土庫曼斯坦某項目地基處理中水墜砂法的應用

王 賽，陳思佚，朱鴻彬

中國石油工程建設有限公司西南分公司，四川成都 610041

砂類地基廣泛存在于中國西北地區、中亞地區及中東地區。水墜砂法具有對施工機具要求簡單、施工成本較低[1]、施工技術要求不高、施工周期短等特點，在我國陜西[2-8]和新疆[9-10]等西北地區被少量應用，但由于水墜砂法未被收錄入《建筑地基處理技術規范》[11]和相關施工驗收規范，理論支持缺乏，海外工程應用實例更不多見。隨著“一帶一路”建設逐步深化，中國石油在中亞及中東地區的地面建設工程項目越來越多,經常遇到砂類地基處理問題。本文結合水墜砂法在土庫曼斯坦巴格德雷合同區域A區改建擴能工程（80×108m3/a原料氣）（以下簡稱“本工程”） 地基處理中的應用實例，對水墜砂法的適用范圍、工作原理、施工工藝和技術要點進行了探索、總結和驗證。

1 水墜砂法

1.1 水墜砂法適用范圍

水墜砂法是利用水的下滲作用及振動碾壓來密實砂層的一種地基處理方法，適用于松散的砂類地基的淺層處理。該方法對中粗砂處理效果最佳，細砂為其次；若遇粉砂，建議拌入中粗或細砂。

1.2 水墜砂法處理砂土地基的原理

砂顆粒具有較好的磨圓度，但級配特性較差，在自然條件或人為作用下的堆積過程中，其顆粒之間存在較大隨機性導致結構松散，因此砂土地基往往具備分選性好、黏粒含量低、力學性能不佳、結構松散的特點。水墜砂法地基處理原理示意見圖1。

圖1 水墜砂法地基處理原理示意

水墜砂法施工通常在土方回填時分層進行，每當虛鋪一定厚度砂層后，修筑砂土圍堰進行注水滲透，滲水對砂粒將產生動水壓力，在滲透流動作用下砂粒之間的氣體將被排出；待該砂層處于最佳含水率時，采用機械碾壓或者振動夯實的方法對砂土進行平整夯實；在振動碾壓的作用下，砂粒的微觀結構重新調整，由疏松變緊密，砂層的密實度隨之提高，地基承載力得到增強。

1.3 水墜砂法地基處理的必要條件

為使水墜砂法對砂類地基進行地基處理時能達到設計要求，地質情況須滿足以下條件：

（1） 保持砂類地基的可靠穩定，對砂類地基周圍做好圍護措施，防止地基處理完成后的二次擾動。

（2） 下部地基具備良好的透水性，若注水無法有效滲透，砂土將無法密實。但根據《濕陷性黃土地區建筑規范》[12]，當下層地基為濕陷性黃土時不建議采用此方法，下滲水將破壞黃土原狀特性，產生濕陷性并導致地基承載力下降。

（3） 地下水位不能高于待加固土層，否則無法產生足夠的壓力差將造成水的反向滲透甚至砂土上浮。

2 工程建設場地地質情況

2.1 工程地質特點

土庫曼斯坦巴格德雷合同區域A區改建擴能工程（80×108m3/a原料氣） 位于土庫曼斯坦列巴普州薩曼杰佩境內，根據本工程《巖土工程勘察報告》 顯示場地位于半沙漠半草原地區，所在地區地貌大多屬于固定沙丘，少量為半固定沙丘，相對高差一般在2～5 m，最大高差超過10 m。

2.2 地層描述

（1） 人工填土：松散或稍密的素填土，顆粒以細砂為主并混有礫石和混凝土塊等，塊石粒徑0.20～0.6 m，最大可達1.3 m，系建廠土地平整及建筑廢渣（原廠施工） 形成，回填時間2～5年不等，層厚0.6～4.3 m。

（2） 細砂②：褐黃色，稍濕，松散～稍密，主要由石英、長石、云母礦物組成，分選性好，級配不良，大部分分散，質純且無膠結。該層在場地內各勘探孔內均有揭露，厚度變化大，層厚1.5～8.0 m。

