機械振密法在吹填土地基中的應用

李 朔 郝婷婷 王桂林 王 春 吳 迪

（東營市勘察測繪院，山東 東營 257100）

0 引言

黃河挾帶著黃土高原的大量泥沙涌入渤海，在入海的地方，由于河床的擴大及海水的頂托，流速緩慢，大量泥沙便在此落淤，形成了黃河三角洲。入海的泥沙在附近淤積，受潮水沖淤漂游不定，以致阻塞港口航道，因此每年需要對航道疏浚，大量的航道疏浚工作形成了黃河三角洲地區特有的吹填土地基。

吹填土又名沖填土，是在整治和疏通江河航道時，用挖泥船和泥漿泵把江河、港口或淺海底部的泥沙通過水力吹填而形成的沉積土[1]。在吹填過程中，泥沙結構遭到破壞，以細小顆粒的形式緩慢沉積，因而具有天然含水量高、孔隙比大、高壓縮性、低承載力等特點。由吹填土構成的地基，其工程性質與吹填料的顆粒組成和沉積條件密切相關，一般情況下地基強度很差，不能直接用于工程建設，需要進行地基處理。

1 吹填土地基處理機理

目前吹填土地基處理方法的機理主要是，建立良好排水通道，通過夯、壓、擠等物理方式使土體內外產生壓差，在壓差作用下使超孔隙水壓力快速消散，有效應力顯著增長，從而加速排水固結過程[2]，進而使地基在較短時間內產生較高強度。常用的物理加固方法有強夯法、高真空擊密法及真空預壓法等[3-5]。

機械振密法一般分兩幅施工，是通過使用挖掘機清除表層浮土至水位標高后，用推土機對場地進行碾壓使淺層土體產生液化涌水，然后將挖掘機鏟斗插入土中一定深度并加以振沖，使影響深度范圍內的深層土體產生液化，并在推土機碾壓擠密的雙重作用下，使超孔隙水壓力在短時間內急劇增大，促使孔隙水、氣延縱向及橫向排水排氣通道排出，并沿設置在場區周圍的集水坑用潛水泵抽離場區，從而加速排水固結過程。振沖、碾壓后的場地用經過晾曬后的干土分層回填，壓實形成淺層“硬殼層”，致密結構的“硬殼層”又可以阻止地下水上返，使回填后的地基土在較長的時間內保持較高的承載能力。

2 工程概況及處理方案

2.1 工程概況

本工程廠址地貌成因類型為沖積三角洲平原，經航道疏浚土吹填形成，吹填土成份以粉土為主，松散狀態，層厚一般3m，其下為淤泥質粉質黏土層。由于場地在動力作用下極易產生液化和沉降，影響工程機械進廠和后續施工，須進行地基處理，處理面積共計42.5萬m2，要求有效處理深度不小于3m，處理后的地基承載力不小于80kPa。

2.2 處理方案

該工程具有土質條件極差、地下水位高、大型機械難以進場等施工難度，項目論證期間曾考慮真空降水強夯法和振沖密實法。但考慮到工程實際情況，沖填土及粉土以下為淤泥質粉質黏土，該層淤泥質粉質黏土透水性差，降水效果不明顯，在較大的夯擊能量下容易形成橡皮土，且采用強夯法費用較高，并不適用于本工程。采用振沖密實法，雖能在表層形成硬殼層允許施工車輛進出，但該處理場地面積很大，需要大量填充材料，且這些填充材料在后期建筑物基礎施工時會再次被挖除，造成大量資源浪費。經優化論證，最終本工程采用機械振密工法進行地基處理，分兩幅施工。

2.2.1 地基處理步驟

具體的處理步驟為：場地放線分塊、清除表層土→開挖排水溝→推土機碾壓→挖掘機振沖→重復碾壓及振沖→靜置晾曬→分層回填壓實→質量檢測。

（1）清除表層土（見圖1）。

圖1 清除表層土

場地按20m×100m分塊，表層清土厚度60cm或至地下水位處濕潤土層即可。清表后開挖面應保證一定的縱向及橫向坡度以利于排水，縱坡度不小于0.3%，橫坡度不小于1.5%，土方堆放高度不超過2.5m，對清表土進行晾曬，便于控制后期回填施工質量。

（2）開挖排水溝（見圖2）。

圖2 開挖縱向排水溝

沿開挖面長度方向在兩側開挖寬1.5m排水溝，溝底深度不小于1.5m，縱坡度不小于0.3%，排水溝溝底較低處設集水坑，將所有明水匯集此集水坑內，通過潛水泵管排方式排至場區外。排水溝開挖寬度及深度同時要根據實際的地質情況做調整，如果開挖明溝過程出現明顯的透水現象，要加寬開挖寬度，防止出現土方坍塌現象，影響排水；排水溝深度要嚴格控制，確保排水溝的排水坡度，同時整個明排水過程要有專人進行監護，查看排水溝的排水情況，保證明水的自流性。

（3）推土機碾壓（見圖3）。

圖3 推土機碾壓

排水溝挖好后開始對推平的場地采用推土機進行碾壓，碾壓時沿縱向依次進行，注意相鄰碾壓線之間不留間隙，通過碾壓使場地表面出現涌水現象。履帶式推土機行進速度10 km/h～12km/h，碾壓線重疊不小于20cm，初次碾壓不小于3遍或至場區有明顯涌水為止，終碾采用重量不小于12t的履帶式推土機。經過碾壓后，處理區地面會產生沉降，此時應采取措施使處理區內積水及時排至排水溝內。

