土库曼斯坦某项目地基处理中水坠砂法的应用

王 赛，陈思佚，朱鸿彬

中国石油工程建设有限公司西南分公司，四川成都 610041

砂类地基广泛存在于中国西北地区、中亚地区及中东地区。水坠砂法具有对施工机具要求简单、施工成本较低[1]、施工技术要求不高、施工周期短等特点，在我国陕西[2-8]和新疆[9-10]等西北地区被少量应用，但由于水坠砂法未被收录入《建筑地基处理技术规范》[11]和相关施工验收规范，理论支持缺乏，海外工程应用实例更不多见。随着“一带一路”建设逐步深化，中国石油在中亚及中东地区的地面建设工程项目越来越多,经常遇到砂类地基处理问题。本文结合水坠砂法在土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区改建扩能工程（80×108m3/a原料气）（以下简称“本工程”） 地基处理中的应用实例，对水坠砂法的适用范围、工作原理、施工工艺和技术要点进行了探索、总结和验证。

1 水坠砂法

1.1 水坠砂法适用范围

水坠砂法是利用水的下渗作用及振动碾压来密实砂层的一种地基处理方法，适用于松散的砂类地基的浅层处理。该方法对中粗砂处理效果最佳，细砂为其次；若遇粉砂，建议拌入中粗或细砂。

1.2 水坠砂法处理砂土地基的原理

砂颗粒具有较好的磨圆度，但级配特性较差，在自然条件或人为作用下的堆积过程中，其颗粒之间存在较大随机性导致结构松散，因此砂土地基往往具备分选性好、黏粒含量低、力学性能不佳、结构松散的特点。水坠砂法地基处理原理示意见图1。

图1 水坠砂法地基处理原理示意

水坠砂法施工通常在土方回填时分层进行，每当虚铺一定厚度砂层后，修筑砂土围堰进行注水渗透，渗水对砂粒将产生动水压力，在渗透流动作用下砂粒之间的气体将被排出；待该砂层处于最佳含水率时，采用机械碾压或者振动夯实的方法对砂土进行平整夯实；在振动碾压的作用下，砂粒的微观结构重新调整，由疏松变紧密，砂层的密实度随之提高，地基承载力得到增强。

1.3 水坠砂法地基处理的必要条件

为使水坠砂法对砂类地基进行地基处理时能达到设计要求，地质情况须满足以下条件：

（1） 保持砂类地基的可靠稳定，对砂类地基周围做好围护措施，防止地基处理完成后的二次扰动。

（2） 下部地基具备良好的透水性，若注水无法有效渗透，砂土将无法密实。但根据《湿陷性黄土地区建筑规范》[12]，当下层地基为湿陷性黄土时不建议采用此方法，下渗水将破坏黄土原状特性，产生湿陷性并导致地基承载力下降。

（3） 地下水位不能高于待加固土层，否则无法产生足够的压力差将造成水的反向渗透甚至砂土上浮。

2 工程建设场地地质情况

2.1 工程地质特点

土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区改建扩能工程（80×108m3/a原料气） 位于土库曼斯坦列巴普州萨曼杰佩境内，根据本工程《岩土工程勘察报告》 显示场地位于半沙漠半草原地区，所在地区地貌大多属于固定沙丘，少量为半固定沙丘，相对高差一般在2～5 m，最大高差超过10 m。

2.2 地层描述

（1） 人工填土：松散或稍密的素填土，颗粒以细砂为主并混有砾石和混凝土块等，块石粒径0.20～0.6 m，最大可达1.3 m，系建厂土地平整及建筑废渣（原厂施工） 形成，回填时间2～5年不等，层厚0.6～4.3 m。

（2） 细砂②：褐黄色，稍湿，松散～稍密，主要由石英、长石、云母矿物组成，分选性好，级配不良，大部分分散，质纯且无胶结。该层在场地内各勘探孔内均有揭露，厚度变化大，层厚1.5～8.0 m。

