水墜砂技術(shù)在靖邊氣田站場建設(shè)中的應(yīng)用

范啟明 張鵬

摘 要：在沙漠地區(qū)進(jìn)行的建設(shè)工程，由于其特殊的地質(zhì)條件，不能采用類似于其他地區(qū)傳統(tǒng)的地基處理方式，如翻夯、壓實(shí)、震搗等。以往的靖邊氣田北部地區(qū)構(gòu)筑物基礎(chǔ)處理主要是采用深挖、換填的方式，其處理費(fèi)用較大，而且會因地下水的滲透產(chǎn)生大幅度強(qiáng)度減弱，易產(chǎn)生建筑病害。水墜砂采用了在開挖砂地基槽內(nèi)大面積、連續(xù)性放水、潔凈砂逐層密實(shí)的方法，使地基在飽和水作用下不再發(fā)生沉降和塑性變形，以達(dá)到加固地基的目的。

關(guān)鍵詞：砂土地基；水墜砂；加固

1 概況

截止2013年，靖邊氣田在毛烏素沙漠邊緣砂土地基之上共有集氣站34座、污水處理站一座，以及第一、第二兩座凈化廠及正在建設(shè)的第五凈化廠，且在沙、土交界地帶也建有多座集氣站。隨著靖邊氣田北區(qū)開發(fā)力度的逐漸加大，各站、場的改、擴(kuò)建和新建工程必將增多，尤其是北區(qū)數(shù)個壓縮機(jī)站的興建已成為了采氣一廠近期的重點(diǎn)工作。北區(qū)不良的地質(zhì)條件是否能夠得到有效的改善，就成為了決定工程質(zhì)量優(yōu)劣的一個重要前提。

充分的掌握水墜砂工藝對于指導(dǎo)靖邊氣田日后的新建工程、油維工程、改擴(kuò)建工程、技術(shù)改造工程等都有十分重要的指導(dǎo)意義。但截止目前，我國并未對水墜砂工藝有一個明確的、可操作的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計、施工規(guī)范，因此水墜砂施工工藝仍處在一個逐漸摸索、逐漸認(rèn)識的階段。本文利用采氣一廠近年在靖邊氣田范圍內(nèi)新建工程的施工管理和地基處理工作所獲得的經(jīng)驗和累積的一些數(shù)據(jù)，對水墜砂的施工工藝進(jìn)行介紹和治理效果分析，力求能夠?qū)窈笪覐S的各工程產(chǎn)生積極的幫助，同時尋求該工藝的逐步完善。

2 靖邊氣田北區(qū)地質(zhì)和巖性特征

靖邊氣田北區(qū)地處陜西榆林市榆陽區(qū)、靖邊縣、橫山縣和內(nèi)蒙古烏審旗交界處，地貌單元為固定沙丘，地表大面積覆蓋風(fēng)積砂，表層土多為細(xì)砂，厚度大，土質(zhì)均一、松散、壓縮性大，并且其天然含水量低，級配良好，大多數(shù)呈無結(jié)構(gòu)或弱團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，表層土具有良好的滲透性，其承載力較低，且不同層位的地基承載力差異較大，未經(jīng)處理，一般不能滿足工業(yè)與民用建筑要求。靖邊氣田北區(qū)各層地基土巖性特征及地基土承載力特征值fak詳見表1。

場地地下水屬第四系松散層潛水，在工程建設(shè)較集中的春夏季節(jié)地下水位埋深在8.9～13.3m之間。采氣一廠新建站場及設(shè)備基礎(chǔ)開挖深度一般都保持在表1中①～③層中， fak值變化幅度較大，①層地基承載力較低，不能滿足使用要求。

3 水墜砂工藝簡介

3.1 理論基礎(chǔ)

所謂水墜砂，就是通過水對砂子的水墜作用，使砂粒之間根據(jù)天然級配重新排列組合，讓砂土層形成密實(shí)的沙土墊層， 達(dá)到較高的密實(shí)度和承載力來承受建（構(gòu)）筑物的作用力。