（4）挖掘機振沖（見圖4）。

圖4 挖掘機振沖

場地經過碾壓后，將挖掘機鏟斗插入場地土中進行撓動，撓動時宜按先外后內沿直線逐點進行，撓動點按4m×4m方塊分布，撓動點的深度不小于1.5m，每個點的有效撓動時間不小于1min，并且撓動影響范圍在4m～5m范圍內,撓動過程中撓動點周圍土中出現水跡，撓動點周圍土質變松軟停止撓動，轉為下一點撓動。整塊區域撓動完畢，靜止放置，待土壤中水分自行溢出，同時安排專人在場地表面上順通流水線，確保溢出表層的水順利流至排水溝。

（5）重復機械碾壓及振沖（見圖5）。

圖5 反復碾壓及振沖后場地情況

待場地第一遍撓動完成后，靜置24h～48h，待表面不再冒水后繼續采用推土機進入場地反復碾壓，碾壓不小于5遍或達到場地表面出現較多涌水現象停止碾壓，開始第二遍撓動。

采用挖掘機進行第二遍撓動時由于經過第一遍撓動后土質已變松軟液化，插入撓動點可加大到6m×6m方塊布置。第二遍撓動時鏟斗深入土中深度及撓動時間與第一次相同，但第二次撓動時必須確保撓動區域的土層完全液化成稀泥狀，使土中水分完全涌出。

由于碾壓及撓動作用，土體內的水大量涌出，在第二遍撓動施工前，在場地上沿垂直于排水溝方向開挖幾道寬度0.5m、深度約0.2m的橫向排水溝，將場地上的水引入主排水溝，排水溝間距15m一道（間距可根據現場實際出水情況進行適當調整），見圖6所示。

圖6 橫向排水溝排水

（6）靜置晾曬（見圖7）。

圖7 靜置晾曬

由于碾壓擾動過程對地基土結構、構造的擾動，使其強度暫時有所降低，飽和土體內產生較高的超孔隙水壓。因此，碾壓擾動結束后要靜置一段時間，使強度恢復，超孔隙水壓消散以后再進行載荷試驗。恢復期的長短需根據土的性質而定，黏性土孔隙水壓力消散所需時間較長，砂性土孔隙水壓力消散較快。對飽和黏性土地基，恢復期不宜少于28d；對砂土、粉土和雜填土地基，不宜少于7d。

（7）分層回填壓實（見圖8）。

圖8 分層回填壓實

晾曬后的場地經驗收完畢后方可進行干土回填壓實。回填土采用開挖的表層土壤，在最佳含水量時進行回填（開挖的土層含水量較大時需對土層進行翻曬），回填厚度超過30cm時要分層回填壓實，測定土壤成分確定最佳含水量，嚴禁采用含水率過高的土壤回填。回填過程中應使用同一標志控制回填標高，避免二次整平作業。回填后碾壓密實，進行質量檢測。

3 處理效果分析

3.1 原位測試評價

地基處理后，對整個場區按30m×50m間距布置檢測點，共布置183孔靜力觸探試驗（孔深6m），50孔標準貫入試驗（孔深6m），30組十字板剪切試驗及30組淺層平板載荷試驗，檢測點平面布置圖見圖9。檢測結果見表1。

圖9 檢測點布置平面圖

根據表1檢測結果：處理后填土地基承載力特征值均滿足80kPa要求。其中對14#及15#淺層平板做破壞試驗可知，地基承載力特征值最高可達135kPa～150kPa。擬建場區地基處理深度:3.20m～4.50m,平均3.76m。經機械振密處理后的地基均勻，錐尖摩擦阻力提高8倍以上，承載力提高約2倍以上，處理效果顯著。

表1 機械振密處理前后部分物理力學指標對比

3.2 經濟效益評價

本工程采用機械振密排水固結法進行地基處理，處理面積約42.5萬平方米。結合黃河三角洲地區吹填土處理經驗[6],對不同的地基處理方法，其經濟性比較見表2。

表2 吹填土地基處理方案經濟分析表

由表2可以看出，在各項地基處理方法中，傳統的地基處理方法造價高，工期長，對于大面積的加固工程產生的費用較大。本工程使用機械振密法節約了至少兩千萬地基處理費用。施工速度快，成本低，施工靈活，可以根據工程需要采用單幅、兩幅或三幅施工，以滿足不同的工期要求，而且工期短，質量可控，效果明顯。

3.3 綜合評價

本工程采用機械振密排水固結法加固地基，提高了地基承載力，節約了工期，節省了造價，達到了設計要求的目的。綜合比較，機械振密法不僅費用低，工期短，而且處理后的地基承載力高，是一種實用性和經濟性很高的大面積吹填土地基處理工法。地基處理前后對比情況見圖10、圖11。

圖10 處理前場地情況

圖11 處理后場地情況

4 結束語

近年來，機械振密法在黃河三角洲大面積吹填土地基處理中應用廣泛，其通過碾壓、振沖作用使超孔隙水壓力在短時間內急劇增大產生液化，促使孔隙水、氣延縱向及橫向排水排氣通道排出，從而加速排水固結過程，同時回填壓實形成“硬殼層”以保持較高的承載能力，在實際工程應用中，已經體現出了明顯的優越性。相比傳統的地基處理方法,具有費用低、節能環保、處理效果好以及工期可控等優點。特別是隨著城市用地的不斷緊張，對疏浚吹填土區域的利用已經成為趨勢，機械振密法具有良好的發展前景，可以為社會帶來了巨大的經濟效益，同時為今后在大面積吹填土地基處理施工領域的技術發展打下了堅實的基礎。