膨胀土基坑回填处理方法

2015-01-26强鲁斌

资源环境与工程 2015年5期

强鲁斌，李迷

(长江岩土工程总公司(武汉)，湖北武汉 430010)

南水北调中线工程总干渠渠线长约1 276 km，沿渠线穿渠、跨越等建筑物布置较多，且种类、型式多样。渠线所经不同的流域，地质条件复杂，其中渠线分布的膨胀土岩长度比例约占总干渠长度的1/4［1］。

在中线工程淅川段工程建设区，分布有深挖方膨胀土渠道和高填方膨胀土渠基，最大挖深和最大填高分别约为47 m和17 m［2］，渠道存在的工程问题中较为突出的也是最难解决的就是膨胀土(岩)问题［3］。因膨胀土自身特有的膨胀性、多裂隙性和超固结性工程特性，开挖的基坑在施工过程中存在多方面因素可能影响回填处理质量，尤其是可能引起对膨胀土边坡或渠堤安全稳定的影响。作者有针对性地对开挖基坑施工回填过程存在的问题进行了详细地分析研究，提出回填处理措施及注意事项，并强调类似膨胀土工程区工作的侧重点。

1 膨胀土工程特性

膨胀土是一种特殊性土。在工程建设中其胀缩变形被认为是顽症，“晴天一把刀，雨后一泡糟”说的就是其工程特性。影响膨胀土工程特性的矿物成分主要是土体含有遇水膨胀、失水干缩的蒙脱石和伊利石。土体力学强度因其外在的反复胀缩性具易衰减难恢复的特点，膨胀性随着埋深的增加而增强;内在原因是其具有超固结性和多裂隙性特点，超固结性在土体减载卸荷后多以水平向膨胀力释放，同时多裂隙性促使土体的完整性遭受破坏，降低了土体的力学强度，说明其地质结构和力学强度具有分带性和时效性［4－5］。膨胀土工程特性还在于引起的滑坡具有独特的破坏机理特征，形态上表现在后缘较陡，以受拉为主，中前缘较缓近于水平［6］，破坏形式先是浅表层受环境影响变形，不断往深处发展后，再以推移形式滑动破坏，并向两侧及深部逐渐发展，不断牵引后部坡体，有的最后演变成滑坡群。

2 膨胀土基坑类型

南水北调中线工程膨胀土渠道开挖或填方渠堤清基时，渠坡及渠基会遇到与渠道相交的建筑物。所开挖的基坑因建筑物设计类型的不同，基坑尺寸、形状及开挖深度差异较大。基坑回填处理时，施工作业会受场地限制，因基坑作业面多狭小，无法进行大范围的机械化作业。根据不同类型的基坑，因设计要求处理措施的不同［7］，其基坑回填难易程度有所不同。应针对性地分别对待处理，可采用不同的方法回填处理，如采用人工滩铺，配合小型蛙式打夯机进行碾压。

渠道开挖及渠堤基坑回填主要有以下类型。

2.1 穿渠、河渠倒虹吸建筑物基坑

依渠道方向分顺渠和穿渠两类基坑，或按照流域面积大小亦可分左岸排水和河渠交叉基坑等。上述类型建筑物管身段开挖基坑范围、深度一般较大;进、出口段设计结构冀墙背面基坑，因建筑物管身段先回填，后期对进、出口段进行施工开挖，该部位形成的基坑形状、尺寸复杂，空间狭小。

2.2 跨渠墩柱基础建筑物基坑

主要有两类建筑物公路桥和渡槽，均为墩柱基坑。基坑开挖尺寸深浅、大小不一，以矩形狭长居多，且周边边坡多较陡;部分建筑物因上部结构，施工大型机械需要较大作业平台，墩柱基坑超范围开挖，形成较大的基坑。

