明渠工程中濕陷性黃土地基處理方法比選

張同凱

（新疆伊犁河水利水電投資開發(fā)（集團(tuán)）有限公司，新疆烏魯木齊 830000）

1 工程概況

新疆某干渠工程主要由明渠、隧洞、水閘、矩形槽、渡槽及交叉建筑物等組成，總長128 km，設(shè)計(jì)流量60～20 m3/s，工程為Ⅰ等大（1）型工程。明渠工程某段布置于山坡斜坡上，縱坡1/10 000，梯形斷面，渠深4.7 m，該段渠道建基面表層粉土多來源北部丘陵區(qū)的黃土，屬次生黃土，具有濕陷性，累計(jì)總長度約27 km。渠道南側(cè)北山坡坡下有高速、國道、農(nóng)田、居民區(qū)及工廠等重要保護(hù)對(duì)象，因此，處于濕陷性土層內(nèi)的北山坡渠段基礎(chǔ)均需進(jìn)行處理。

2 地質(zhì)條件

渠道沿線多溝梁相間的“W”型地形，多分布沖洪積含土碎石層及粉土，坡面為低液限粉土、粉土質(zhì)砂，厚度由坡頂向溝底逐漸變厚，夾碎石層，具有明顯水流搬運(yùn)痕跡。分布于溝底的粉土層厚10.0～20.0 m，兩岸斜坡粉土層厚5.0～10.0 m。輕微濕陷性黃土的濕陷系數(shù)為0.015～0.030，多位于地表以下5.0～7.0 m，局部達(dá)11.0 m；中等濕陷性黃土的濕陷系數(shù)為0.030～0.070，多位于地表以下2.0～3.0 m，少部分為地表以下4.0～5.0 m，局部達(dá)9.5 m。經(jīng)分析，北山坡區(qū)的表層粉土多來源于北部丘陵區(qū)的黃土，地表向深部延伸的濕陷系數(shù)呈逐漸變小的趨勢，由強(qiáng)濕陷性土逐漸變?yōu)橹械葷裣?、輕微濕陷、非濕陷土層。工程區(qū)濕陷性土巖性為低液限粉土、含砂低液限粉土，少部分為粉土質(zhì)砂，3 種巖性中均含有部分粘粒，含量為0.1%～4.8%，但塑性指數(shù)為7.2～13.9，不均勻系數(shù)為1.3～6.9，曲率系數(shù)為0.6～2.4，表層3.0～5.0 m 范圍內(nèi)濕陷系數(shù)為0.016 4～0.145 4。北山坡段粉土天然含水率分布很不均勻，且隨季節(jié)變化，天然含水率最大值為25.1%，最小值為0.7%，平均值為5.8%，大部分天然含水率為1.3%～13.0%，約占總量的92.0%。

3 濕陷性黃土處理方案比選

3.1 土基翻填或置換

翻填是將存在濕陷性的黃土挖掉，但挖除的土仍具備作為填筑料使用的條件，其在制備場地進(jìn)行晾曬或?yàn)⑺苽浜?，再分層回填至基坑作為墊層。施工中應(yīng)加強(qiáng)控制土體含水率，宜控制在最優(yōu)含水率的0%～3.0%以內(nèi)，經(jīng)現(xiàn)場壓實(shí)度碾壓試驗(yàn)，該種濕陷性土最優(yōu)含水率為15.0%左右。置換與翻填施工原理基本相同，僅在填筑介質(zhì)上發(fā)生了改變，即棄用開挖土基，采用砂礫料、礫石土、灰土、水泥土、物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)更好的黃土作為回填料分層填筑基坑[2]。置換對(duì)周邊施工環(huán)境影響較小，機(jī)械設(shè)備的組織及施工工藝簡單，且對(duì)濕陷性土基的處理效果明顯，但施工投資較高，尤其現(xiàn)今砂礫料原材成本較前期增加明顯。因此，墊層土料翻填或置換方案適用于小范圍和淺濕陷性的基礎(chǔ)處理部位，如用在濕陷性土層厚小于2.0 m 及其他特殊部位的處理，特別是在水閘、排洪涵等重要建筑物濕陷性黃土基礎(chǔ)處理中，通過采用物理結(jié)構(gòu)性質(zhì)更好的介質(zhì)進(jìn)行回填以增加基礎(chǔ)穩(wěn)定性，可起到較為明顯的效果。

