“振動法水墜砂+碾壓”地基處理方法試驗

李永星，劉院院，王欣國

(1.中煤西安設計工程有限責任公司，陜西 西安 710054；2.陜西延長石油巴拉素煤業有限公司，陜西 榆林 719000)

0 引言

陜西延長石油巴拉素礦井水處理項目地處陜蒙地區毛烏素沙漠，毛烏素沙漠大部分區域地基土為砂土地基，黃土稀少，不適宜用灰土墊層。陜蒙地區常見的地基處理方法有砂石墊層、CFG樁、水泥土攪拌樁、振沖樁等；CFG樁、水泥土攪拌樁、振沖樁造價高且需要基樁檢測，施工周期長；砂石墊層施工速度快，但是挖填方量大，遠距離運輸砂石造價高。目前，陜蒙片區水處理項目地基處理大多選用了砂石墊層，若該片區所有建筑工程均采用砂石墊層則項目整體工程造價高，因此選擇一種價格低廉的地基處理方法成為了重點工作。對于砂土地基的處理方法，《建筑地基處理技術規范》給出了置換法、碾壓法、振沖樁法等處理方式，但規范中并無水墜砂法方面相關的條文及施工工藝[1-3]。陜蒙地區水墜砂地基處理方法在水壩、鐵路、機場、房屋建筑中應用廣泛，在低層房建工程地基處理中很有效且經濟[4-7]。由于砂土級配、碾壓參數對碾壓法水墜效果有影響[8]，水墜后應盡快進行施工上部結構基礎及基礎墊層，防止由于水分蒸發導致砂土地基密實度下降[9-10]。通過水墜砂方法與強夯、密實砂樁對比，水墜砂法施工方便，能夠節約投資，縮短工期，具有一定的優越性[11]；而在“水墜砂+碾壓”方面的研究較少，已有研究成果表明“水墜砂+碾壓”效果良好[12]，但未采用機械化施工作業的振動法水墜地基處理方法。

為此，對砂土地基的機械化振動法水墜砂+碾壓地基處理方法進行了試驗。該方法主要是將松散的砂土地基制作田字壟注水，采用振動方法將基坑內砂土地基土液化；在振動法水墜砂施工完畢后，田字壟內存水自然下滲，振動液化后的砂土顆粒在水及其自身重力作用下下沉，將重新形成新的密實的土體結構；此外，水墜后的砂土地基表面浮土，采用碾壓的方法將表層砂土壓實，以達到密實的效果。

1 試驗方法

1.1 地勘數據

表1 地基土承載力特征值及壓縮(變形)模量

1.2 制作田字壟圍擋

基坑開挖至設計標高后，用人工協助小挖掘機將基坑內砂土刨起田字壟，并將田字壟內原土整平，以此類推制作田字壟。田字壟格子尺寸以3 m×3 m左右為準，砂土地基注水后下滲速度快，單個田字壟依次注水能夠節約用水，降低工程造價。田字壟圍擋高出基坑底標高30 cm左右，如圖1所示。

圖1 田字壟制作

1.3 注水+振動棒振動水墜

注水作業：基坑降水至設計標高及田字壟制作完成后，分別向各田字壟內注水，注水后水位高出田字壟底面20 cm，一個田字壟注水完畢后進行下一個田字壟注水作業，注水與振動工作交叉作業連續進行。

振動水墜作業：水墜施工時田字壟內保持0.2 m水頭以上，用電動振動棒進行振動水墜，振動棒布置間距不大于0.5 m，呈梅花形布置或者正方形布置，振動位置根據布置依次進行，試驗時振動棒插入砂土地基內深度0.5～1.0 m，如圖2所示。現場試驗時發現，工人容易漏振相鄰田字壟根部，實際施工時應注意加強田字壟根部處理，避免漏振。單個田字壟振動完畢后，靜持水位不小于1 h，以便振動液化后的砂土重新沉積完成密實的新結構。

圖2 振動棒振動

1.4 碾壓

振動水墜后田字壟靜持水位時間完畢后停止注水，田字壟內存水自然下滲完成。用鏟車將田字壟鏟平，待地基土內含水率基本接近最優含水率時，砂土表面灑水，開始碾壓地基表面浮砂，要求用鏟車端土來回碾壓或者壓路機來回碾壓，肉眼觀測或者腳蹬的方式檢查壓實后的效果。碾壓完成后準備取樣送實驗室進行壓實系數試驗。

1.5 壓實系數試驗

標準擊實試驗：取基坑內原砂土取樣，送往實驗室用標準的擊實方法，測定土的密度與含水率的關系，確定砂土的最大密度與最優含水率。

壓實系數試驗：振動法水墜、碾壓完成后，待基坑內砂土地基含水率至接近實際工程狀態時，由實驗室取樣做壓實系數試驗。送往實驗室用標準的擊實方法，測定土的密度與含水率的關系，確定砂土的最大密度與最優含水率。

