灌坑水墜加碾壓地基處理方法試驗

張大劍，李永星

(中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054)

0 引言

毛烏素砂漠腹地有豐富的風積砂，該地區在地基處理方式時通常選用砂石墊層、CFG樁復合地基、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、山西等地運到現場，成本相對較高，樁基養護檢測工期較長，當地村民一般采用水墜砂進行地基處理。水墜砂法在工程領域應用廣泛[46]，工程技術人員對水墜砂原理、方法、影響因素、經濟性、施工工期等方面進行了大量研究[712]，但水墜砂受施工人員技術水平、責任心及施工工藝等影響較大。此外，地基處理規范中缺少水墜砂方面的相關條文。為此，對灌坑法水墜砂+碾壓地基處理方法進行試驗研究。

1 工程概況

巴拉素礦井工業場地位于榆林市榆陽區巴拉素鎮西北約10 km的武家梁村，行政區劃隸屬榆陽區巴拉素鎮管轄。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，其余處理達標后外排。膜處理車間地基土均為砂土層，大片水池區域采用了灌坑法水墜砂+碾壓地基處理方法，其他區域主要采用了振動法水墜砂+碾壓等地基處理方法。水池區域地基灌坑試驗基坑為117.5 m×56.0 m，深度-3.570 m；基坑開挖范圍內土質基本為粉細砂土層，土質松散，天然地基壓實度系數達不到設計要求。根據工程地質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素填土(Q4ml)、風積砂(Q4eol)、泥炭質土(Q4l)，上更新統薩拉烏蘇組湖積砂(Q3ls)，白堊系下統洛河組砂巖(K1l)。勘察單位給出的各地基土層的承載力特征值詳見表1，標準貫入試驗實測結果詳見表2。

表1 地基土承載力特征值及壓縮(變形)模量

表2 標準貫入試驗實測結果

2 水墜砂+碾壓地基處理原理

水墜砂方法是將基坑內松散砂層挖出，用符合要求砂土分層回填，對地基土進行圍堰成田字壟并將其內部整平，然后向田子壟內砂層注水，保持水頭一段時間，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，滲透水對砂土產生動水壓力，進而帶動砂土顆粒重新進行排列分布，最終由疏松變成密實的新結構；然后采用重型壓路機或裝載機端重物靜載碾壓，碾壓時應保持輪寬覆蓋不小于1/3，壓實度系數最終由實驗室現場取樣檢測得到，如壓實度不符合設計要求，重新水墜+碾壓，一直到地基壓實度合格，下層滿足要求后方可進行下一道施工工序。其根本原因是砂土微觀結構重新調整，即砂土層在水滲流作用下砂土結構由處理前疏松微結構變為相對緊密狀態，砂土層經處理后密實度提高，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、機械分層回填、分層灌坑、分層碾壓、分層取樣壓實度檢測。基坑開挖時采用機械開挖，不用擔心原狀土擾動，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行了土層機械整平。基坑回填砂土后整平尤為重要，一是能夠保證各個地方水墜效果一致，二是便于后續碾壓。水池區域水墜注水時處于雨季，利用天時地利，剛好遇到了大雨，將整個礦區收集處理后的雨水排入基坑中，持續注水一個晚上，注水后基坑內水頭達到了50 cm以上。試驗灌入基坑內水量較大，2 d內水位依然高出基坑底標高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砂土層形成二次水墜，水墜后效果良好。為試驗地基土含水率對碾壓影響，現場臨時另外找局部區域進行了試驗，含水率過高，碾壓后出現了橡皮土的現象；含水率低，砂土層難以壓實，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行碾壓，碾壓未能壓實砂土層反而擾動了原土層。灌坑水墜后，本工程采用裝載機端重物進行碾壓，為保證良好的碾壓效果，當砂土處于最優含水率時進行大面積碾壓，碾壓時保持輪寬覆蓋不小于1/3，輪跡布滿整個作業面，碾壓次數不得少于5遍，碾壓后效果良好。每層砂土壓實后，通知具有專業檢測資質的實驗室進行檢測，檢測后壓實度如符合本設計要求才能進入下一道工序，不合格時應重新灑水、碾壓，直至滿足設計要求為止。

4 試驗現象與試驗結果

4.1 試驗現象

砂土級配對水墜砂的影響：現場試驗發現，同樣的處理方法，砂土級配好的區域壓實系數高；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，容易出現橡皮土的情況，壓實效果不佳，局部區域采用了換砂后重新水墜。

水頭及水量對水墜的影響：水頭差大的區域引起的動水壓力大、下滲持續時間長，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，可采用該方法，能夠省去很多人工，加快施工進度；水源不是很充足時，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，土層整體壓實效果難以達到預期。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，時常下雨，現場雨水、地下水水源較為豐富，給灌坑法水墜創造了條件。本工程地基處理時下了大雨，進行了灌坑試驗，連續兩日水頭保持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，壓力呈現下部大上部小，水墜后表層砂土密實度較底部不足，干燥后用腳蹬后聲音木訥。為確保表層松散砂土的壓實效果，用裝載機端重物方式進行了碾壓，處理后地基明顯好于未碾壓地基土，土層表面有明顯壓實痕跡；碾壓設備的重量越大，壓實效果越明顯。

含水率對砂土地基處理的影響：通過現場試驗，含水率較低或者干燥時，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，現場表現為泥坑，車輛難以通行；含水率較高時，表現為軟塑狀的橡皮土，碾壓完畢后踩上去會有顫動感覺；含水率在最優含水率附近時，碾壓效果最好，踩不下腳印。試驗表明，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立即封閉基坑進行基礎施工，切忌水墜后暴曬基坑后碾壓，此時再碾壓起不到任何有利作用。

4.2 試驗結果

擊實試驗：實驗室現場取樣后，測得最大干密度為1.85 g/cm3，最優含水率為11.6%，砂土干密度與含水率關系如圖1所示。同一場區其他車間區域砂土層的最大干密度1.75 g/cm3，最優含水率為10.6%。試驗表明，雖同處于一個大片區，但由于砂土分布差異，最大干密度、最優含水率不盡相同。實際施工時應對地基土先進行試驗再水墜，不盲目套用其他工程的資料。

圖1 干密度與含水率關系Fig.1 Relationship between dry density and moisture content

關系壓實系數：膜處理車間水池區域“灌坑水墜+碾壓”試驗，在處理后砂土層地基中共取了12個點，其中5個點壓實系數為0.96，4個點壓實系數為0.97，3個點壓實系數為0.98，所有數據點壓實系數均大于0.96，處理后砂土層地基試驗數據見表3。試驗過程中，每層砂土層水墜碾壓后及時通知實驗室檢測，檢測結果滿足設計要求后進行上一層施工，不合格區域經局部換填級配較好砂土，水墜后重新用機械碾壓，直至滿足要求為止。整個場地灌坑水墜+碾壓處理后的壓實系數均不小于0.96，試驗結果達到了設計壓實度要求。

表3 壓實系數

5 結論

(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，水量充足時方可采用該方法。條件滿足時，該方法能夠節省人力、節約成本、縮短建設工期。

(2)灌坑法水墜砂+碾壓能夠解決粉細砂土層土質松散、堆積密度小、力學性質差的問題，從微觀結構上提高了砂土層的密實度，碾壓后砂土層壓實度系數能夠達到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；同一區域砂土層分布存在差異，地基處理前應先進行水墜砂試驗，不能盲目進行水墜砂地基處理。