2.3 渠道、道路清基基坑

填方段渠道及道路引道施工前，一般对基面进行清基处理，主要是清除基面表层一定厚度的耕植土。清基过程遇到坟、井及鱼塘等低凹处形成基坑;公路桥引道原路基两侧冲沟清基形成的基坑;在墩桩基础施工过程中，清基面上挖有泥浆坑，人为形成一些基坑。

3 基坑存在的问题、形式及潜在影响

在工程建设过程中，很多方面会影响到工程建设进度和质量，比如天气、施工组织及工程处理情况等。对膨胀土来说，因其具有的工程特性，采用现代机械化的施工开挖方式，给基坑处理带来一些工程问题，处理难度增加。引起的问题不但会影响到工程建设进度，若处理不善极有可能会影响到工程质量。

3.1 存在的问题

针对南水北调中线工程淅川段膨胀土来说，开挖的各类基坑主要存在以下几方面问题。

3.1.1 边坡过陡问题

开挖产生的基坑边坡一般多较陡，坡度约50°～70°。较深的基坑施工处理前要求对边坡进行放坡处理，这时受基坑大小的限制，造成边坡开蹬较困难，放缓边坡条件也不允许，难于满足回填处理要求;部分桥梁基坑因施工工序不当，上部结构施工完成后，造成基坑上部空间比较矮小，不易施工作业。

3.1.2 土体风干碎裂问题

开挖成型基坑长时间放置过程中，在短期内就会发生显著的结构破坏，基面表层土体失水风干碎裂。风化碎裂现象随着时间加剧，厚度不断加深。土体呈坚硬碎块状或散粒状，加之基坑开挖边坡多较陡，雨季降水沿风化干裂缝渗入坡体内部，反复胀缩后引起边坡局部发生变形或坍塌。裸露过久的膨胀土边坡经历雨淋日晒，多外硬内软，难于彻底清理干净。

3.1.3 地下水处理问题

对于膨胀土基坑中的地下水来说，一般多为不连续“鸡窝状”渗出，呈线状分布，且渗水量不大，无明显渗流汇积，土体湿软，裸露不久渗出部位地下水多易消失。基坑在回填处理后，“鸡窝状”地下水重新恢复，回填压实的水泥改性土因渗透性相对较小将成为隔水层，致地下水没有渗出通道。地下水在回填界面处汇积，该部位土体往往形成软弱带，对膨胀土基坑边坡稳定构成威胁。

3.1.4 基坑积水问题

在雨季或地下水丰富时，已开挖基坑形成长期汇积水现象。对膨胀土来说“水易进而难出”，基坑土体浸泡后结构遭受破坏，软化而强度降低，引起土体性状恶化。

3.1.5 开挖方法及工序不当问题

膨胀土基坑一般要求避开雨季进行开挖，避免开挖后回填不及时。雨水的入渗及对基坑边坡的冲刷，使土体强度降低，带来安全隐患。穿渠建筑物基坑两侧边坡出现失稳现象多发生在汛期。

3.1.6 其它问题

对开挖较小基坑，所需回填用料一般较少。因回填料多为残余剩料或削坡余料［7］，存在用料含水量偏低碾压不实问题，或使用过程中洒水保湿措施不到位问题。

3.2 存在的形式

基坑存在的问题一般都是多样并存。对于不同的基坑，问题的存在形式有所不同。

(1)墩柱基坑及其施工中基面上挖的泥浆坑，深约1～5 m。回填处理过程中，因施工队伍技术参差不齐，没有按照回填处理技术要求作业，私下回填处理不实，施工质量不能满足设计要求;回填材料中混有大量建筑垃圾，或掺杂膨胀土进行拌料，或受降雨影响的软土清理不彻底等。该类基坑边坡多较陡，开蹬处理和墩柱周边碾压均较困难。