2 試驗現象與結果

2.1 試驗現象

砂土黏粒含量對水墜砂的影響：現場試驗時，有局部區域砂土地基的黏粒含量較高，采用田字壟內注水振動，水墜后田字壟內存水無法在短期下滲完成，無法完成水墜。因此現場采用了換填砂土重新水墜的方法，在黏粒含量低的區域，振動水墜+碾壓后效果良好。

靜持水位對水墜的影響：現場試驗時，個別田字壟內砂土表面未整平，注水后田字壟內部分區域水頭較小，振動法水墜后砂土未充分液化、沉積，處理后砂土地基中留有孔洞，如圖3所示。田字壟內水位保持對水墜效果影響較大，實際工程中應足夠重視。現場采取了重新整平田字壟內砂土水墜的方法，水墜后效果良好。

圖3 田字壟內未整平水墜后殘留孔洞

碾壓對表面浮土的影響：水墜后砂土地基部分區域表面，用大拇指用力按下后留有手印，初步判斷部分區域地基土表層砂土不夠密實，主要原因可能有以下3個方面。①因為同一場地砂土級配略有不同，砂土顆粒級配差的砂土地基水墜后密實度差；②表層砂土水頭小，水墜后表層砂土密實度不足；③基坑表層土上部已無覆土，負擔的載荷小。

碾壓對表面松散砂土的影響：對表層松散砂土，現場采用裝載機端土碾壓的方法，碾壓工作的主要影響因素為碾壓機械重量和灑水。灑水對表層砂土碾壓效果有影響，取一塊場地進行了灑水碾壓試驗。地基土表面干燥而未灑水時，碾壓后表層砂土變得松散，不如原土密實；灑水碾壓后，表層砂土壓實度較好。為了避免表層砂土含水率不足碾壓時散開，對砂土表面進行人工灑水，然后對整個水墜區域用裝載機端土或者壓路機來回碾壓后，碾壓后效果良好，用腳蹬后未見陷下去的腳印，如圖4所示。

圖4 水墜+碾壓后地基效果

振動深度對水墜砂的影響：電動振動棒插入深度0.3～0.4 m時水墜效果好，但施工效率低。振動棒插入地基深度1.0 m時，0.5～0.6 m范圍內砂土能夠充分液化，0.6 m以下部分未能充分液化。輕型動力觸探檢測表明，插入深度較大時，水墜對較深部分地基未起到效果，錘擊數未提高。究其原因，主要是因為砂土地基無法實現充分液化，未形成新的密實土體結構。根據試水墜效果，現場4個廠房地基施工時均選用了振動棒插入深度0.5～0.6 m，水墜后工程效果良好。

振動棒布置間距對水墜砂的影響：振動棒的布置間距對水墜影響較大，間距小時，水墜效果好，但是施工效率低。振動間距過大時，田字壟內砂土無法充分液化，無法得到密實的效果，通過現場實測，0.4～0.5 m間距的實際效果良好。

2.2 試驗結果

擊實試驗：本工程基坑內砂土地基現場取樣后，實驗室依據GB/T 50123—1999測得最大干密度1.75 g/cm3，最優含水率為10.6%，砂土干密度與含水率關系，如圖5所示。

圖5 干密度與含水率關系

壓實系數：“水墜+碾壓”完畢后砂土地基試驗數據見表2，水墜+碾壓后砂土地基壓實系數均達到了0.96，該組壓實系數數據中共12個點，其中3個點壓實系數為0.96，6個點壓實系數為0.97，3個點壓實系數為0.98，全部點位壓實系數均能滿足設計壓實系數0.96的要求，詳見表2。對于實際工程中水墜深度較大的場地，砂土地基壓實系數試驗應該分層檢測，水墜一層做一層，不合格的區域分析原因，采用參入大顆粒砂土重新灑水碾壓或者采用更大噸位機械繼續灑水碾壓，直至滿足要求。

表2 壓實系數

地基承載力靜載試驗：水墜+碾壓后，現場進行了地基承載力靜載試驗。根據試驗報告，處理后地基承載力不小于180 kPa，滿足設計要求。設計時對下臥層進行了核算，均能滿足設計要求。

3 結論

(1)田字壟靜持水位及時間、振動棒布置間距、電動振動棒插入地基深、灑水后碾壓均對水墜砂地基處理有影響，實際工程中可根據現場具體情況進行試水墜確定振動棒布置參數。試驗表明，振動法水墜+碾壓處理后砂土地基壓實系數能夠達到0.96，靜載試驗承載力能夠達到180 kPa。

(2)黏粒含量較高的沙土地基，建議先換填黏粒含量較低的砂土，然后分層進行水墜。

(3)振動法水墜+碾壓砂土地基處理，采用了現代化機械，相比傳統水墜，施工速度快，相對于樁基復合地基能夠加快施工進度一個月，為礦井水處理項目投產贏得了時間。

(4)“振動法水墜砂+碾壓”地基處理方法適合巴拉素等毛烏素沙漠地區，該方法豐富了砂土地基處理方法。砂土就地取材，造價低，節能環保，綜合經濟性好，值得在實際工程中推廣應用。