水墜砂技術在靖邊氣田站場建設中的應用

范啟明 張鵬

摘 要：在沙漠地區進行的建設工程，由于其特殊的地質條件，不能采用類似于其他地區傳統的地基處理方式，如翻夯、壓實、震搗等。以往的靖邊氣田北部地區構筑物基礎處理主要是采用深挖、換填的方式，其處理費用較大，而且會因地下水的滲透產生大幅度強度減弱，易產生建筑病害。水墜砂采用了在開挖砂地基槽內大面積、連續性放水、潔凈砂逐層密實的方法，使地基在飽和水作用下不再發生沉降和塑性變形，以達到加固地基的目的。

關鍵詞：砂土地基；水墜砂；加固

1 概況

截止2013年，靖邊氣田在毛烏素沙漠邊緣砂土地基之上共有集氣站34座、污水處理站一座，以及第一、第二兩座凈化廠及正在建設的第五凈化廠，且在沙、土交界地帶也建有多座集氣站。隨著靖邊氣田北區開發力度的逐漸加大，各站、場的改、擴建和新建工程必將增多，尤其是北區數個壓縮機站的興建已成為了采氣一廠近期的重點工作。北區不良的地質條件是否能夠得到有效的改善，就成為了決定工程質量優劣的一個重要前提。

充分的掌握水墜砂工藝對于指導靖邊氣田日后的新建工程、油維工程、改擴建工程、技術改造工程等都有十分重要的指導意義。但截止目前，我國并未對水墜砂工藝有一個明確的、可操作的標準設計、施工規范，因此水墜砂施工工藝仍處在一個逐漸摸索、逐漸認識的階段。本文利用采氣一廠近年在靖邊氣田范圍內新建工程的施工管理和地基處理工作所獲得的經驗和累積的一些數據，對水墜砂的施工工藝進行介紹和治理效果分析，力求能夠對今后我廠的各工程產生積極的幫助，同時尋求該工藝的逐步完善。

2 靖邊氣田北區地質和巖性特征

靖邊氣田北區地處陜西榆林市榆陽區、靖邊縣、橫山縣和內蒙古烏審旗交界處，地貌單元為固定沙丘，地表大面積覆蓋風積砂，表層土多為細砂，厚度大，土質均一、松散、壓縮性大，并且其天然含水量低，級配良好，大多數呈無結構或弱團塊結構，表層土具有良好的滲透性，其承載力較低，且不同層位的地基承載力差異較大，未經處理，一般不能滿足工業與民用建筑要求。靖邊氣田北區各層地基土巖性特征及地基土承載力特征值fak詳見表1。

場地地下水屬第四系松散層潛水，在工程建設較集中的春夏季節地下水位埋深在8.9～13.3m之間。采氣一廠新建站場及設備基礎開挖深度一般都保持在表1中①～③層中， fak值變化幅度較大，①層地基承載力較低，不能滿足使用要求。

3 水墜砂工藝簡介

3.1 理論基礎

所謂水墜砂，就是通過水對砂子的水墜作用，使砂粒之間根據天然級配重新排列組合，讓砂土層形成密實的沙土墊層， 達到較高的密實度和承載力來承受建（構）筑物的作用力。

在沙漠地區施工中，基坑開挖加深部分采用水墜砂進行處理，通過分層回填純凈的砂，然后往基坑內灌水，使其淹沒砂層并高出砂層表面10～20cm，借助水下滲的作用力，讓砂粒隨之下墜并重新排列組合，砂粒間的空隙隨之縮小，砂粒緊密接觸，待水按一定方式滲透使砂持力層含水達到飽和狀態，松散的砂層即被墜實，加之人工和機械碾壓，形成比較密實的墊層。

這一技術主要利用砂土的兩個特點：一是砂土顆粒細小，一旦形成緊密接觸狀態，砂粒之間的空隙率很小，密實度較大 ；二是砂子本身不吸水，一旦形成緊密接觸狀態，其密實度不會再受地下水的影響。