在沙漠地區(qū)施工中，基坑開挖加深部分采用水墜砂進(jìn)行處理，通過分層回填純凈的砂，然后往基坑內(nèi)灌水，使其淹沒砂層并高出砂層表面10～20cm，借助水下滲的作用力，讓砂粒隨之下墜并重新排列組合，砂粒間的空隙隨之縮小，砂粒緊密接觸，待水按一定方式滲透使砂持力層含水達(dá)到飽和狀態(tài)，松散的砂層即被墜實(shí)，加之人工和機(jī)械碾壓，形成比較密實(shí)的墊層。

這一技術(shù)主要利用砂土的兩個特點(diǎn)：一是砂土顆粒細(xì)小，一旦形成緊密接觸狀態(tài)，砂粒之間的空隙率很小，密實(shí)度較大 ；二是砂子本身不吸水，一旦形成緊密接觸狀態(tài)，其密實(shí)度不會再受地下水的影響。

3.2 水墜層厚度的選擇

水墜層厚度的確定，與一般墊層類似，詳見圖1

圖1 水墜層剖面示意圖

作用于水墜底面處砂土層的自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和不大于下臥層的承載力，即：

PZ+PCZ？芨fz

式中：PZ-水墜層底部處的附加應(yīng)力設(shè)計值，kPa；PCZ-水墜層底面處的自重應(yīng)力設(shè)計值，kPa；fZ-水墜層底面處土層的地基承載力設(shè)計值，kPa。

其中PZ除通過彈性理論的土中應(yīng)力公式求得，也可以用擴(kuò)散角θ求得。其計算公式為：

條形基礎(chǔ) PZ=b（P-PC）/（b+2ztgθ）

矩形基礎(chǔ) PZ=bL（P-PC）/[（b+2ztgθ）（L+2ztgθ）]

式中：b-條形或矩形基礎(chǔ)底面寬度，m；L-矩形基礎(chǔ)底面長度，m；P-基礎(chǔ)底面壓力，kPa；PC-基礎(chǔ)底面處自重應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；z-水墜層厚度，m；θ-水墜層壓力擴(kuò)散角，°；

當(dāng)z/b=0.25 取θ=20°，當(dāng)z/b？燮0.50 取θ=30°

兩者之間可以內(nèi)插，水墜層厚度一般在1～3m之間，長慶設(shè)計院設(shè)計要求水墜深度為1.5m。

3.3 水墜層寬度的確定

采用應(yīng)力擴(kuò)散角法確定

b′？芏b+2ztgθ

式中：b′-水墜層底面寬度，m；θ-水墜層壓力擴(kuò)散角，°。

4 水墜砂工藝施工方法

4.1 適用范圍

本方法目前限于疏松的天然砂基進(jìn)行表層處理，而且基礎(chǔ)之下未見軟弱下臥層，如軟土、淤泥、垃圾土、腐殖土等，一般的工業(yè)與民用建筑地基均能達(dá)到很好的治理效果，根據(jù)施工經(jīng)驗及理論表明，粒度較大的中粗砂處理效果最好，其次為細(xì)砂，粉砂需摻入一定量中粗砂或細(xì)砂水墜，可取得較好的工程效果。

水墜法施工對地下水位的要求很高，要求地下水位必須低于需加固的土層，地下水位只有較低時，才能產(chǎn)生自上而下的壓力差，帶動砂土顆粒趨于密實(shí)，否則不能產(chǎn)生足夠的壓力差或水會反滲透，從而造成砂土上浮。因此，排水和降水是地基處理的關(guān)鍵。