（3）细砂③：褐黄色，稍湿，中密，主要由石英、长石和云母矿物组成，分选性好，级配不良，较为分散，局部为粉质黏土夹层，呈透镜体分布，夹层厚度一般不超过300 mm，亚黏土层理发育，手掰即碎，呈可塑状态。该层在场地内各勘探孔内均有揭露，厚度变化大，层厚0.3～5.1 m。

2.3 地层物理力学指标

表1为本工程原状土层的物理力学指标。

表1 物理力学指标

2.4 地基承载力评价

表2为本工程原状土层地基承载力特征值。

表2 地基承载力特征值推荐值

2.5 本工程的设计要求

本工程主要包括新增变电所、锅炉房、处理装置循环冷却水场、工艺（脱烃、脱水、脱硫脱碳、硫磺回收装置、高低压放空火炬）装置区、空氮站、分离区和污水蒸发池等。基础拟采用钢筋混凝土独立基础，细砂③为持力层，设计要求地基承载力特征值不小于180 kPa。

场地平整时需要进行大量挖填方作业，将形成不均匀的地基。根据原厂结构设计，全厂地基处理方案为强夯。但由于本工程与原厂相邻，工艺装置区之间距离不到50 m，根据专家论证，强夯作业所引起的振动将对生产中的原厂建（构）筑物产生不利影响，方磊[13]和安明[14]也对强夯振动的影响距离进行了研究。为保证原厂在本工程施工期间正常生产，确定强夯法无法在本工程延续使用。结合本工程建（构） 筑物对地基的要求、现场砂土地基类型、土库曼地区施工材料和机具条件，综合考虑后确定采用水坠砂法对本工程砂类地基进行地基处理。

3 水坠砂法在本工程的应用

3.1 水坠砂法施工流程

参考罗明浩[15]在石长铁路临澧客运站房的地基处理的施工经验，结合本工程特点制定的水坠砂法施工工艺流程见图2。

图2 水坠砂法施工流程

3.2 水坠砂法施工

由于缺乏相关设计经验及施工规范指导，工程初期在场区内选择了具有代表性的高填方区域进行试验。分别对机械开挖、验槽、铺砂、围堰、注水和碾压等主要工序的关键技术指标进行了确定，并在后续施工中进行了专项控制。

3.2.1 机械开挖

按照基础平面布置图确定基坑大小，四周需超出基础垫层边线2 m。根据设计要求机械开挖至原状中密状细砂层（细砂③） 以上0.2 m时，由人工清理至设计基底标高。

3.2.2 验槽

由甲方、监理和总包方共同进行验槽，本工程验槽时配合钎探，确保铺砂前原状土层承载力特征值达到设计要求。

3.2.3 铺砂

分层进行铺砂，本工程为细砂，每层砂虚铺厚度不大于300 mm，人工找平后表面平整度误差控制在50 mm以内。

3.2.4 围堰和注水

因地制宜分格设置围堰，分格宽度宜不大于10 m，围堰高度宜不低于300 mm。注水应连续进行，水深约200 mm，待目测水面下沉缓慢并无细微气泡后停止注水。待表面无明水后进行含水率测试，待其略高于最优含水率时组织碾压。

3.2.5 碾压

本工程压路机采用的是14 t轮胎驱动光轮压路机，压路原则为：先静后振、高频低振、先慢后快、轮迹重叠。参考赵洪魁[16]的施工经验及本工程试验结果，确定碾压遍数为先静压2遍，再振动碾压3～5遍，若轮迹明显宜再静压2遍保证碾压密实。轮迹应满布作业面，碾压保证碾轮重叠1/3，前后相邻区段应纵向重叠约2 m。压路机采用纵向进退式，不得在碾压区域内转向。

3.2.6 循环施工

碾压完毕后立即抽样进行了干密度试验，对压实系数进行控制。试验不合格时增加碾压遍数直至取样合格，合格后循环施工。循环施工后的最终砂层表面标高须达到设计垫层底标高以上0.5 m。需注意事项：进行上层铺砂前，应采取措施保证下层砂层表面湿润，以便上下层结合良好。施工现场情况见图3。

