“振动法水坠砂+碾压”地基处理方法试验

李永星，刘院院，王欣国

(1.中煤西安设计工程有限责任公司，陕西 西安 710054；2.陕西延长石油巴拉素煤业有限公司，陕西 榆林 719000)

0 引言

陕西延长石油巴拉素矿井水处理项目地处陕蒙地区毛乌素沙漠，毛乌素沙漠大部分区域地基土为砂土地基，黄土稀少，不适宜用灰土垫层。陕蒙地区常见的地基处理方法有砂石垫层、CFG桩、水泥土搅拌桩、振冲桩等；CFG桩、水泥土搅拌桩、振冲桩造价高且需要基桩检测，施工周期长；砂石垫层施工速度快，但是挖填方量大，远距离运输砂石造价高。目前，陕蒙片区水处理项目地基处理大多选用了砂石垫层，若该片区所有建筑工程均采用砂石垫层则项目整体工程造价高，因此选择一种价格低廉的地基处理方法成为了重点工作。对于砂土地基的处理方法，《建筑地基处理技术规范》给出了置换法、碾压法、振冲桩法等处理方式，但规范中并无水坠砂法方面相关的条文及施工工艺[1-3]。陕蒙地区水坠砂地基处理方法在水坝、铁路、机场、房屋建筑中应用广泛，在低层房建工程地基处理中很有效且经济[4-7]。由于砂土级配、碾压参数对碾压法水坠效果有影响[8]，水坠后应尽快进行施工上部结构基础及基础垫层，防止由于水分蒸发导致砂土地基密实度下降[9-10]。通过水坠砂方法与强夯、密实砂桩对比，水坠砂法施工方便，能够节约投资，缩短工期，具有一定的优越性[11]；而在“水坠砂+碾压”方面的研究较少，已有研究成果表明“水坠砂+碾压”效果良好[12]，但未采用机械化施工作业的振动法水坠地基处理方法。

为此，对砂土地基的机械化振动法水坠砂+碾压地基处理方法进行了试验。该方法主要是将松散的砂土地基制作田字垄注水，采用振动方法将基坑内砂土地基土液化；在振动法水坠砂施工完毕后，田字垄内存水自然下渗，振动液化后的砂土颗粒在水及其自身重力作用下下沉，将重新形成新的密实的土体结构；此外，水坠后的砂土地基表面浮土，采用碾压的方法将表层砂土压实，以达到密实的效果。

1 试验方法

1.1 地勘数据

表1 地基土承载力特征值及压缩(变形)模量

1.2 制作田字垄围挡

基坑开挖至设计标高后，用人工协助小挖掘机将基坑内砂土刨起田字垄，并将田字垄内原土整平，以此类推制作田字垄。田字垄格子尺寸以3 m×3 m左右为准，砂土地基注水后下渗速度快，单个田字垄依次注水能够节约用水，降低工程造价。田字垄围挡高出基坑底标高30 cm左右，如图1所示。

图1 田字垄制作

1.3 注水+振动棒振动水坠

注水作业：基坑降水至设计标高及田字垄制作完成后，分别向各田字垄内注水，注水后水位高出田字垄底面20 cm，一个田字垄注水完毕后进行下一个田字垄注水作业，注水与振动工作交叉作业连续进行。

振动水坠作业：水坠施工时田字垄内保持0.2 m水头以上，用电动振动棒进行振动水坠，振动棒布置间距不大于0.5 m，呈梅花形布置或者正方形布置，振动位置根据布置依次进行，试验时振动棒插入砂土地基内深度0.5～1.0 m，如图2所示。现场试验时发现，工人容易漏振相邻田字垄根部，实际施工时应注意加强田字垄根部处理，避免漏振。单个田字垄振动完毕后，静持水位不小于1 h，以便振动液化后的砂土重新沉积完成密实的新结构。

图2 振动棒振动

1.4 碾压

振动水坠后田字垄静持水位时间完毕后停止注水，田字垄内存水自然下渗完成。用铲车将田字垄铲平，待地基土内含水率基本接近最优含水率时，砂土表面洒水，开始碾压地基表面浮砂，要求用铲车端土来回碾压或者压路机来回碾压，肉眼观测或者脚蹬的方式检查压实后的效果。碾压完成后准备取样送实验室进行压实系数试验。

1.5 压实系数试验

标准击实试验：取基坑内原砂土取样，送往实验室用标准的击实方法，测定土的密度与含水率的关系，确定砂土的最大密度与最优含水率。

压实系数试验：振动法水坠、碾压完成后，待基坑内砂土地基含水率至接近实际工程状态时，由实验室取样做压实系数试验。送往实验室用标准的击实方法，测定土的密度与含水率的关系，确定砂土的最大密度与最优含水率。

