换填垫层法在地下水环境中垫层施工中的应用

顾腾飞

（中国路桥工程有限责任公司,北京 100000）

0 引言

砂砾垫层是地基浅层处理的一种常用方法。当软弱土或夯填土地基的承载力和变形不能满足设计及规范要求时，常采用加铺承载力高、透水性好的级配砂砾垫层，用来换填基础底面下处理范围内的部分或全部软弱土层，提高地基承载力，使其满足上部承载力的要求[1-2]。

1 换填垫层法概念和作用

1.1 换填垫层法的概念

当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计及规范要求，并且软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面下影响结构物承载范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂砾（碎石、炉渣）或其他性能稳定、透水性强、无侵蚀性的材料，并压实至要求的压实度为止——这种地基处理法为换填垫层法[3]。

1.2 换填垫层法的作用

其主要有以下几方面作用：

（1）提高地基承载力。构筑物基础的地基承载力与其下卧层的抗剪强度、抗压强度有关，采用抗剪强度、抗压强度较高的材料置换较软弱的不合格层，可提高换填区域地基的承载力，以达到符合设计及规范要求的目的。置换后的垫层具有密实度大、强度高等特点，可将构筑物及基础底层压力扩散传递到其下卧的软弱土层，使其所受应力减小到该软弱地基土层允许承载力范围，从而满足强度要求，避免地基因承载力过载产生裂缝及结构性损坏[4]。

（2）减少沉降量。地基浅层部分（3 m以内）的沉降量在总沉降量中所占的比例较大，以集配砂砾或其他填筑材料代替浅层软弱土层，可以大幅减少该层的沉降量。由于换填后垫层的应力扩散作用，使作用在下卧层上的重力呈锥形散布，受压面积增大，致使该区域受压较小，因此也会减少下卧层的集中受力，进而减少整体沉降量以及不均匀沉降[5]。

（3）加速软弱层排水固结。砂砾垫层等垫层材料透水性大，当软弱土层受到上部压力后，砂砾垫层可作为良好的排水层，使结构物基础下层的孔隙水压力迅速消散，加速软弱土的固结和强度，避免地基土塑性破坏[6-7]。

2 工程概况

在尼日利亚阿夸伊博姆州防洪减灾项目中主渠段桩号K4+000-桩号K6+000处地基垫层存在大量地下水，平均水位线高于垫层底标高1 m左右，受制于当地CFG桩、井点降水等施工工艺的不成熟、项目工期紧迫以及成本控制等因素，存在的大量地下水大大增加了垫层施工难度，给垫层质量带来巨大隐患。在水渠垫层施工完毕后，按照当地验收规范及技术指标，验收的合格率应不小于95%。提高地下水环境中垫层施工合格率为课题的研究方向。在研究中，针对地下水环境中垫层施工合格率的问题，进行了详细的要因分析，并确定了软弱地基处理方法不合理为主要原因。鉴于现场浅层软土的特殊性，拟通过清淤和换填相结合的方式加以处理，旨在提高地基的承载能力与稳定性。

3 存在的问题

主渠的桩号K5+400～K5+450、K5+450～K5+500、K5+500～K5+550、K5+550～K6+000 4个工作组面积共41 m2为一次验收不合格的工作段，以1 m2为1处检查单位，进行了全面检查验收。针对规范要求的平整度不达标、承载力不足及裂缝缝隙过大等检查项目，对不合格的问题进行统计，统计情况如表1所示。

表1 质量问题统计表

质量问题饼分图见图1，可以看出，承载力不足为影响地下水环境中垫层验收合格率的主要问题，如果能解决承载力不足问题的90%，那么地下水环境中垫层施工一次性验收合格率就可以达到83.59%+90%×16.41%×73.17%=97.02%。如果认为解决承载力问题的90%偏高，即使能解决承载力问题的80%，那么地下水环境中垫层施工一次性验收合格率就可以达83.59%+80%×16.41%×73.17%=95.52%。因此，地下水环境中垫层施工的承载力不足解决80%，就能达到合同规定的一次验收合格率95%以上，能够实现施工目标。

图1 质量问题饼分图

4 影响承载力的原因分析

从影响地下水环境中垫层承载力的人、机、料、法四个方向着手，对影响地下水环境中垫层承载力的原因分析（如表2所示）。

表2 地下水环境中垫层施工承载力不足问题因果

通过对尼方熟悉水下混凝土作业的技术工人比例不够、CFG桩等其他工艺提高地基承载力的机具欠缺、地基土软弱影响垫层承载力的分析验证，可知地基土软弱是主要影响垫层承载力的原因。为了提高垫层承载力，采用了换填垫层的处理方法。