（3）細砂③：褐黃色，稍濕，中密，主要由石英、長石和云母礦物組成，分選性好，級配不良，較為分散，局部為粉質黏土夾層，呈透鏡體分布，夾層厚度一般不超過300 mm，亞黏土層理發育，手掰即碎，呈可塑狀態。該層在場地內各勘探孔內均有揭露，厚度變化大，層厚0.3～5.1 m。

2.3 地層物理力學指標

表1為本工程原狀土層的物理力學指標。

表1 物理力學指標

2.4 地基承載力評價

表2為本工程原狀土層地基承載力特征值。

表2 地基承載力特征值推薦值

2.5 本工程的設計要求

本工程主要包括新增變電所、鍋爐房、處理裝置循環冷卻水場、工藝（脫烴、脫水、脫硫脫碳、硫磺回收裝置、高低壓放空火炬）裝置區、空氮站、分離區和污水蒸發池等。基礎擬采用鋼筋混凝土獨立基礎，細砂③為持力層，設計要求地基承載力特征值不小于180 kPa。

場地平整時需要進行大量挖填方作業，將形成不均勻的地基。根據原廠結構設計，全廠地基處理方案為強夯。但由于本工程與原廠相鄰，工藝裝置區之間距離不到50 m，根據專家論證，強夯作業所引起的振動將對生產中的原廠建（構）筑物產生不利影響，方磊[13]和安明[14]也對強夯振動的影響距離進行了研究。為保證原廠在本工程施工期間正常生產，確定強夯法無法在本工程延續使用。結合本工程建（構） 筑物對地基的要求、現場砂土地基類型、土庫曼地區施工材料和機具條件，綜合考慮后確定采用水墜砂法對本工程砂類地基進行地基處理。

3 水墜砂法在本工程的應用

3.1 水墜砂法施工流程

參考羅明浩[15]在石長鐵路臨澧客運站房的地基處理的施工經驗，結合本工程特點制定的水墜砂法施工工藝流程見圖2。

圖2 水墜砂法施工流程

3.2 水墜砂法施工

由于缺乏相關設計經驗及施工規范指導，工程初期在場區內選擇了具有代表性的高填方區域進行試驗。分別對機械開挖、驗槽、鋪砂、圍堰、注水和碾壓等主要工序的關鍵技術指標進行了確定，并在后續施工中進行了專項控制。

3.2.1 機械開挖

按照基礎平面布置圖確定基坑大小，四周需超出基礎墊層邊線2 m。根據設計要求機械開挖至原狀中密狀細砂層（細砂③） 以上0.2 m時，由人工清理至設計基底標高。

3.2.2 驗槽

由甲方、監理和總包方共同進行驗槽，本工程驗槽時配合釬探，確保鋪砂前原狀土層承載力特征值達到設計要求。

3.2.3 鋪砂

分層進行鋪砂，本工程為細砂，每層砂虛鋪厚度不大于300 mm，人工找平后表面平整度誤差控制在50 mm以內。

3.2.4 圍堰和注水

因地制宜分格設置圍堰，分格寬度宜不大于10 m，圍堰高度宜不低于300 mm。注水應連續進行，水深約200 mm，待目測水面下沉緩慢并無細微氣泡后停止注水。待表面無明水后進行含水率測試，待其略高于最優含水率時組織碾壓。

3.2.5 碾壓

本工程壓路機采用的是14 t輪胎驅動光輪壓路機，壓路原則為：先靜后振、高頻低振、先慢后快、輪跡重疊。參考趙洪魁[16]的施工經驗及本工程試驗結果，確定碾壓遍數為先靜壓2遍，再振動碾壓3～5遍，若輪跡明顯宜再靜壓2遍保證碾壓密實。輪跡應滿布作業面，碾壓保證碾輪重疊1/3，前后相鄰區段應縱向重疊約2 m。壓路機采用縱向進退式，不得在碾壓區域內轉向。

3.2.6 循環施工

碾壓完畢后立即抽樣進行了干密度試驗，對壓實系數進行控制。試驗不合格時增加碾壓遍數直至取樣合格，合格后循環施工。循環施工后的最終砂層表面標高須達到設計墊層底標高以上0.5 m。需注意事項：進行上層鋪砂前，應采取措施保證下層砂層表面濕潤，以便上下層結合良好。施工現場情況見圖3。