2 试验现象与结果

2.1 试验现象

砂土黏粒含量对水坠砂的影响：现场试验时，有局部区域砂土地基的黏粒含量较高，采用田字垄内注水振动，水坠后田字垄内存水无法在短期下渗完成，无法完成水坠。因此现场采用了换填砂土重新水坠的方法，在黏粒含量低的区域，振动水坠+碾压后效果良好。

静持水位对水坠的影响：现场试验时，个别田字垄内砂土表面未整平，注水后田字垄内部分区域水头较小，振动法水坠后砂土未充分液化、沉积，处理后砂土地基中留有孔洞，如图3所示。田字垄内水位保持对水坠效果影响较大，实际工程中应足够重视。现场采取了重新整平田字垄内砂土水坠的方法，水坠后效果良好。

图3 田字垄内未整平水坠后残留孔洞

碾压对表面浮土的影响：水坠后砂土地基部分区域表面，用大拇指用力按下后留有手印，初步判断部分区域地基土表层砂土不够密实，主要原因可能有以下3个方面。①因为同一场地砂土级配略有不同，砂土颗粒级配差的砂土地基水坠后密实度差；②表层砂土水头小，水坠后表层砂土密实度不足；③基坑表层土上部已无覆土，负担的载荷小。

碾压对表面松散砂土的影响：对表层松散砂土，现场采用装载机端土碾压的方法，碾压工作的主要影响因素为碾压机械重量和洒水。洒水对表层砂土碾压效果有影响，取一块场地进行了洒水碾压试验。地基土表面干燥而未洒水时，碾压后表层砂土变得松散，不如原土密实；洒水碾压后，表层砂土压实度较好。为了避免表层砂土含水率不足碾压时散开，对砂土表面进行人工洒水，然后对整个水坠区域用装载机端土或者压路机来回碾压后，碾压后效果良好，用脚蹬后未见陷下去的脚印，如图4所示。

图4 水坠+碾压后地基效果

振动深度对水坠砂的影响：电动振动棒插入深度0.3～0.4 m时水坠效果好，但施工效率低。振动棒插入地基深度1.0 m时，0.5～0.6 m范围内砂土能够充分液化，0.6 m以下部分未能充分液化。轻型动力触探检测表明，插入深度较大时，水坠对较深部分地基未起到效果，锤击数未提高。究其原因，主要是因为砂土地基无法实现充分液化，未形成新的密实土体结构。根据试水坠效果，现场4个厂房地基施工时均选用了振动棒插入深度0.5～0.6 m，水坠后工程效果良好。

振动棒布置间距对水坠砂的影响：振动棒的布置间距对水坠影响较大，间距小时，水坠效果好，但是施工效率低。振动间距过大时，田字垄内砂土无法充分液化，无法得到密实的效果，通过现场实测，0.4～0.5 m间距的实际效果良好。

2.2 试验结果

击实试验：本工程基坑内砂土地基现场取样后，实验室依据GB/T 50123—1999测得最大干密度1.75 g/cm3，最优含水率为10.6%，砂土干密度与含水率关系，如图5所示。

图5 干密度与含水率关系

压实系数：“水坠+碾压”完毕后砂土地基试验数据见表2，水坠+碾压后砂土地基压实系数均达到了0.96，该组压实系数数据中共12个点，其中3个点压实系数为0.96，6个点压实系数为0.97，3个点压实系数为0.98，全部点位压实系数均能满足设计压实系数0.96的要求，详见表2。对于实际工程中水坠深度较大的场地，砂土地基压实系数试验应该分层检测，水坠一层做一层，不合格的区域分析原因，采用参入大颗粒砂土重新洒水碾压或者采用更大吨位机械继续洒水碾压，直至满足要求。

表2 压实系数

地基承载力静载试验：水坠+碾压后，现场进行了地基承载力静载试验。根据试验报告，处理后地基承载力不小于180 kPa，满足设计要求。设计时对下卧层进行了核算，均能满足设计要求。

3 结论

(1)田字垄静持水位及时间、振动棒布置间距、电动振动棒插入地基深、洒水后碾压均对水坠砂地基处理有影响，实际工程中可根据现场具体情况进行试水坠确定振动棒布置参数。试验表明，振动法水坠+碾压处理后砂土地基压实系数能够达到0.96，静载试验承载力能够达到180 kPa。

(2)黏粒含量较高的沙土地基，建议先换填黏粒含量较低的砂土，然后分层进行水坠。

(3)振动法水坠+碾压砂土地基处理，采用了现代化机械，相比传统水坠，施工速度快，相对于桩基复合地基能够加快施工进度一个月，为矿井水处理项目投产赢得了时间。

(4)“振动法水坠砂+碾压”地基处理方法适合巴拉素等毛乌素沙漠地区，该方法丰富了砂土地基处理方法。砂土就地取材，造价低，节能环保，综合经济性好，值得在实际工程中推广应用。