4.2 施工方法

4.2.1 按照設(shè)計平面位置開挖基坑（槽），至設(shè)計底標(biāo)高0.2m時，由人工配合平整至設(shè)計底標(biāo)高。

4.2.2 按規(guī)范要求進(jìn)行普探，對地基中的坑穴、空洞等問題進(jìn)行處理，同時檢查基坑持力范圍內(nèi)地質(zhì)、巖性特征有無明顯差異，若存在差異需及時進(jìn)行治理甚至平移建筑物位置，消除隱患。

4.2.3 由監(jiān)理、甲、乙等各方共同驗槽，確認(rèn)基底尺寸。

4.2.4 推土機(jī)或裝載機(jī)自施工坡道進(jìn)入基坑進(jìn)行底夯，按兩縱一橫碾壓，較窄部分也可使用蛙式打夯機(jī)灑水碾壓。

4.2.5 使用自卸汽車進(jìn)砂，推土機(jī)攤鋪，人工配合，每層厚度250～300mm為宜，最佳厚度280mm為佳，為保證每層厚度一致，每10m設(shè)1個找平點(diǎn)，呈梅花狀布置，按照場地設(shè)計坡度拉線找平。

4.2.6 沙層鋪平后根據(jù)場地大小，以能有效蓄水為原則，將場地劃分為若干方格，使用20cm高散砂堆砌分割，使用水龍頭對每個方格進(jìn)行連續(xù)澆水，當(dāng)整個方格面積內(nèi)存水面明顯略高出砂面且不會繼續(xù)下滲、水與砂分層明顯，即證明該砂土墊層達(dá)到飽和狀態(tài)，此時用手觸摸其表層時會粘滿水。放水時工人清理樹根、草枝等雜物。

4.2.7 使用裝載機(jī)或推土機(jī)按縱五橫三方式進(jìn)行碾壓。

4.2.8碾壓完畢立即做密度試驗，壓實(shí)系數(shù)不小于0.95。

4.2.9 試驗不合格時應(yīng)加遍碾壓，試驗合格后方可進(jìn)行下層施工，如此循環(huán)直至設(shè)計標(biāo)高以上0.3～0.5m處，目的是為阻止設(shè)計標(biāo)高處的砂墊層內(nèi)水分散失以及人員、機(jī)械對墊層的破壞和擾動。采用標(biāo)準(zhǔn)貫入法進(jìn)行地基承載力檢測，若達(dá)不到設(shè)計要求時應(yīng)采取補(bǔ)強(qiáng)措施，檢測合格后清除多余的0.3～0.5m砂土再進(jìn)行下道工序，水墜砂施工工藝流程見圖2。

4.3 質(zhì)量控制

4.3.1 砂源控制：施工用砂一般為就地挖出的干凈粉砂、細(xì)砂，其含污量應(yīng)控制在13%以下，小于0.074mm的顆?？刂圃?5%以下，若砂墊層中細(xì)小顆粒過多，會阻止水分順利的通過砂墊層，細(xì)小顆粒還會和水共同產(chǎn)生“膠結(jié)效應(yīng)”，使砂層變成水分無法滲透的“橡皮土”。

4.3.2 水量控制：注水時需連續(xù)進(jìn)行作業(yè)，且必須使用泵送水源進(jìn)行水墜，盡量避免夏天11點(diǎn)-15點(diǎn)之間進(jìn)行施工。

4.3.3 碾壓厚度控制：虛鋪砂層厚度以250～300mm為宜，最佳厚度280mm，最大虛鋪厚度不能超過320mm。

4.3.4 平整度控制：表面平整度誤差不能超過50mm。

4.3.5 干密度控制：嚴(yán)格按照規(guī)范要求檢測，干密度、壓實(shí)系數(shù)要符合設(shè)計要求。

4.3.6 成品保護(hù)：施工上一層水墜砂及清除多余砂層時，禁止擾動下層砂，防止砂粒組成的變異。

5 水墜砂工藝案例分析

本文選用靖邊氣田2008年新建北24集氣站為案例，進(jìn)一步對水墜沙工藝的改良效果進(jìn)行分析和評價。該站地處毛烏素沙漠邊緣，為典型沙漠地形，其地基巖土結(jié)構(gòu)和性質(zhì)具有代表性，能夠真實(shí)反映北區(qū)普遍的地域特點(diǎn)。

