新疆干燥、松散湿陷性粉土渠基强夯处理措施研究

王恩辉

(新疆水利水电勘测设计研究院，新疆 乌鲁木齐 830000)

1 概况

我国目前现行的湿陷性黄土规范GB 50025—2018《湿陷性黄土地区建筑规范》主要编制依据为黄土高原地区的湿陷黄土资料，并且主要针对工业和民用房屋建筑工程，其基本框架对水利工程缺乏有效的指导和规范作用，对新疆黄土考虑较少，对湿陷粉土更无涉足。主要表现在：

(1)黄土规范主要依据陕甘宁晋4省的建筑行业资料和经验，所取经验系数也只列出了这几个地区的值。而新疆地区湿陷土场地具有鲜明的特殊性，渠道工程具有较长的线性特征，地形起伏变化复杂，规范对其缺乏适用性。

(2)建筑地基主要以加荷为主，而渠道工程本身荷载较小，特别是挖方渠道是以卸荷为主，采用工业与民用建筑的荷载标准确定渠道工程的湿陷性等级，会造成对湿陷性等级评价被高估和误判等问题。

(3)规范在湿陷性土层充分浸水情况下进行土层湿陷性评价，渠道工程在设置排水体后，下部土体可能达不到饱和，但规范中并未对湿陷土层的起始湿陷含水率进行规定，会造成对渠基湿陷量难以准确评估的问题。

(4)规范将土层湿陷性等级评价同建筑物重要性统一考虑作为湿陷性处理适宜性的评判依据，但以建筑物的高度作为建筑物重要性划分依据的方式不适用于渠道工程的重要性等级划分。

(5)规范规定的湿陷性土层的处理方法涵盖目前国内黄土地基处理的主要方法，但是对于渠道工程如何根据实际情况在防渗措施和处理措施两者之间进行选择，采取合理的处理方法是一个需要解决的问题，特别对湿陷粉土的处理方法需要提出可行的措施。

随着近几年新疆地区水利工程建设发现，该地区湿陷性土存在于风积黄土、洪积粉土中，湿陷洪积粉土除具有常规的湿陷性黄土的特点外，还具有其自身的特殊性，如：天然含水量低、密度小、分布厚度较大等，对水利工程运行危害极大，已经成为制约水利工程建设的重要因素，必须引起足够的重视。

本文依托新疆某大型引渠工程，对新疆地区干燥、松散的湿陷性粉土渠基处理进行专题研究，该工程有近30km受周边城镇、耕地、交通设施等影响采用沿山坡布置型式，经地质勘测发现该段有26km渠基处于湿陷性粉土上，湿陷性土层深度3～6m局部厚度达11m，考虑渠道长期运行存在防渗体破坏而不能及时发现修补的风险，渠线下游侧有高速、国道、农田、城镇及工厂等重要保护对象，渠道一旦溃堤将对上诉对象带来毁灭性的灾难，同时为确保工程工期和控制成本，必须对该段湿陷性粉土的处理进行专项研究。

2 湿陷性粉土物理特性

2.1 湿陷性粉土的分布及成因

傍山段渠线沿线多成沟梁相间的“W”型地形，沟底分布冲洪积含土碎石层及粉土，厚度由坡顶向沟底逐渐变厚，见层理，夹碎石层，具明显水流搬运痕迹。分布于沟底的粉土层厚度10～20m，两岸斜坡粉土层厚度5～10m。

2.2 北山坡细粒土物理力学性质

根据地质试验成果傍山段渠基土定名为低液限粉土、含砂粉土、粉土质砂。

2.2.1低液限粉土

根据试验成果，粒径0.075～0.005mm占62.7%～96.7%，小于0.005mm占2%～16.5%，液限20.9%～30%，塑限12.1%～21.3%， 塑性指数7.6～9.7，干密度1.30～1.64g/cm3，孔隙比为0.65～1.08，饱和压缩系数为0.11MPa-1～0.59MPa-1，压缩模量为3.28MPa～8.8MPa，属中～高等压缩性土。

2.2.2含砂粉土

据试验成果，粒径0.075～0.005mm占40%～78.7%，小于0.005mm含量占0.1%～17.5%，比重2.69～2.71，液限20.6%～26.3%，塑限12%～17.4%， 塑性指数7.4～9.6，干密度1.39～1.61g/cm3，孔隙比为0.68～0.95，饱和压缩系数为0.16MPa-1～0.595MPa-1，压缩模量为3.29MPa～11.31MPa，属中～高等压缩性土。

