換填墊層法在地下水環境中墊層施工中的應用

顧騰飛

（中國路橋工程有限責任公司,北京 100000）

0 引言

砂礫墊層是地基淺層處理的一種常用方法。當軟弱土或夯填土地基的承載力和變形不能滿足設計及規范要求時，常采用加鋪承載力高、透水性好的級配砂礫墊層，用來換填基礎底面下處理范圍內的部分或全部軟弱土層，提高地基承載力，使其滿足上部承載力的要求[1-2]。

1 換填墊層法概念和作用

1.1 換填墊層法的概念

當軟弱土地基的承載力和變形滿足不了設計及規范要求，并且軟弱土層的厚度又不是很大時，將基礎底面下影響結構物承載范圍內的軟弱土層部分或全部挖除，然后分層換填強度較大的砂礫（碎石、爐渣）或其他性能穩定、透水性強、無侵蝕性的材料，并壓實至要求的壓實度為止——這種地基處理法為換填墊層法[3]。

1.2 換填墊層法的作用

其主要有以下幾方面作用：

（1）提高地基承載力。構筑物基礎的地基承載力與其下臥層的抗剪強度、抗壓強度有關，采用抗剪強度、抗壓強度較高的材料置換較軟弱的不合格層，可提高換填區域地基的承載力，以達到符合設計及規范要求的目的。置換后的墊層具有密實度大、強度高等特點，可將構筑物及基礎底層壓力擴散傳遞到其下臥的軟弱土層，使其所受應力減小到該軟弱地基土層允許承載力范圍，從而滿足強度要求，避免地基因承載力過載產生裂縫及結構性損壞[4]。

（2）減少沉降量。地基淺層部分（3 m以內）的沉降量在總沉降量中所占的比例較大，以集配砂礫或其他填筑材料代替淺層軟弱土層，可以大幅減少該層的沉降量。由于換填后墊層的應力擴散作用，使作用在下臥層上的重力呈錐形散布，受壓面積增大，致使該區域受壓較小，因此也會減少下臥層的集中受力，進而減少整體沉降量以及不均勻沉降[5]。

（3）加速軟弱層排水固結。砂礫墊層等墊層材料透水性大，當軟弱土層受到上部壓力后，砂礫墊層可作為良好的排水層，使結構物基礎下層的孔隙水壓力迅速消散，加速軟弱土的固結和強度，避免地基土塑性破壞[6-7]。

2 工程概況

在尼日利亞阿夸伊博姆州防洪減災項目中主渠段樁號K4+000-樁號K6+000處地基墊層存在大量地下水，平均水位線高于墊層底標高1 m左右，受制于當地CFG樁、井點降水等施工工藝的不成熟、項目工期緊迫以及成本控制等因素，存在的大量地下水大大增加了墊層施工難度，給墊層質量帶來巨大隱患。在水渠墊層施工完畢后，按照當地驗收規范及技術指標，驗收的合格率應不小于95%。提高地下水環境中墊層施工合格率為課題的研究方向。在研究中，針對地下水環境中墊層施工合格率的問題，進行了詳細的要因分析，并確定了軟弱地基處理方法不合理為主要原因。鑒于現場淺層軟土的特殊性，擬通過清淤和換填相結合的方式加以處理，旨在提高地基的承載能力與穩定性。

3 存在的問題

主渠的樁號K5+400～K5+450、K5+450～K5+500、K5+500～K5+550、K5+550～K6+000 4個工作組面積共41 m2為一次驗收不合格的工作段，以1 m2為1處檢查單位，進行了全面檢查驗收。針對規范要求的平整度不達標、承載力不足及裂縫縫隙過大等檢查項目，對不合格的問題進行統計，統計情況如表1所示。

表1 質量問題統計表

質量問題餅分圖見圖1，可以看出，承載力不足為影響地下水環境中墊層驗收合格率的主要問題，如果能解決承載力不足問題的90%，那么地下水環境中墊層施工一次性驗收合格率就可以達到83.59%+90%×16.41%×73.17%=97.02%。如果認為解決承載力問題的90%偏高，即使能解決承載力問題的80%，那么地下水環境中墊層施工一次性驗收合格率就可以達83.59%+80%×16.41%×73.17%=95.52%。因此，地下水環境中墊層施工的承載力不足解決80%，就能達到合同規定的一次驗收合格率95%以上，能夠實現施工目標。

圖1 質量問題餅分圖

4 影響承載力的原因分析

從影響地下水環境中墊層承載力的人、機、料、法四個方向著手，對影響地下水環境中墊層承載力的原因分析（如表2所示）。

表2 地下水環境中墊層施工承載力不足問題因果

通過對尼方熟悉水下混凝土作業的技術工人比例不夠、CFG樁等其他工藝提高地基承載力的機具欠缺、地基土軟弱影響墊層承載力的分析驗證，可知地基土軟弱是主要影響墊層承載力的原因。為了提高墊層承載力，采用了換填墊層的處理方法。