圖3 施工現場

4 質量檢測和驗證

4.1 檢測指標和方法

根據本工程的設計要求，水墜砂法地基處理后的地基主要檢測控制指標為壓實度和承載力特征值。按計劃在不同階段先后進行了干密度試驗、動力觸探試驗和靜力載荷試驗，試驗報告均由中國石油工程建設公司華東環境巖土工程分公司出具。

4.2 干密度試驗結果

本工程對回填土分層壓實后的干密度試驗控制值為：最大干密度為1.66 g/cm3，壓實系數不小于0.97。在工程實施中，回填土分層壓實后在業主、PMC和總包方三方監督下進行了取樣送檢，取樣位置由業主隨機選取指定，依據《土工試驗方法標準》[17]采用灌水法實測并計算干密度，再通過與最大干密度進行比較得到壓實系數實測值。以457變電所施工段為例，該區段作業面積約為500 m2，選取了5個點進行取樣送檢。試驗結果見表3，顯示5個點的干密度為1.612～1.624，壓實系數實測值均大于0.97，判定回填細砂層壓實合格。

表3 457變電所區段干密度試驗結果

4.3 動力觸探試驗結果

分層壓實至設計墊層底標高以上0.5 m后，根據《巖土工程勘察規范》[18]采用動力觸探（標準貫入試驗） 方法進行了地基承載力試驗，試驗現場如圖4所示。以脫硫脫碳裝置區為例，該裝置區長110m，寬60m，面積約6600m2，共設置檢測點16處，檢測點編號為JC69～JC84，各點的標準貫入試驗記錄如圖5所示。

圖4 動力觸探現場

圖5 標準貫入試驗記錄

根據圖5所示試驗結果，水墜砂法處理后的地基表層下0～0.45 m范圍內砂層承載力為132.5～180 kPa，未達到設計要求；但0.5～6 m范圍內砂層的承載力為198.7～330.7 kPa。從總體上看，水墜砂法地基處理效果良好，在基礎墊層施工前人工去除厚0.5 m表面砂層達到基礎墊層設計底標高，其地基承載力特征值滿足設計要求。

4.4 靜力載荷試驗結果

本工程對具有重要建（構） 筑物的五個關鍵區域進行了靜力載荷試驗，其中前三個均位于脫硫脫碳裝置區，第四個位于脫烴裝置壓縮機房區域，第五個位于脫硫脫碳裝置溶液儲罐及地坑區域，具體位置由業主、監理和設計共同選定。試驗在分層碾壓完畢的地表下挖0.5 m后進行試驗。本工程淺層平板載荷試驗采用了慢速維持荷載法，使用1 m2方形載荷板，最大加載至360 kPa，分8級加載，每級荷載增加45 kPa。試驗現場見圖6。

圖6 平板載荷試驗現場

根據5個平板載荷試驗點結果，各試驗點加載至最大荷載（即360 kPa） 時，均未出現沉降急劇增大、土擠出、承壓板周圍明顯隆起等現象，最終沉降量為2.82～8.45 mm，均小于承壓板寬度的6%。各檢測點均為緩慢變形，根據《建筑地基處理技術規范》，地基承載力特征值取最大加載量的一半或變形值為10 mm時所對應的荷載。根據測試結果（見表4），承載力特征值均滿足設計要求。

表4 靜力載荷試驗結果匯總

5 結束語

本文對地基處理的水墜砂法進行了介紹，并結合土庫曼斯坦巴格德雷合同區域A區改建擴能工程（80×108m3／a原料氣） 的試驗段實際情況，制定了詳細的地基處理方案和技術控制要點，并付諸實施，然后通過干密度試驗、動力觸探試驗和靜力載荷試驗對地基實際處理效果進行了驗證。項目成功投產以來運行正常，建構筑物沉降觀測均顯示正常。水墜砂法作為非規范收錄的地基處理方法，首次在中國石油海外大型EPC項目中被成功應用，進一步論證了該方法在砂類地區工程中的可行性，可為后續類似項目的地基處理提供一定的指導和借鑒。