2.2.3粉土质砂

据试验成果，粒径0.075～0.005mm占16.4%～44.5%，小于0.005mm占0.5%～6%，液限19.5%～24.8%，塑限11.8%～16.8%， 塑性指数7.2～9.0，干密度1.32～1.59g/cm3，孔隙比为0.71～0.94，饱和压缩系数为0.170MPa-1～0.554MPa-1，压缩模量为3.67MPa-1～10.04MPa，属中～高等压缩性土。

2.2.4湿陷性粉土的湿陷程度

渠基沿线中等湿陷性土下限基本位于地表以下2～3m，少量位于地表以下4～5m，轻微湿陷性下限位于地表以下5～7m，最深11m。

根据室内试验结果，渠基湿陷性粉土自重湿陷量为18～59mm，个别土层自重湿陷性量大于70mm，根据GB 50025—2018判断标准该段粉土属于非自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅰ(轻微)或Ⅱ(中等)。土层的湿陷起始压力基本在5～40kPa，极少量达107kPa。其湿陷起始压力多小于荷载，故本段湿陷性土在不作处理时，遇水基本会产生湿陷。

3 处理方式的确定

针对该段湿陷性粉土渠基的处理方式，一方面借鉴工业与民用建筑的方法，另一方面在工程实践中进行改进以适应渠道工程特性。根据已建工程处理经验进行分析对比，确定适合本工程的处理方式。各湿陷性黄土渠基处理方法见表1。

表1 湿陷性黄土渠基处理方法

从处理方式的原理和可靠性看，强夯法和翻夯法均适用本工程；从处理方式的操作性、周边建筑物情况和处理深度看，翻夯法需进行现场土体制备调整土体含水率，耗时长，且受天气影响大；工程实践经验强夯法可通过加大夯击能的措施，研究在天然低含水率情况下实现夯实消除湿陷性的可行性。因此本工程除在渠基周边存在高速公路、民用建筑等保护对象时需采用翻夯法处理外，其余部位均采用强夯法处理，但对强夯法的施工控制参数，需进行现场夯击试验确定。

4 现场夯击试验

为对该段湿陷性粉土渠基大面积处理提供施工依据和决策，在实施现场进行不同处理深度、不同含水率、不同夯击能试验，记录试验数据，检测夯击后土体湿陷性性能、核算施工单价，确定最佳的处理参数。

4.1 试验场区选择

为了能够反馈有效、多样具有可比性的试验数据，确保大面积施工的处理质量，结合施工现场情况，选取3段渠基进行夯击试验，并在每段试夯划分2个10.0m×10.0m的试验区，其中第一区段渠基采用天然状态和沟槽增湿2种状态下进行试验，其余区段均在天然含水情况下进行试验。夯点采用正方型布置夯点中心距5.0m，初拟试夯场区特性及试验设备型号见表2—3。

表2 试夯场区特性表

表3 试夯试验设备表

(续表)

4.2 夯击检验及完成标准

4.2.1试验检验项目及指标

试验检验项目和标准根据GB50025—2018的要求确定，具体见表4。

表4 试夯施工质量检验项目表

4.2.2试验检验项目及指标

(1)最后两次夯击的平均夯沉量小于等于50mm，单击夯击能超过4000KN·m时小于等于100mm。

(2)夯坑周围不能有过大的地面隆起。

(3)不能因夯坑过深造成起锤困难。

4.2.3现场夯击试验成果

表5为夯坑及场地下沉量汇总表，夯击前后土体特征对比见表6。

表5 夯坑及场地下沉量汇总表

表6 夯击前后土体特征对比表

4.2.4周边环境影响范围

目前国内无针对的强夯的振动安全标准，本工程根据GB 6722—2014《爆破安全规程》相关规定，对3#夯区2个试验单元周边布设监测断面进行水平及垂直震速监测，了解夯击振动对周边建筑和其他地物的影响程度和影响距离，用于指导工程确定采用夯击的施工区段。成果详见表7。

表7 强夯试验振速成果表

根据GB 6722—2014振动主频在10～50Hz范围，允许安全振速为0.7～1.2cm/s，由上表得出安全强夯施工距离控制在保护对象以外20m。

5 结语

针对缺水地区干燥、松散性湿陷性土层，对原状土采用3000～5000KN·m夯击能时，可消除4m深度范围内的土体湿陷性，本次研究中夯击能为7000KN·m时成功消除了5.7m深土层的湿陷性。目前国内最大夯击可达18000KN·m以上，基本消除10m左右干燥、松散性湿陷性土体的湿陷性。同时结合夯击振动监测成果，强夯施工对场区周边20m外建筑物基本没有影响。由此可见，采用加大夯击能方式进行天然干燥、松散性湿陷性土层的湿陷处理，简化了GB 50025—2018中强夯处理对土体含水率要求，改善了施工环境，可有效缩短工期和节约施工成本，具有显著的工程推广价值。