5 換填處理技術要點

為了了解不同地基土對墊層施工的承載力的影響，該文結合項目實例，對換填墊層技術的實踐要點進行分析。

5.1 實驗方法和結果分析

在相同條件下的施工段，施工隊伍分別采用方法一：不換填正常澆筑墊層施工（軟弱地基土）和方法二：換填60 cm的砂礫澆筑墊層施工（軟弱地基土），各做100 m2的水下混凝土墊層施工并對此100個單位水下混凝土墊層進行分塊驗收，最后通過檢測承載力達標個數來研究不同地基土對墊層施工的承載力的影響（如表3所示）。

表3 不同地基土對承載力達標率的影響

由于K4+000～K6+000段存在大量地基土，地下水位普遍高于墊層底標高1 m，地基土較為軟弱，加大了墊層施工難度。通過上面兩組數據的對比，換填60 cm的砂礫處理軟弱地基土，從承載力達標率55%提升到95%，大大地提升了墊層承載力，符合在水渠墊層施工中項目的技術指標規定其驗收的合格率不小于95%的要求。

5.2 施工工藝

（1）為了避免水渠邊坡塌方，擴大工作面寬度1 m（結構兩側各擴大1 m），同時根據地勘資料計算安全坡比，最終將基坑邊坡調整為1∶0.5。

（2）設置集水坑，使用1臺4寸水泵，保持24 h不間斷抽水，保證施工面具備施工條件。

（3）通過回填砂礫置換基坑泥漿，先把砂礫倒入淤泥坑，再把砂礫與泥漿混合物清理出基坑，然后重新回填砂礫，如此循環作業，直至把淤泥全部替換為回填砂礫。試驗段換填砂礫深度60 cm，換填寬度9.1 m，砂墊層上澆筑10 cm混凝土C15墊層。

5.3 結果分析

通過科學組織施工以及現場工作人員的共同努力，水下澆筑墊層質量有了極大的提高。經過對已施工的水下墊層進行監控和驗收，總體合格率為96.25%，超過了預期的目標（如圖2所示）。

圖2 實施前后質量檢查柱狀圖

通過統計發現，不換填正常澆筑墊層一次驗收墊層合格率只有83.59%，極大制約了整體的水渠施工質量驗收。通過該次施工技術改良，從合格率83.59%上升到了96.25%，超過了設定的95%的目標，滿足設計及規范要求。

5.4 維護階段

再次對水下墊層施工的一次合格率進行了調查，在抽樣的200處結果中，一次驗收通過195處，一次驗收合格率為97.5%（如圖3所示）。

圖3 維護階段合格率柱狀圖

通過以上結果表明，大量地下水存在于施工環境中，增加了墊層施工難度。受制于其他施工工藝的不成熟、項目工期緊迫的影響，用砂礫進行換填處理是可行的。

6 換填墊層法施工中存在問題

砂礫墊層的工程實踐經驗表明，要使砂礫墊層具有較高的壓實度和承載力，填料應滿足以下幾個要求[8-9]：

（1）砂礫墊層宜采用級配良好，質地堅硬的中、粗砂或砂礫，避免使用細砂。其顆粒的不均勻系數應不小于10，曲率系數Cu=1～3，不應混入風化料、軟巖破碎料或其他有機雜物。砂礫材料含泥量（＜0.1 mm顆粒含量）不應超過5%，當換填深度較大時，骨料最大粒徑可放寬至70 mm。

（2）在工程中應充分考慮原地基土性質、地下水位等因素，采用經濟的換填材料、合理的換填深度，既能保證工程施工和運營期間沉降穩定，也可以就地取材，降低工程成本。

對于以天然砂礫作為填料的砂礫墊層，施工中可由人工分層鋪平碾壓。人工級配的砂石墊層施工采用“砂、石分層鋪填，薄層碾壓”效果較好。

7 換填砂礫墊層法在淺層軟基處理中具有的優點

（1）施工工藝簡單、工期短、成本低，與樁基相比可降低20%～50%的造價。

（2）處理效果顯著，地基承載力能夠得到保證，在這方面明顯優于深層攪拌法、注漿法、預壓法等其他軟基處理方法[10]。

8 結束語

綜上所述，通過換填砂礫墊層法成功地提高了地下水環境中墊層施工合格率，極大地提升了墊層的承載力，進而保證了工程的施工質量。換填砂礫墊層法是公路工程墊層施工中重要的施工方法之一，其在對軟弱地基處理中具有較好的應用效果。墊層為重點施工內容之一，形成良好質量的墊層，可為后續施工奠定較好的基礎，可以保證整個建筑的施工質量，提高施工效率，降低工程造價。