图3 施工现场

4 质量检测和验证

4.1 检测指标和方法

根据本工程的设计要求，水坠砂法地基处理后的地基主要检测控制指标为压实度和承载力特征值。按计划在不同阶段先后进行了干密度试验、动力触探试验和静力载荷试验，试验报告均由中国石油工程建设公司华东环境岩土工程分公司出具。

4.2 干密度试验结果

本工程对回填土分层压实后的干密度试验控制值为：最大干密度为1.66 g/cm3，压实系数不小于0.97。在工程实施中，回填土分层压实后在业主、PMC和总包方三方监督下进行了取样送检，取样位置由业主随机选取指定，依据《土工试验方法标准》[17]采用灌水法实测并计算干密度，再通过与最大干密度进行比较得到压实系数实测值。以457变电所施工段为例，该区段作业面积约为500 m2，选取了5个点进行取样送检。试验结果见表3，显示5个点的干密度为1.612～1.624，压实系数实测值均大于0.97，判定回填细砂层压实合格。

表3 457变电所区段干密度试验结果

4.3 动力触探试验结果

分层压实至设计垫层底标高以上0.5 m后，根据《岩土工程勘察规范》[18]采用动力触探（标准贯入试验） 方法进行了地基承载力试验，试验现场如图4所示。以脱硫脱碳装置区为例，该装置区长110m，宽60m，面积约6600m2，共设置检测点16处，检测点编号为JC69～JC84，各点的标准贯入试验记录如图5所示。

图4 动力触探现场

图5 标准贯入试验记录

根据图5所示试验结果，水坠砂法处理后的地基表层下0～0.45 m范围内砂层承载力为132.5～180 kPa，未达到设计要求；但0.5～6 m范围内砂层的承载力为198.7～330.7 kPa。从总体上看，水坠砂法地基处理效果良好，在基础垫层施工前人工去除厚0.5 m表面砂层达到基础垫层设计底标高，其地基承载力特征值满足设计要求。

4.4 静力载荷试验结果

本工程对具有重要建（构） 筑物的五个关键区域进行了静力载荷试验，其中前三个均位于脱硫脱碳装置区，第四个位于脱烃装置压缩机房区域，第五个位于脱硫脱碳装置溶液储罐及地坑区域，具体位置由业主、监理和设计共同选定。试验在分层碾压完毕的地表下挖0.5 m后进行试验。本工程浅层平板载荷试验采用了慢速维持荷载法，使用1 m2方形载荷板，最大加载至360 kPa，分8级加载，每级荷载增加45 kPa。试验现场见图6。

图6 平板载荷试验现场

根据5个平板载荷试验点结果，各试验点加载至最大荷载（即360 kPa） 时，均未出现沉降急剧增大、土挤出、承压板周围明显隆起等现象，最终沉降量为2.82～8.45 mm，均小于承压板宽度的6%。各检测点均为缓慢变形，根据《建筑地基处理技术规范》，地基承载力特征值取最大加载量的一半或变形值为10 mm时所对应的荷载。根据测试结果（见表4），承载力特征值均满足设计要求。

表4 静力载荷试验结果汇总

5 结束语

本文对地基处理的水坠砂法进行了介绍，并结合土库曼斯坦巴格德雷合同区域A区改建扩能工程（80×108m3／a原料气） 的试验段实际情况，制定了详细的地基处理方案和技术控制要点，并付诸实施，然后通过干密度试验、动力触探试验和静力载荷试验对地基实际处理效果进行了验证。项目成功投产以来运行正常，建构筑物沉降观测均显示正常。水坠砂法作为非规范收录的地基处理方法，首次在中国石油海外大型EPC项目中被成功应用，进一步论证了该方法在砂类地区工程中的可行性，可为后续类似项目的地基处理提供一定的指导和借鉴。