3.2 水墜層厚度的選擇

水墜層厚度的確定，與一般墊層類似，詳見圖1

圖1 水墜層剖面示意圖

作用于水墜底面處砂土層的自重應力與附加應力之和不大于下臥層的承載力，即：

PZ+PCZ？芨fz

式中：PZ-水墜層底部處的附加應力設計值，kPa；PCZ-水墜層底面處的自重應力設計值，kPa；fZ-水墜層底面處土層的地基承載力設計值，kPa。

其中PZ除通過彈性理論的土中應力公式求得，也可以用擴散角θ求得。其計算公式為：

條形基礎 PZ=b（P-PC）/（b+2ztgθ）

矩形基礎 PZ=bL（P-PC）/[（b+2ztgθ）（L+2ztgθ）]

式中：b-條形或矩形基礎底面寬度，m；L-矩形基礎底面長度，m；P-基礎底面壓力，kPa；PC-基礎底面處自重應力標準值，kPa；z-水墜層厚度，m；θ-水墜層壓力擴散角，°；

當z/b=0.25 取θ=20°，當z/b？燮0.50 取θ=30°

兩者之間可以內插，水墜層厚度一般在1～3m之間，長慶設計院設計要求水墜深度為1.5m。

3.3 水墜層寬度的確定

采用應力擴散角法確定

b′？芏b+2ztgθ

式中：b′-水墜層底面寬度，m；θ-水墜層壓力擴散角，°。

4 水墜砂工藝施工方法

4.1 適用范圍

本方法目前限于疏松的天然砂基進行表層處理，而且基礎之下未見軟弱下臥層，如軟土、淤泥、垃圾土、腐殖土等，一般的工業與民用建筑地基均能達到很好的治理效果，根據施工經驗及理論表明，粒度較大的中粗砂處理效果最好，其次為細砂，粉砂需摻入一定量中粗砂或細砂水墜，可取得較好的工程效果。

水墜法施工對地下水位的要求很高，要求地下水位必須低于需加固的土層，地下水位只有較低時，才能產生自上而下的壓力差，帶動砂土顆粒趨于密實，否則不能產生足夠的壓力差或水會反滲透，從而造成砂土上浮。因此，排水和降水是地基處理的關鍵。

4.2 施工方法

4.2.1 按照設計平面位置開挖基坑（槽），至設計底標高0.2m時，由人工配合平整至設計底標高。

4.2.2 按規范要求進行普探，對地基中的坑穴、空洞等問題進行處理，同時檢查基坑持力范圍內地質、巖性特征有無明顯差異，若存在差異需及時進行治理甚至平移建筑物位置，消除隱患。

4.2.3 由監理、甲、乙等各方共同驗槽，確認基底尺寸。

4.2.4 推土機或裝載機自施工坡道進入基坑進行底夯，按兩縱一橫碾壓，較窄部分也可使用蛙式打夯機灑水碾壓。

4.2.5 使用自卸汽車進砂，推土機攤鋪，人工配合，每層厚度250～300mm為宜，最佳厚度280mm為佳，為保證每層厚度一致，每10m設1個找平點，呈梅花狀布置，按照場地設計坡度拉線找平。

4.2.6 沙層鋪平后根據場地大小，以能有效蓄水為原則，將場地劃分為若干方格，使用20cm高散砂堆砌分割，使用水龍頭對每個方格進行連續澆水，當整個方格面積內存水面明顯略高出砂面且不會繼續下滲、水與砂分層明顯，即證明該砂土墊層達到飽和狀態，此時用手觸摸其表層時會粘滿水。放水時工人清理樹根、草枝等雜物。

