灌坑水坠加碾压地基处理方法试验

2022-09-28张大剑李永星

陕西煤炭 2022年5期

张大剑，李永星

(中煤西安设计工程有限责任公司，陕西西安 710054)

0 引言

毛乌素砂漠腹地有丰富的风积砂，该地区在地基处理方式时通常选用砂石垫层、CFG桩复合地基、水泥土搅拌桩、振冲桩、灌注桩等方法[13]。由于石子一般需要从宁夏、山西等地运到现场，成本相对较高，桩基养护检测工期较长，当地村民一般采用水坠砂进行地基处理。水坠砂法在工程领域应用广泛[46]，工程技术人员对水坠砂原理、方法、影响因素、经济性、施工工期等方面进行了大量研究[712]，但水坠砂受施工人员技术水平、责任心及施工工艺等影响较大。此外，地基处理规范中缺少水坠砂方面的相关条文。为此，对灌坑法水坠砂+碾压地基处理方法进行试验研究。

1 工程概况

巴拉素矿井工业场地位于榆林市榆阳区巴拉素镇西北约10 km的武家梁村，行政区划隶属榆阳区巴拉素镇管辖。巴拉素煤矿井下水处理站工程是对巴拉素煤矿井下排水进行处理，处理后的井下水除矿井及选煤厂自用外，其余处理达标后外排。膜处理车间地基土均为砂土层，大片水池区域采用了灌坑法水坠砂+碾压地基处理方法，其他区域主要采用了振动法水坠砂+碾压等地基处理方法。水池区域地基灌坑试验基坑为117.5 m×56.0 m，深度-3.570 m；基坑开挖范围内土质基本为粉细砂土层，土质松散，天然地基压实度系数达不到设计要求。根据工程地质测绘及钻孔揭露情况，场地地层由新至老依次为第四系全新统素填土(Q4ml)、风积砂(Q4eol)、泥炭质土(Q4l)，上更新统萨拉乌苏组湖积砂(Q3ls)，白垩系下统洛河组砂岩(K1l)。勘察单位给出的各地基土层的承载力特征值详见表1，标准贯入试验实测结果详见表2。

表1 地基土承载力特征值及压缩(变形)模量

表2 标准贯入试验实测结果

2 水坠砂+碾压地基处理原理

水坠砂方法是将基坑内松散砂层挖出，用符合要求砂土分层回填，对地基土进行围堰成田字垄并将其内部整平，然后向田子垄内砂层注水，保持水头一段时间，砂土吸附水的能力较差，水位下降的过程中，砂土层顶部的水由于水头差自上而下渗透，渗透水对砂土产生动水压力，进而带动砂土颗粒重新进行排列分布，最终由疏松变成密实的新结构；然后采用重型压路机或装载机端重物静载碾压，碾压时应保持轮宽覆盖不小于1/3，压实度系数最终由实验室现场取样检测得到，如压实度不符合设计要求，重新水坠+碾压，一直到地基压实度合格，下层满足要求后方可进行下一道施工工序。其根本原因是砂土微观结构重新调整，即砂土层在水渗流作用下砂土结构由处理前疏松微结构变为相对紧密状态，砂土层经处理后密实度提高，地基承载力提高。

3 灌坑法水坠砂+碾压砂土地基处理方法

灌坑法水坠砂+碾压地基处理施工流程为基坑开挖、基槽底整平、机械分层回填、分层灌坑、分层碾压、分层取样压实度检测。基坑开挖时采用机械开挖，不用担心原状土扰动，整平后灌坑水坠+碾压能解决该问题。将基底以下扰动、虚铺的松散砂土层进行了土层机械整平。基坑回填砂土后整平尤为重要，一是能够保证各个地方水坠效果一致，二是便于后续碾压。水池区域水坠注水时处于雨季，利用天时地利，刚好遇到了大雨，将整个矿区收集处理后的雨水排入基坑中，持续注水一个晚上，注水后基坑内水头达到了50 cm以上。试验灌入基坑内水量较大，2 d内水位依然高出基坑底标高0.2 m，第3天采用了插管降水，水位下降的过程中对基坑内砂土层形成二次水坠，水坠后效果良好。为试验地基土含水率对碾压影响，现场临时另外找局部区域进行了试验，含水率过高，碾压后出现了橡皮土的现象；含水率低，砂土层难以压实，水分越小碾压后砂土层越松散；砂土层暴晒后碾压或未洒水进行碾压，碾压未能压实砂土层反而扰动了原土层。灌坑水坠后，本工程采用装载机端重物进行碾压，为保证良好的碾压效果，当砂土处于最优含水率时进行大面积碾压，碾压时保持轮宽覆盖不小于1/3，轮迹布满整个作业面，碾压次数不得少于5遍，碾压后效果良好。每层砂土压实后，通知具有专业检测资质的实验室进行检测，检测后压实度如符合本设计要求才能进入下一道工序，不合格时应重新洒水、碾压，直至满足设计要求为止。