(2)高填方渠基及高填方道路引道清基，基面发育的沟槽多为贯穿整个渠道的冲沟，是地表水系汇积排泄通道，深约1～3 m。沟底及两侧沟边多年杂草及树根丛生，沟底含腐蚀质、有机质根系土堆积较厚。清基后基面地势多低凹，起伏不平。存在的问题主要是沟内较厚的含腐蚀质有机质土体清除不彻底，或道路绕行所需场地平整占压，冲沟被掩埋。

(3)半挖半填渠段和高填方渠段穿渠建筑物进、出口段基坑，因上下游侧渠堤及建筑物管身段的提前填筑，在进、出口段清基开挖后形成的基坑更加低凹，与已填筑部位相接合处坡度较陡且基面狭小，空间形态多样，回填处理困难，存在开蹬及碾压较困难;或因放置时间较长基坑表层土体风干碎裂破坏，或在雨季长期积水软化基面等。

(4)井、坟基坑多在高填方渠段清基面内出现，小型水井基坑一般好处理，对大型机井、比较古老的空腔坟基坑处理有难度，如古坟多用砖砌成空腔，埋深一般1～2 m，多三五成堆出现。例如在一段长80 m的渠段，共发现该类坟基坑约17处。工程建设前期，部分古坟经非法人员私自采挖，形成的凹坑掩埋不实;水井、坟基坑若发育在渠坡上，处理范围需按要求进行扩大。

3.3 潜在影响

在工程建设过程中，若膨胀土基坑回填处理不当，就难于满足工程设计要求。通过上述基坑存在的问题和不同基坑情况的分析归纳，主要潜在影响因素有:回填土与原基面土体间碾压不实、基坑内湿软土体清理不彻底，以及回填前未进行放坡、开蹬处理。

多方面因素影响造成新老结合面结合不良，回填土体部分易发生脱坡、不均匀沉降等，引起边坡变形破坏、地基沉降变形问题;回填掩埋的风干碎裂土层成为地表水入渗的通道和地下水的汇积区，进而引起土体工程性状恶化，诱发边坡变形，最后失稳破坏，并不断往深处及两侧发展。

4 回填处理及注意事项

4.1 回填处理

对膨胀土基坑的回填处理，设计上一般多采用掺量3% ～8%水泥的粘性土［8］，也可采用非膨胀土、弱膨胀土、掺量5%砂或碎石的粘性土及掺量＞10%水泥的粘性土等进行回填，并碾压达一定密实度。膨胀土基坑开挖成型后，多多少少总会受到内在和外在不利于回填处理的多种因素掺杂的影响，使回填处理的难度增大。因此，对膨胀土基坑的回填处理应侧重于回填土体与原基面土体的结合部位，同时做好地下水的疏排处理。

主要回填处理措施及对策:

(1)基坑回填处理采用压实法，并根据基坑情况选用机械碾压或人工夯实。此方法以增大土体干密度，并减小土体含水量，掺水泥和碎石主要是减小并改变土体的膨胀特性;对已破坏的膨胀土体如风干碎裂、浸泡软化等多采用挖除法进行处理;对基坑边坡过陡现象采用开蹬处理时，夯实工序安排要跟紧。

(2)对高地下水位基坑，先采用降水处理，埋设透水管井，水位降低于基面1.0 m左右时，确保干地施工，保证基面土体结构不受明显破坏，再进行回填;当回填高于地下水位0.5 m时，对透水管井进行混凝土封堵回填处理。

地下水处理一般在基坑周边布置盲沟导排，采用集水井进行抽排;对基面土体下部微承压水渗出基坑，采用轻型井点进行降水，并在基面布设盲沟导排。

(3)对土体含水量较高基坑，先采用翻晾晒，或换填一定厚度水泥土或碎石土，再进行回填处理;对砂性土基坑采用砂砾卵石土回填一定厚度;对滑坡清理形成的基坑分两类处理:一是较小滑坡对滑体全部清除;二是较大滑坡削坡减载后，对未清除的滑体中前部增设抗滑加固处理措施。