4.2.7 使用裝載機或推土機按縱五橫三方式進行碾壓。

4.2.8碾壓完畢立即做密度試驗，壓實系數不小于0.95。

4.2.9 試驗不合格時應加遍碾壓，試驗合格后方可進行下層施工，如此循環直至設計標高以上0.3～0.5m處，目的是為阻止設計標高處的砂墊層內水分散失以及人員、機械對墊層的破壞和擾動。采用標準貫入法進行地基承載力檢測，若達不到設計要求時應采取補強措施，檢測合格后清除多余的0.3～0.5m砂土再進行下道工序，水墜砂施工工藝流程見圖2。

4.3 質量控制

4.3.1 砂源控制：施工用砂一般為就地挖出的干凈粉砂、細砂，其含污量應控制在13%以下，小于0.074mm的顆粒控制在15%以下，若砂墊層中細小顆粒過多，會阻止水分順利的通過砂墊層，細小顆粒還會和水共同產生“膠結效應”，使砂層變成水分無法滲透的“橡皮土”。

4.3.2 水量控制：注水時需連續進行作業，且必須使用泵送水源進行水墜，盡量避免夏天11點-15點之間進行施工。

4.3.3 碾壓厚度控制：虛鋪砂層厚度以250～300mm為宜，最佳厚度280mm，最大虛鋪厚度不能超過320mm。

4.3.4 平整度控制：表面平整度誤差不能超過50mm。

4.3.5 干密度控制：嚴格按照規范要求檢測，干密度、壓實系數要符合設計要求。

4.3.6 成品保護：施工上一層水墜砂及清除多余砂層時，禁止擾動下層砂，防止砂粒組成的變異。

5 水墜砂工藝案例分析

本文選用靖邊氣田2008年新建北24集氣站為案例，進一步對水墜沙工藝的改良效果進行分析和評價。該站地處毛烏素沙漠邊緣，為典型沙漠地形，其地基巖土結構和性質具有代表性，能夠真實反映北區普遍的地域特點。

5.1 工程概況

靖邊氣田2008年產建工程北24集氣站為1層磚混結構，條形基礎，值班室和注醇泵房建筑面積總和為301.76m2，屬丙類建筑。

5.2地基處理原因與方案

由于天然地基由表1中①類土構成，承載力不能滿足上部荷載要求，為提高地基承載力、協調地基不均勻性，設計采用水墜砂墊層整片換填處理方案。

5.3 砂石墊層設計參數

墊層頂標高2.0m，墊層厚度1.5m，外放大于1.0m，填料為原地開挖出的天然級配粉砂。墊層下臥層為細砂層，fak=70kPa。

設計要求墊層地基壓實系數ce？芏0.95，承載力特征值fak=140kPa。

5.4 施工概況

采用裝載機攤鋪和碾壓，同時進行人工配合，攤鋪厚度控制在300mm，向基坑內浸水，用裝載機以三縱兩橫的方式碾壓，共計5層。

5.5 檢測內容及檢測依據

5.5.1 確定水墜砂墊層地基承載力特征值。

5.5.2 評價水墜砂墊層地基整體均勻性。

5.5.3 檢測依據：《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2002）、《建筑地基處理技術規范》（JGJ79-2002）、《建筑地基基礎施工質量驗收規范》（GB50202-2002）、《巖土工程勘查規范》（GB50021-2001）。

5.6 檢測方法

檢測采用標準貫入試驗和載荷試驗，為了對比天然地基和處理后地基的承載力差異情況，在天然砂層上也進行了標準貫入試驗和載荷試驗，檢測點平面位置見圖3。

5.6.1 標準貫入試驗

（1）實驗方法。標準貫入試驗是用63.5±0.5kg的穿心錘，以0.76±0.02m的自由落距，將一定規格尺寸的標準貫入器在檢測點打入土中0.15m，記錄再打入0.30m的擊錘數，稱為標準貫入擊數，試驗結束后根據記錄繪制N-H變化曲線進行分析。