5 换填处理技术要点

为了了解不同地基土对垫层施工的承载力的影响，该文结合项目实例，对换填垫层技术的实践要点进行分析。

5.1 实验方法和结果分析

在相同条件下的施工段，施工队伍分别采用方法一：不换填正常浇筑垫层施工（软弱地基土）和方法二：换填60 cm的砂砾浇筑垫层施工（软弱地基土），各做100 m2的水下混凝土垫层施工并对此100个单位水下混凝土垫层进行分块验收，最后通过检测承载力达标个数来研究不同地基土对垫层施工的承载力的影响（如表3所示）。

表3 不同地基土对承载力达标率的影响

由于K4+000～K6+000段存在大量地基土，地下水位普遍高于垫层底标高1 m，地基土较为软弱，加大了垫层施工难度。通过上面两组数据的对比，换填60 cm的砂砾处理软弱地基土，从承载力达标率55%提升到95%，大大地提升了垫层承载力，符合在水渠垫层施工中项目的技术指标规定其验收的合格率不小于95%的要求。

5.2 施工工艺

（1）为了避免水渠边坡塌方，扩大工作面宽度1 m（结构两侧各扩大1 m），同时根据地勘资料计算安全坡比，最终将基坑边坡调整为1∶0.5。

（2）设置集水坑，使用1台4寸水泵，保持24 h不间断抽水，保证施工面具备施工条件。

（3）通过回填砂砾置换基坑泥浆，先把砂砾倒入淤泥坑，再把砂砾与泥浆混合物清理出基坑，然后重新回填砂砾，如此循环作业，直至把淤泥全部替换为回填砂砾。试验段换填砂砾深度60 cm，换填宽度9.1 m，砂垫层上浇筑10 cm混凝土C15垫层。

5.3 结果分析

通过科学组织施工以及现场工作人员的共同努力，水下浇筑垫层质量有了极大的提高。经过对已施工的水下垫层进行监控和验收，总体合格率为96.25%，超过了预期的目标（如图2所示）。

图2 实施前后质量检查柱状图

通过统计发现，不换填正常浇筑垫层一次验收垫层合格率只有83.59%，极大制约了整体的水渠施工质量验收。通过该次施工技术改良，从合格率83.59%上升到了96.25%，超过了设定的95%的目标，满足设计及规范要求。

5.4 维护阶段

再次对水下垫层施工的一次合格率进行了调查，在抽样的200处结果中，一次验收通过195处，一次验收合格率为97.5%（如图3所示）。

图3 维护阶段合格率柱状图

通过以上结果表明，大量地下水存在于施工环境中，增加了垫层施工难度。受制于其他施工工艺的不成熟、项目工期紧迫的影响，用砂砾进行换填处理是可行的。

6 换填垫层法施工中存在问题

砂砾垫层的工程实践经验表明，要使砂砾垫层具有较高的压实度和承载力，填料应满足以下几个要求[8-9]：

（1）砂砾垫层宜采用级配良好，质地坚硬的中、粗砂或砂砾，避免使用细砂。其颗粒的不均匀系数应不小于10，曲率系数Cu=1～3，不应混入风化料、软岩破碎料或其他有机杂物。砂砾材料含泥量（＜0.1 mm颗粒含量）不应超过5%，当换填深度较大时，骨料最大粒径可放宽至70 mm。

（2）在工程中应充分考虑原地基土性质、地下水位等因素，采用经济的换填材料、合理的换填深度，既能保证工程施工和运营期间沉降稳定，也可以就地取材，降低工程成本。

对于以天然砂砾作为填料的砂砾垫层，施工中可由人工分层铺平碾压。人工级配的砂石垫层施工采用“砂、石分层铺填，薄层碾压”效果较好。

7 换填砂砾垫层法在浅层软基处理中具有的优点

（1）施工工艺简单、工期短、成本低，与桩基相比可降低20%～50%的造价。

（2）处理效果显著，地基承载力能够得到保证，在这方面明显优于深层搅拌法、注浆法、预压法等其他软基处理方法[10]。

8 结束语

综上所述，通过换填砂砾垫层法成功地提高了地下水环境中垫层施工合格率，极大地提升了垫层的承载力，进而保证了工程的施工质量。换填砂砾垫层法是公路工程垫层施工中重要的施工方法之一，其在对软弱地基处理中具有较好的应用效果。垫层为重点施工内容之一，形成良好质量的垫层，可为后续施工奠定较好的基础，可以保证整个建筑的施工质量，提高施工效率，降低工程造价。