密實(shí)的效果，通過現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)，0.4～0.5 m間距的實(shí)際效果良好。

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

擊實(shí)試驗(yàn)：本工程基坑內(nèi)砂土地基現(xiàn)場(chǎng)取樣后，實(shí)驗(yàn)室依據(jù)GB/T 50123—1999測(cè)得最大干密度1.75 g/cm3，最優(yōu)含水率為10.6%，砂土干密度與含水率關(guān)系，如圖5所示。

圖5 干密度與含水率關(guān)系

壓實(shí)系數(shù)：“水墜+碾壓”完畢后砂土地基試驗(yàn)數(shù)據(jù)見表2，水墜+碾壓后砂土地基壓實(shí)系數(shù)均達(dá)到了0.96，該組壓實(shí)系數(shù)數(shù)據(jù)中共12個(gè)點(diǎn)，其中3個(gè)點(diǎn)壓實(shí)系數(shù)為0.96，6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，全部點(diǎn)位壓實(shí)系數(shù)均能滿足設(shè)計(jì)壓實(shí)系數(shù)0.96的要求，詳見表2。對(duì)于實(shí)際工程中水墜深度較大的場(chǎng)地，砂土地基壓實(shí)系數(shù)試驗(yàn)應(yīng)該分層檢測(cè)，水墜一層做一層，不合格的區(qū)域分析原因，采用參入大顆粒砂土重新灑水碾壓或者采用更大噸位機(jī)械繼續(xù)灑水碾壓，直至滿足要求。

表2 壓實(shí)系數(shù)

地基承載力靜載試驗(yàn)：水墜+碾壓后，現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了地基承載力靜載試驗(yàn)。根據(jù)試驗(yàn)報(bào)告，處理后地基承載力不小于180 kPa，滿足設(shè)計(jì)要求。設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)下臥層進(jìn)行了核算，均能滿足設(shè)計(jì)要求。

3 結(jié)論

(1)田字壟靜持水位及時(shí)間、振動(dòng)棒布置間距、電動(dòng)振動(dòng)棒插入地基深、灑水后碾壓均對(duì)水墜砂地基處理有影響，實(shí)際工程中可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況進(jìn)行試水墜確定振動(dòng)棒布置參數(shù)。試驗(yàn)表明，振動(dòng)法水墜+碾壓處理后砂土地基壓實(shí)系數(shù)能夠達(dá)到0.96，靜載試驗(yàn)承載力能夠達(dá)到180 kPa。

(2)黏粒含量較高的沙土地基，建議先換填黏粒含量較低的砂土，然后分層進(jìn)行水墜。

(3)振動(dòng)法水墜+碾壓砂土地基處理，采用了現(xiàn)代化機(jī)械，相比傳統(tǒng)水墜，施工速度快，相對(duì)于樁基復(fù)合地基能夠加快施工進(jìn)度一個(gè)月，為礦井水處理項(xiàng)目投產(chǎn)贏得了時(shí)間。

(4)“振動(dòng)法水墜砂+碾壓”地基處理方法適合巴拉素等毛烏素沙漠地區(qū)，該方法豐富了砂土地基處理方法。砂土就地取材，造價(jià)低，節(jié)能環(huán)保，綜合經(jīng)濟(jì)性好，值得在實(shí)際工程中推廣應(yīng)用。