砂地基上的水泥土回填分析

吴文奇 （砀山县农业农村局，安徽 宿州 235300）

1 工程项目及地质概况

宿州市砀山县2017年小型农田水利改造提升项目中心沟闸位于中心沟的下游黄河的右岸，水文地质为全新统（Q4），本统地层为冲积-洪积层，表面为黄河泛滥的冲积带，以亚砂土所覆盖，在垂向上以亚砂、亚粘、粘土互层，形成了复杂的地质结构，其沾积厚度一般为44～45m，少致为 56.27～63.58m，北层中常夹有1～3层黄色、灰黄色粉砂，单层厚度1.5～10m，属河流冲积。该闸座落在粉砂地基上，考虑到地基变形和砂基的渗透，设计要求用水泥土（水泥含量12%，水泥标号po42.5）将其置换。水泥土置换层总厚度为1.5m，压实度不小于0.94，7天强度大于 0.8MPa。水泥土拌和均匀后，水泥中的矿物与土中的水分发生水解和水化反应，生成氢氧化钙、含水硅酸钙、含水铝酸钙和含水铁酸钙等化合物。这些新生成的化合物在水中和空气中慢慢硬化，增大了水泥土的强度，而且由于其结构致密，增大了水泥土的抗渗性能。

由于同期堤外废黄河水位及周边地下水位较高，又遇下雪天气，因此降水工作较为艰巨[1]。施工降水以深井降水为主，在闸室段安排两眼降水井，上下游连接段各布置一眼降水井。地下水位控制在41.3m高程。水泥土置换工作于2017年12月下旬开始施工，夯实设备为蛙式打夯机及履带式压路机。

水泥土回填坑坐落在粉砂土层，其中 0.25～0.075mm 颗粒含量在 80%左右，松散稍密，抗液化性较差。地基中伴有多层不规则淤泥夹层，不利于施工排水。由于水闸位于中心沟的下游及废黄河的滩地上，水位相对较高，上游进水段基坑有一定的补给来水，加上土层中的多层不规则淤泥薄层的影响，使地基土层中含水量较大，一经扰动很易液化。具体表现为基土表面无自由水，但用脚在同一点用力踩数十下表面有水印，砂土呈液化状。

2 施工过程与关键技术

施工前，施工人员放出换填位置的边线，控制点每3m设置一道，现场打1m×1m的石灰方格网线，在控制桩位上标注素土松铺厚度的标记，虚铺厚度30cm。水泥采用po42.5袋装水泥，土料为现场开挖土方，根据击实试验，最优含水量为17.26%，含水率控制在16%～20%范围内。水泥用量采用公式为：

式中：Q——拌和时的水泥用量（kg）

V——铺土压实后的体积(m3)

1.8——水泥土最大干密度(1.8g/cm3)

水泥所用袋数：N=Q/50。

2.1 水泥摊铺

按照放好的石灰方格网线，计算每个方格的水泥用量，水泥利用机动翻斗车直接到摊铺段，卸载到做好标记的地点，并检查有无遗漏和过多的水泥，水泥采用人工铺设，均匀摊铺在方格内，从而确保水泥含量的准确。

2.2 拌和

采用灰土拌和机进行干拌施工，拌和时用专人检查拌和的深度和均匀度，保证拌和均匀，色泽一致，没有灰条、灰团和花面[2]。拌和过程中要控制好混合料的含水量，含水量稍大于最优含水量。

2.3 碾压

考虑到第一层水泥土辗压时对地基的影响，为避免扰动地基，设计单位提出第一层土适当压实，干密度不作具体要求，因此铺垫第一层土后，选用履带式拖拉机辗压三遍。下游段由于地下水控制较好，施工进展顺利。当辗压至上游段时，由于地基中存有自由水，砂土极易液化。辗压后整个水泥土层此起彼伏。

在经现场的观察分析中发现，辗压扰动后，水泥土层下被液化了砂土的演变可分为三个阶段。第一阶段为液化期，砂土经扰动后与其中的水及部分气相一起组成具有较高流动性的液化流砂。此时，若将水泥土层挖开，可以看到砂土中含水量较大，但无自由水析出，适当施加压力后能将流砂挤出，导致地基颗粒流失。第二阶段为固结排水期，液化了的砂土在扰动停止后（约十余分钟），由于流砂中砂粒的密度较大，在自重的作用下砂粒沉积并致密（固结），使多余的自由水析出到上层，砂水分离，水能从水泥土层的缝隙中冒上来。第三阶段为短暂的稳定期，由于较多的自由水析出后，在土层的透水性并不太好（粉砂且有淤泥夹层的阻水作用），水份补给暂时不足的情况下，固结了的砂土具有较好的强度并较之先前不易再度液化，此时基土较为稳定，但保持时间不长。

在弄清其规律后，采取相应的针对性措施，使上游段水泥土回填工作得以继续进行。首先是适当提高履带式拖拉机的辗压速度，以减轻对地基的扰动，减缓砂基的液化，一旦发现有液化的迹象时，立即停止辗压，并且防止继续扰动，人员不在其上走动，拖拉机远离该区域，待地基稳定后如法炮制，如此反复。单一的方法有一定的效果，但耗时较长，进度缓慢。但是，在辗压时还会不可避免地产生地基的液化，待其液化现象发展到一定的程度，再停止辗压，静置一段时间，固结、排水、稳定，待发现有冒水处即可挖开水泥土层，排尽土层下的析出水后立即复土辗压。由于此时砂基比较稳定，辗压较为奏效，且效果较好。

3 施工过程的质量控制

在整个换填施工中，对一些影响质量的技术细节进行了充分的注意。一是对于机械没有碾压到的部位采取人工夯实和蛙式夯实相结合；二是每层填土碾压完成后，必须经检测合格后方可进入下一道工序；三是拌和整型后水泥土必须在水泥初凝前碾压完成。

该水泥土换填工程在不利的条件下，经过深入的研究，采取了适当的措施后顺利地完成了任务。从该工程的施工实践看，在粉砂地基上进行填土碾压，控制地下水是关键。如果地下水能低于基坑面层0.5m以上（如下游段），对碾压扰动进行适当的控制，地基是不易被液化的[3]。上游段，由于其情况特殊，地基中水含量较为丰富，因此在辗压时极易液化。在进行上述针对性措施后，施工进展亦较为顺利，水泥土回填取得了较好的效果，经测试上游段第一层填土的压实度普遍在0.93以上，许多测点达到0.94的设计要求值，为整个水泥土置换工程的实施铺平了道路。

在整个碾压及处理过程中，要注意防止基土砂粒的流失。首先砂基的液化要适度，不能过度碾压，否则流砂会从其它薄弱的地方，如基坑周边冒出来，引起地基土粒流失；其次是在基土液化初期不能盲目挖开水泥土层进行排水，水泥土层起包上鼓看似有水，由于此时水砂尚未分离，挖开后流砂冒出，使地基砂粒流失，在最后的排水过程中，也要注意排水不排砂，防止砂随水一起排走。在较好掌握其要点后，第一层水泥土的回填较为理想，在辗压第二层时仍出现了局部基土扰动的问题，只是液化程度相应较轻范围较小，作小范围的挖开排水就解决了问题。

4 结语

水泥土换填地基广泛用于软弱地基处理和砂性土地基，采用水泥土置换法能够有效的提高基础的承载力，减少建筑物的沉降量。本文主要介绍砂性地基上水泥土换填的施工方法，为类似工程提供借鉴和参考。中心沟闸完成后，对边墩及中墩进行了沉降观测，均符合设计要求。2018年蓄水后，水闸运行稳定，闸基没有出现渗漏现象。