砂地基上的水泥土回填分析

吳文奇 （碭山縣農業農村局，安徽 宿州 235300）

1 工程項目及地質概況

宿州市碭山縣2017年小型農田水利改造提升項目中心溝閘位于中心溝的下游黃河的右岸，水文地質為全新統（Q4），本統地層為沖積-洪積層，表面為黃河泛濫的沖積帶，以亞砂土所覆蓋，在垂向上以亞砂、亞粘、粘土互層，形成了復雜的地質結構，其沾積厚度一般為44～45m，少致為 56.27～63.58m，北層中常夾有1～3層黃色、灰黃色粉砂，單層厚度1.5～10m，屬河流沖積。該閘座落在粉砂地基上，考慮到地基變形和砂基的滲透，設計要求用水泥土（水泥含量12%，水泥標號po42.5）將其置換。水泥土置換層總厚度為1.5m，壓實度不小于0.94，7天強度大于 0.8MPa。水泥土拌和均勻后，水泥中的礦物與土中的水分發生水解和水化反應，生成氫氧化鈣、含水硅酸鈣、含水鋁酸鈣和含水鐵酸鈣等化合物。這些新生成的化合物在水中和空氣中慢慢硬化，增大了水泥土的強度，而且由于其結構致密，增大了水泥土的抗滲性能。

由于同期堤外廢黃河水位及周邊地下水位較高，又遇下雪天氣，因此降水工作較為艱巨[1]。施工降水以深井降水為主，在閘室段安排兩眼降水井，上下游連接段各布置一眼降水井。地下水位控制在41.3m高程。水泥土置換工作于2017年12月下旬開始施工，夯實設備為蛙式打夯機及履帶式壓路機。

水泥土回填坑坐落在粉砂土層，其中 0.25～0.075mm 顆粒含量在 80%左右，松散稍密，抗液化性較差。地基中伴有多層不規則淤泥夾層，不利于施工排水。由于水閘位于中心溝的下游及廢黃河的灘地上，水位相對較高，上游進水段基坑有一定的補給來水，加上土層中的多層不規則淤泥薄層的影響，使地基土層中含水量較大，一經擾動很易液化。具體表現為基土表面無自由水，但用腳在同一點用力踩數十下表面有水印，砂土呈液化狀。

2 施工過程與關鍵技術

施工前，施工人員放出換填位置的邊線，控制點每3m設置一道，現場打1m×1m的石灰方格網線，在控制樁位上標注素土松鋪厚度的標記，虛鋪厚度30cm。水泥采用po42.5袋裝水泥，土料為現場開挖土方，根據擊實試驗，最優含水量為17.26%，含水率控制在16%～20%范圍內。水泥用量采用公式為：

式中：Q——拌和時的水泥用量（kg）

V——鋪土壓實后的體積(m3)

1.8——水泥土最大干密度(1.8g/cm3)

水泥所用袋數：N=Q/50。

2.1 水泥攤鋪

按照放好的石灰方格網線，計算每個方格的水泥用量，水泥利用機動翻斗車直接到攤鋪段，卸載到做好標記的地點，并檢查有無遺漏和過多的水泥，水泥采用人工鋪設，均勻攤鋪在方格內，從而確保水泥含量的準確。

2.2 拌和

采用灰土拌和機進行干拌施工，拌和時用專人檢查拌和的深度和均勻度，保證拌和均勻，色澤一致，沒有灰條、灰團和花面[2]。拌和過程中要控制好混合料的含水量，含水量稍大于最優含水量。

2.3 碾壓

考慮到第一層水泥土輾壓時對地基的影響，為避免擾動地基，設計單位提出第一層土適當壓實，干密度不作具體要求，因此鋪墊第一層土后，選用履帶式拖拉機輾壓三遍。下游段由于地下水控制較好，施工進展順利。當輾壓至上游段時，由于地基中存有自由水，砂土極易液化。輾壓后整個水泥土層此起彼伏。