3.2 強(qiáng)夯

強(qiáng)夯法進(jìn)行地基處理是將一定重量的重錘附加一定落距，將重錘自由落下，對(duì)土體施加一個(gè)巨大的沖擊力和能量，擠密土體間空隙，使土體發(fā)生物理變化，以提高地基強(qiáng)度，并由此改善土的液化條件，消除濕陷性。該方法一般有效處理深度達(dá)到3.0～7.0 m，但對(duì)土體的天然含水率有一定要求，土體天然含水量低于塑限含水量1.0%～3.0%時(shí)，需進(jìn)行補(bǔ)水增濕，土體天然含水量大于塑限含水量3.0%時(shí)，宜對(duì)土進(jìn)行晾干處理。施工中，首先確定地基有效加固深度及處理后地基土的強(qiáng)度、濕陷性和承載力，再確定合適的夯擊能、夯錘尺寸和落距等施工參數(shù)，最后通過現(xiàn)場試驗(yàn)來確定夯點(diǎn)間距、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、最后兩擊夯沉量和間隔時(shí)間等設(shè)計(jì)參數(shù)。根據(jù)強(qiáng)夯試驗(yàn)和經(jīng)濟(jì)比對(duì)，濕陷性土層厚2.0～3.0，3.0～4.0，4.0～5.0，5.0 m 以上時(shí)，宜分別采用3 000，4 000，5 000，7 000 kN·m 夯擊能。強(qiáng)夯法所用設(shè)備較為簡單，原理直觀，在大范圍的土基處理施工中適用范圍廣泛，對(duì)于濕陷性黃土處理具有投資較低、加固速度快、施工簡便、效果好等優(yōu)點(diǎn)，但施工中對(duì)周邊環(huán)境的影響較為明顯，3 000 kN·m 夯擊能就對(duì)80.0 m 范圍內(nèi)的土木房屋、果林等產(chǎn)生較為明顯的震感。尤其臨近重要建筑物（如高速公路、鐵路、廠房等周邊）施工時(shí)，需提前測算強(qiáng)夯影響范圍和影響程度，采取一定措施增加安全距離或防護(hù)措施，確保不影響建筑物使用安全。

3.3 擠密法

擠密法是采用擠土成孔或非擠土成孔方式在地基土中成孔，通過分層填料，夯實(shí)或夯擴(kuò)成孔，擠密過程發(fā)生在成孔、成樁過程中。擠密法使樁間土性得到改良，增加土體密實(shí)度及承載力。該施工方法處理濕陷性基礎(chǔ)深度一般為5.0～15.0 m，適用于松散狀砂土、粘性土、粉土等地基，當(dāng)土的含水量低于12.0%，需要通過增濕對(duì)土層進(jìn)行處理[3]。此方法在施工過程中對(duì)周邊環(huán)境影響較小，對(duì)土基的處理深度較深，在應(yīng)對(duì)特殊結(jié)構(gòu)物地基具有濕陷性需要處理時(shí)有較好的效果。但其在施工質(zhì)量控制方面較為繁瑣，質(zhì)量檢測較為復(fù)雜，且施工工期長、投資較大，不適用于大范圍的建筑物土基處理。

3.4 預(yù)浸水處理

預(yù)浸水處理法是利用黃土地基浸水后自重濕陷的特征，在基礎(chǔ)處理過程中對(duì)地基進(jìn)行大面積地充分浸水，使土體在自重的作用下濕陷，從而達(dá)到消除地表下黃土的自重濕陷性。在進(jìn)行預(yù)浸水處理時(shí)，需先通過現(xiàn)場的浸水試驗(yàn)以確定耗水量、浸水時(shí)間及濕陷處理效果。一般情況下，預(yù)浸水處理濕陷性黃土法對(duì)地表黃土層6.0 m 以下的地基有較好的效果，可大幅度減小土基濕陷性，但表土層部位因自重壓力偏低導(dǎo)致濕陷性處理不甚理想，浸水后表土層須換填處理。此外，預(yù)浸水處理需重點(diǎn)考慮施工的安全距離，浸水坑邊緣至已建建筑物或居民區(qū)的距離不宜小于50.0 m，并應(yīng)做好浸水施工對(duì)周邊場地邊坡穩(wěn)定性的測算和防范。采用預(yù)浸水法處理濕陷性黃土地基，土體的濕陷性有很大變化和改善，在應(yīng)對(duì)較大范圍的深度濕陷性地基處理時(shí)效果顯著，施工功法簡便、投資少。但預(yù)浸水處理在施工前應(yīng)著重考慮施工區(qū)的安全距離，在臨近居民區(qū)、重要工礦設(shè)施、高速公路等設(shè)施時(shí)，預(yù)浸水處理將受到很大限制，應(yīng)加強(qiáng)防范附近地表可能產(chǎn)生開裂、下沉對(duì)建筑物產(chǎn)生的影響。預(yù)浸水處理法的耗水量大，需要充足的水源供給，表層土要二次處理方可徹底消除濕陷性。在該渠道工程中，因臨近居民區(qū)和高速，且水源較少，因此未采用此工法。

結(jié)合上文分析可知，當(dāng)工程地基存在大范圍濕陷性黃土需處理時(shí)，采用強(qiáng)夯、預(yù)浸水法在有效地節(jié)約建設(shè)資金投入的同時(shí)，對(duì)消除地基濕陷性起到較好的效果；當(dāng)建筑物工程較為重要，對(duì)地基濕陷性的處理效果要求較高，亦或在施工中受限于周邊環(huán)境影響，可采用土基翻填或置換、擠密法來消除地基濕陷性，以確保工程安全可靠。

4 結(jié)語

新疆某干渠工程規(guī)模大、外部環(huán)境復(fù)雜，尤其是北山坡渠段渠基為粉土，大多具有濕陷性，如若處理不到位，對(duì)輸水明渠尤其是工程中的建設(shè)物會(huì)造成極大的安全隱患，因此，對(duì)地基濕陷性展開處理具有重要意義。上文中列舉的土基翻填或置換、強(qiáng)夯等在該工程的濕陷性黃土地基處理中多有運(yùn)用，且起到了較好的效果。除擠密法、預(yù)浸水處理外，濕陷性黃土地基的處理方法還有防滲墻、排水法等。在實(shí)際的工程運(yùn)用中，要本著安全可靠、施工便捷、投資合理，并結(jié)合施工環(huán)境影響、基礎(chǔ)處理的必要深度等多重因素，選擇適用的基礎(chǔ)處理方案。