（2）試驗結果分析。從3處天然砂層的標準貫入試驗N-H變化曲線（見圖4）可以看出，30cm的垂擊數小于4擊，還未達到“松散”標準的10擊，說明砂層基本無承載力；通過6處水墜砂墊層的標準貫入試驗N-H變化曲線（見圖5）可以看出，捶擊數始終保持在25擊以上，最高達39擊，最高增幅達12倍，說明水墜效果明顯，整體比較密實。

5.6.2 地基承載力試驗

（1）實驗方法

現場載荷試驗是在工程現場通過千斤頂逐級對置于地基土上的載荷板施加荷載，觀測記錄沉降隨時間的發展以及穩定時的沉降量s，將上述試驗得到的各級荷載與相應的穩定沉降量繪制成p-s曲線和s-lgt曲線（見圖6～圖13），即獲得了地基土載荷試驗的結果。

（2）試驗結果分析

分析3處天然地基載荷試驗的p-s曲線和s-lgt曲線變化形態，作如下分析評述：

T1和T3點均在加載至245kPa時，沉降量突然增大，p-s曲線出現了拐點，已達到其承載極限，T2點在210kPa時，也出現了此情況；綜合判定天然地基承載力特征值為100kPa。

分析經過水墜處理的5處地基載荷試驗的p-s曲線和s-lgt曲線變化形態，作如下分析評述：（1）在0～360 kPa壓力段內，曲線呈線性變化，表明地基在該壓力段內變形處于壓密變形階段，未出現塑性變形。（2）s-lgt曲線簇密集、平行、等距均勻變化，在單位時間內、各級荷載作用下，沉降量平均。（3）載荷試驗有關數據參見表2。

依據《GB 50025-2004》規范之相關規定，判定該地基承載力特征值fak=180kPa。

5.7 檢測結論

通過對靖邊氣田北24集氣站新建工程水墜砂地基各檢測方法的綜合分析和對比，得出以下結論：（1）水墜砂墊層承載力特征值fak=180kPa。（2）水墜砂墊層密實度較好。（3）經過水墜后的墊層內部密度相當，應力在其中分布均勻且傳遞流暢，整體均勻性較好。（4）在對北24站的天然地基和水墜砂墊層檢測數據的對比分析發現，水墜砂墊層可以提高地基的承載力，協調地基均勻性，在相似巖性特征地區是一種成功的地基處理方案

6 結束語

實踐證明，水墜砂法在靖邊氣田北部地區進行沙基處理，有一定優越性，根據相關學科研究結果顯示，作為沙漠砂，不存在“最優含水量”之說，往往在干燥狀態下和近飽和狀態下可以極大密實，水墜法處理地基時砂土的孔隙度可減小20%，地基承載力提高了至少約1.7～2.6倍。從實際情況來看，我廠北區各集氣站房屋及設備基礎出現質量問題幾率很小，且隨時間延續并無明顯強度退化現象。

在經濟指標方面，采用水墜換填法處理土地基，施工機械要求不高、容易組織，工藝流程簡單，可就地取材，所耗費用較低，比較適合諸如集氣站等單層、淺基礎構筑物的基礎加固工程。相比之下，現在普遍采用的“碾壓法細砂地基處理工藝”、“強夯法細砂地基處理工藝”、“振動砂、礫樁法細砂地基處理工藝”要求配合諸如震動壓路機、打樁機等特殊設備和機具，更適合多層、深基礎和對地基荷載有特殊要求的建筑，在我廠的應用性價比不高。

綜上所述，使用水墜法處理砂層地基是砂類地區最有效、最經濟的地基處理方法，尤其適合靖邊氣田北部的站、場結構特點，能夠做到投資效益最大化。本文力求通過典型工程的現場試驗，來闡明這一工藝的基本原理和優越性，但是并不完善，希望能夠起到拋磚引玉的作用引起更多技術人員的思考，進一步完善、優化施工工藝，不足之處，敬請批評指正！

參考文獻

[1]潘將芹.水墜砂技術在砂土地區地基處理中的應用.石油工程建設，2007，33（5）：43.

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