在經現場的觀察分析中發現，輾壓擾動后，水泥土層下被液化了砂土的演變可分為三個階段。第一階段為液化期，砂土經擾動后與其中的水及部分氣相一起組成具有較高流動性的液化流砂。此時，若將水泥土層挖開，可以看到砂土中含水量較大，但無自由水析出，適當施加壓力后能將流砂擠出，導致地基顆粒流失。第二階段為固結排水期，液化了的砂土在擾動停止后（約十余分鐘），由于流砂中砂粒的密度較大，在自重的作用下砂粒沉積并致密（固結），使多余的自由水析出到上層，砂水分離，水能從水泥土層的縫隙中冒上來。第三階段為短暫的穩定期，由于較多的自由水析出后，在土層的透水性并不太好（粉砂且有淤泥夾層的阻水作用），水份補給暫時不足的情況下，固結了的砂土具有較好的強度并較之先前不易再度液化，此時基土較為穩定，但保持時間不長。

在弄清其規律后，采取相應的針對性措施，使上游段水泥土回填工作得以繼續進行。首先是適當提高履帶式拖拉機的輾壓速度，以減輕對地基的擾動，減緩砂基的液化，一旦發現有液化的跡象時，立即停止輾壓，并且防止繼續擾動，人員不在其上走動，拖拉機遠離該區域，待地基穩定后如法炮制，如此反復。單一的方法有一定的效果，但耗時較長，進度緩慢。但是，在輾壓時還會不可避免地產生地基的液化，待其液化現象發展到一定的程度，再停止輾壓，靜置一段時間，固結、排水、穩定，待發現有冒水處即可挖開水泥土層，排盡土層下的析出水后立即復土輾壓。由于此時砂基比較穩定，輾壓較為奏效，且效果較好。

3 施工過程的質量控制

在整個換填施工中，對一些影響質量的技術細節進行了充分的注意。一是對于機械沒有碾壓到的部位采取人工夯實和蛙式夯實相結合；二是每層填土碾壓完成后，必須經檢測合格后方可進入下一道工序；三是拌和整型后水泥土必須在水泥初凝前碾壓完成。

該水泥土換填工程在不利的條件下，經過深入的研究，采取了適當的措施后順利地完成了任務。從該工程的施工實踐看，在粉砂地基上進行填土碾壓，控制地下水是關鍵。如果地下水能低于基坑面層0.5m以上（如下游段），對碾壓擾動進行適當的控制，地基是不易被液化的[3]。上游段，由于其情況特殊，地基中水含量較為豐富，因此在輾壓時極易液化。在進行上述針對性措施后，施工進展亦較為順利，水泥土回填取得了較好的效果，經測試上游段第一層填土的壓實度普遍在0.93以上，許多測點達到0.94的設計要求值，為整個水泥土置換工程的實施鋪平了道路。

在整個碾壓及處理過程中，要注意防止基土砂粒的流失。首先砂基的液化要適度，不能過度碾壓，否則流砂會從其它薄弱的地方，如基坑周邊冒出來，引起地基土粒流失；其次是在基土液化初期不能盲目挖開水泥土層進行排水，水泥土層起包上鼓看似有水，由于此時水砂尚未分離，挖開后流砂冒出，使地基砂粒流失，在最后的排水過程中，也要注意排水不排砂，防止砂隨水一起排走。在較好掌握其要點后，第一層水泥土的回填較為理想，在輾壓第二層時仍出現了局部基土擾動的問題，只是液化程度相應較輕范圍較小，作小范圍的挖開排水就解決了問題。

4 結語

水泥土換填地基廣泛用于軟弱地基處理和砂性土地基，采用水泥土置換法能夠有效的提高基礎的承載力，減少建筑物的沉降量。本文主要介紹砂性地基上水泥土換填的施工方法，為類似工程提供借鑒和參考。中心溝閘完成后，對邊墩及中墩進行了沉降觀測，均符合設計要求。2018年蓄水后，水閘運行穩定，閘基沒有出現滲漏現象。