5.1 工程概況

靖邊氣田2008年產(chǎn)建工程北24集氣站為1層磚混結(jié)構(gòu)，條形基礎(chǔ)，值班室和注醇泵房建筑面積總和為301.76m2，屬丙類建筑。

5.2地基處理原因與方案

由于天然地基由表1中①類土構(gòu)成，承載力不能滿足上部荷載要求，為提高地基承載力、協(xié)調(diào)地基不均勻性，設(shè)計采用水墜砂墊層整片換填處理方案。

5.3 砂石墊層設(shè)計參數(shù)

墊層頂標(biāo)高2.0m，墊層厚度1.5m，外放大于1.0m，填料為原地開挖出的天然級配粉砂。墊層下臥層為細(xì)砂層，fak=70kPa。

設(shè)計要求墊層地基壓實(shí)系數(shù)ce？芏0.95，承載力特征值fak=140kPa。

5.4 施工概況

采用裝載機(jī)攤鋪和碾壓，同時進(jìn)行人工配合，攤鋪厚度控制在300mm，向基坑內(nèi)浸水，用裝載機(jī)以三縱兩橫的方式碾壓，共計5層。

5.5 檢測內(nèi)容及檢測依據(jù)

5.5.1 確定水墜砂墊層地基承載力特征值。

5.5.2 評價水墜砂墊層地基整體均勻性。

5.5.3 檢測依據(jù)：《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2002）、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2002）、《建筑地基基礎(chǔ)施工質(zhì)量驗收規(guī)范》（GB50202-2002）、《巖土工程勘查規(guī)范》（GB50021-2001）。

5.6 檢測方法

檢測采用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和載荷試驗，為了對比天然地基和處理后地基的承載力差異情況，在天然砂層上也進(jìn)行了標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗和載荷試驗，檢測點(diǎn)平面位置見圖3。

5.6.1 標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗

（1）實(shí)驗方法。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗是用63.5±0.5kg的穿心錘，以0.76±0.02m的自由落距，將一定規(guī)格尺寸的標(biāo)準(zhǔn)貫入器在檢測點(diǎn)打入土中0.15m，記錄再打入0.30m的擊錘數(shù)，稱為標(biāo)準(zhǔn)貫入擊數(shù)，試驗結(jié)束后根據(jù)記錄繪制N-H變化曲線進(jìn)行分析。

（2）試驗結(jié)果分析。從3處天然砂層的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗N-H變化曲線（見圖4）可以看出，30cm的垂擊數(shù)小于4擊，還未達(dá)到“松散”標(biāo)準(zhǔn)的10擊，說明砂層基本無承載力；通過6處水墜砂墊層的標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗N-H變化曲線（見圖5）可以看出，捶擊數(shù)始終保持在25擊以上，最高達(dá)39擊，最高增幅達(dá)12倍，說明水墜效果明顯，整體比較密實(shí)。

5.6.2 地基承載力試驗

（1）實(shí)驗方法

現(xiàn)場載荷試驗是在工程現(xiàn)場通過千斤頂逐級對置于地基土上的載荷板施加荷載，觀測記錄沉降隨時間的發(fā)展以及穩(wěn)定時的沉降量s，將上述試驗得到的各級荷載與相應(yīng)的穩(wěn)定沉降量繪制成p-s曲線和s-lgt曲線（見圖6～圖13），即獲得了地基土載荷試驗的結(jié)果。