4 试验现象与试验结果

4.1 试验现象

砂土级配对水坠砂的影响：现场试验发现，同样的处理方法，砂土级配好的区域压实系数高；此外含泥量对水坠也有影响，含泥量高的地方，水流下渗的速度慢，碾压时，容易出现橡皮土的情况，压实效果不佳，局部区域采用了换砂后重新水坠。

水头及水量对水坠的影响：水头差大的区域引起的动水压力大、下渗持续时间长，水坠效果好。灌坑法水坠用水量大，可因地适宜，水源比较丰富时，可采用该方法，能够省去很多人工，加快施工进度；水源不是很充足时，不建议采用灌坑法，砂层渗流速度快，用水量巨大，如用车辆运输成本相对较高，水头也不容易保持；水头保持到位则水坠效果好，否则水坠效果差，处理后地基不均匀，土层整体压实效果难以达到预期。本工程水池基坑底距地下水位较近、需处理砂土层很薄，如用常规方法降水，基坑降水面积大，需要人工多，工期长。本工程施工正处于雨季，时常下雨，现场雨水、地下水水源较为丰富，给灌坑法水坠创造了条件。本工程地基处理时下了大雨，进行了灌坑试验，连续两日水头保持50 cm以上；灌水完毕后采用了插管降水，对砂土层进行了再次水坠，降水后砂土表层效果良好。

碾压对表面浮土的影响：土层顶部砂土水头小，受到的压力只有水头自重压力，土层底部承受层底以上的水重+土自重，压力呈现下部大上部小，水坠后表层砂土密实度较底部不足，干燥后用脚蹬后声音木讷。为确保表层松散砂土的压实效果，用装载机端重物方式进行了碾压，处理后地基明显好于未碾压地基土，土层表面有明显压实痕迹；碾压设备的重量越大，压实效果越明显。

含水率对砂土地基处理的影响：通过现场试验，含水率较低或者干燥时，用铲车端重物10多遍碾压地基土后依然为松散砂土层，且有扰动原土层迹象，砂土级配变差。含水率过高时，现场表现为泥坑，车辆难以通行；含水率较高时，表现为软塑状的橡皮土，碾压完毕后踩上去会有颤动感觉；含水率在最优含水率附近时，碾压效果最好，踩不下脚印。试验表明，含水率是砂土层地基处理的主要影响因素，水坠+碾压地基处理完毕后应立即封闭基坑进行基础施工，切忌水坠后暴晒基坑后碾压，此时再碾压起不到任何有利作用。

4.2 试验结果

击实试验：实验室现场取样后，测得最大干密度为1.85 g/cm3，最优含水率为11.6%，砂土干密度与含水率关系如图1所示。同一场区其他车间区域砂土层的最大干密度1.75 g/cm3，最优含水率为10.6%。试验表明，虽同处于一个大片区，但由于砂土分布差异，最大干密度、最优含水率不尽相同。实际施工时应对地基土先进行试验再水坠，不盲目套用其他工程的资料。

图1 干密度与含水率关系Fig.1 Relationship between dry density and moisture content

关系压实系数：膜处理车间水池区域“灌坑水坠+碾压”试验，在处理后砂土层地基中共取了12个点，其中5个点压实系数为0.96，4个点压实系数为0.97，3个点压实系数为0.98，所有数据点压实系数均大于0.96，处理后砂土层地基试验数据见表3。试验过程中，每层砂土层水坠碾压后及时通知实验室检测，检测结果满足设计要求后进行上一层施工，不合格区域经局部换填级配较好砂土，水坠后重新用机械碾压，直至满足要求为止。整个场地灌坑水坠+碾压处理后的压实系数均不小于0.96，试验结果达到了设计压实度要求。