（2）試驗結(jié)果分析

分析3處天然地基載荷試驗的p-s曲線和s-lgt曲線變化形態(tài)，作如下分析評述：

T1和T3點(diǎn)均在加載至245kPa時，沉降量突然增大，p-s曲線出現(xiàn)了拐點(diǎn)，已達(dá)到其承載極限，T2點(diǎn)在210kPa時，也出現(xiàn)了此情況；綜合判定天然地基承載力特征值為100kPa。

分析經(jīng)過水墜處理的5處地基載荷試驗的p-s曲線和s-lgt曲線變化形態(tài)，作如下分析評述：（1）在0～360 kPa壓力段內(nèi)，曲線呈線性變化，表明地基在該壓力段內(nèi)變形處于壓密變形階段，未出現(xiàn)塑性變形。（2）s-lgt曲線簇密集、平行、等距均勻變化，在單位時間內(nèi)、各級荷載作用下，沉降量平均。（3）載荷試驗有關(guān)數(shù)據(jù)參見表2。

依據(jù)《GB 50025-2004》規(guī)范之相關(guān)規(guī)定，判定該地基承載力特征值fak=180kPa。

5.7 檢測結(jié)論

通過對靖邊氣田北24集氣站新建工程水墜砂地基各檢測方法的綜合分析和對比，得出以下結(jié)論：（1）水墜砂墊層承載力特征值fak=180kPa。（2）水墜砂墊層密實(shí)度較好。（3）經(jīng)過水墜后的墊層內(nèi)部密度相當(dāng)，應(yīng)力在其中分布均勻且傳遞流暢，整體均勻性較好。（4）在對北24站的天然地基和水墜砂墊層檢測數(shù)據(jù)的對比分析發(fā)現(xiàn)，水墜砂墊層可以提高地基的承載力，協(xié)調(diào)地基均勻性，在相似巖性特征地區(qū)是一種成功的地基處理方案

6 結(jié)束語

實(shí)踐證明，水墜砂法在靖邊氣田北部地區(qū)進(jìn)行沙基處理，有一定優(yōu)越性，根據(jù)相關(guān)學(xué)科研究結(jié)果顯示，作為沙漠砂，不存在“最優(yōu)含水量”之說，往往在干燥狀態(tài)下和近飽和狀態(tài)下可以極大密實(shí)，水墜法處理地基時砂土的孔隙度可減小20%，地基承載力提高了至少約1.7～2.6倍。從實(shí)際情況來看，我廠北區(qū)各集氣站房屋及設(shè)備基礎(chǔ)出現(xiàn)質(zhì)量問題幾率很小，且隨時間延續(xù)并無明顯強(qiáng)度退化現(xiàn)象。

在經(jīng)濟(jì)指標(biāo)方面，采用水墜換填法處理土地基，施工機(jī)械要求不高、容易組織，工藝流程簡單，可就地取材，所耗費(fèi)用較低，比較適合諸如集氣站等單層、淺基礎(chǔ)構(gòu)筑物的基礎(chǔ)加固工程。相比之下，現(xiàn)在普遍采用的“碾壓法細(xì)砂地基處理工藝”、“強(qiáng)夯法細(xì)砂地基處理工藝”、“振動砂、礫樁法細(xì)砂地基處理工藝”要求配合諸如震動壓路機(jī)、打樁機(jī)等特殊設(shè)備和機(jī)具，更適合多層、深基礎(chǔ)和對地基荷載有特殊要求的建筑，在我廠的應(yīng)用性價比不高。

綜上所述，使用水墜法處理砂層地基是砂類地區(qū)最有效、最經(jīng)濟(jì)的地基處理方法，尤其適合靖邊氣田北部的站、場結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，能夠做到投資效益最大化。本文力求通過典型工程的現(xiàn)場試驗，來闡明這一工藝的基本原理和優(yōu)越性，但是并不完善，希望能夠起到拋磚引玉的作用引起更多技術(shù)人員的思考，進(jìn)一步完善、優(yōu)化施工工藝，不足之處，敬請批評指正！

參考文獻(xiàn)

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