膨脹土基坑回填處理方法

強(qiáng)魯斌，李 迷

(長(zhǎng)江巖土工程總公司(武漢)，湖北 武漢 430010)

南水北調(diào)中線工程總干渠渠線長(zhǎng)約1 276 km，沿渠線穿渠、跨越等建筑物布置較多，且種類(lèi)、型式多樣。渠線所經(jīng)不同的流域，地質(zhì)條件復(fù)雜，其中渠線分布的膨脹土巖長(zhǎng)度比例約占總干渠長(zhǎng)度的1/4［1］。

在中線工程淅川段工程建設(shè)區(qū)，分布有深挖方膨脹土渠道和高填方膨脹土渠基，最大挖深和最大填高分別約為47 m和17 m［2］，渠道存在的工程問(wèn)題中較為突出的也是最難解決的就是膨脹土(巖)問(wèn)題［3］。因膨脹土自身特有的膨脹性、多裂隙性和超固結(jié)性工程特性，開(kāi)挖的基坑在施工過(guò)程中存在多方面因素可能影響回填處理質(zhì)量，尤其是可能引起對(duì)膨脹土邊坡或渠堤安全穩(wěn)定的影響。作者有針對(duì)性地對(duì)開(kāi)挖基坑施工回填過(guò)程存在的問(wèn)題進(jìn)行了詳細(xì)地分析研究，提出回填處理措施及注意事項(xiàng)，并強(qiáng)調(diào)類(lèi)似膨脹土工程區(qū)工作的側(cè)重點(diǎn)。

1 膨脹土工程特性

膨脹土是一種特殊性土。在工程建設(shè)中其脹縮變形被認(rèn)為是頑癥，“晴天一把刀，雨后一泡糟”說(shuō)的就是其工程特性。影響膨脹土工程特性的礦物成分主要是土體含有遇水膨脹、失水干縮的蒙脫石和伊利石。土體力學(xué)強(qiáng)度因其外在的反復(fù)脹縮性具易衰減難恢復(fù)的特點(diǎn)，膨脹性隨著埋深的增加而增強(qiáng);內(nèi)在原因是其具有超固結(jié)性和多裂隙性特點(diǎn)，超固結(jié)性在土體減載卸荷后多以水平向膨脹力釋放，同時(shí)多裂隙性促使土體的完整性遭受破壞，降低了土體的力學(xué)強(qiáng)度，說(shuō)明其地質(zhì)結(jié)構(gòu)和力學(xué)強(qiáng)度具有分帶性和時(shí)效性［4－5］。膨脹土工程特性還在于引起的滑坡具有獨(dú)特的破壞機(jī)理特征，形態(tài)上表現(xiàn)在后緣較陡，以受拉為主，中前緣較緩近于水平［6］，破壞形式先是淺表層受環(huán)境影響變形，不斷往深處發(fā)展后，再以推移形式滑動(dòng)破壞，并向兩側(cè)及深部逐漸發(fā)展，不斷牽引后部坡體，有的最后演變成滑坡群。

2 膨脹土基坑類(lèi)型

南水北調(diào)中線工程膨脹土渠道開(kāi)挖或填方渠堤清基時(shí)，渠坡及渠基會(huì)遇到與渠道相交的建筑物。所開(kāi)挖的基坑因建筑物設(shè)計(jì)類(lèi)型的不同，基坑尺寸、形狀及開(kāi)挖深度差異較大?；踊靥钐幚頃r(shí)，施工作業(yè)會(huì)受場(chǎng)地限制，因基坑作業(yè)面多狹小，無(wú)法進(jìn)行大范圍的機(jī)械化作業(yè)。根據(jù)不同類(lèi)型的基坑，因設(shè)計(jì)要求處理措施的不同［7］，其基坑回填難易程度有所不同。應(yīng)針對(duì)性地分別對(duì)待處理，可采用不同的方法回填處理，如采用人工灘鋪，配合小型蛙式打夯機(jī)進(jìn)行碾壓。

渠道開(kāi)挖及渠堤基坑回填主要有以下類(lèi)型。

2.1 穿渠、河渠倒虹吸建筑物基坑

依渠道方向分順渠和穿渠兩類(lèi)基坑，或按照流域面積大小亦可分左岸排水和河渠交叉基坑等。上述類(lèi)型建筑物管身段開(kāi)挖基坑范圍、深度一般較大;進(jìn)、出口段設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)冀墻背面基坑，因建筑物管身段先回填，后期對(duì)進(jìn)、出口段進(jìn)行施工開(kāi)挖，該部位形成的基坑形狀、尺寸復(fù)雜，空間狹小。

2.2 跨渠墩柱基礎(chǔ)建筑物基坑

主要有兩類(lèi)建筑物公路橋和渡槽，均為墩柱基坑。基坑開(kāi)挖尺寸深淺、大小不一，以矩形狹長(zhǎng)居多，且周邊邊坡多較陡;部分建筑物因上部結(jié)構(gòu)，施工大型機(jī)械需要較大作業(yè)平臺(tái)，墩柱基坑超范圍開(kāi)挖，形成較大的基坑。

2.3 渠道、道路清基基坑

填方段渠道及道路引道施工前，一般對(duì)基面進(jìn)行清基處理，主要是清除基面表層一定厚度的耕植土。清基過(guò)程遇到墳、井及魚(yú)塘等低凹處形成基坑;公路橋引道原路基兩側(cè)沖溝清基形成的基坑;在墩樁基礎(chǔ)施工過(guò)程中，清基面上挖有泥漿坑，人為形成一些基坑。

3 基坑存在的問(wèn)題、形式及潛在影響

在工程建設(shè)過(guò)程中，很多方面會(huì)影響到工程建設(shè)進(jìn)度和質(zhì)量，比如天氣、施工組織及工程處理情況等。對(duì)膨脹土來(lái)說(shuō)，因其具有的工程特性，采用現(xiàn)代機(jī)械化的施工開(kāi)挖方式，給基坑處理帶來(lái)一些工程問(wèn)題，處理難度增加。引起的問(wèn)題不但會(huì)影響到工程建設(shè)進(jìn)度，若處理不善極有可能會(huì)影響到工程質(zhì)量。

3.1 存在的問(wèn)題

針對(duì)南水北調(diào)中線工程淅川段膨脹土來(lái)說(shuō)，開(kāi)挖的各類(lèi)基坑主要存在以下幾方面問(wèn)題。

3.1.1 邊坡過(guò)陡問(wèn)題

開(kāi)挖產(chǎn)生的基坑邊坡一般多較陡，坡度約50°～70°。較深的基坑施工處理前要求對(duì)邊坡進(jìn)行放坡處理，這時(shí)受基坑大小的限制，造成邊坡開(kāi)蹬較困難，放緩邊坡條件也不允許，難于滿足回填處理要求;部分橋梁基坑因施工工序不當(dāng)，上部結(jié)構(gòu)施工完成后，造成基坑上部空間比較矮小，不易施工作業(yè)。

3.1.2 土體風(fēng)干碎裂問(wèn)題

開(kāi)挖成型基坑長(zhǎng)時(shí)間放置過(guò)程中，在短期內(nèi)就會(huì)發(fā)生顯著的結(jié)構(gòu)破壞，基面表層土體失水風(fēng)干碎裂。風(fēng)化碎裂現(xiàn)象隨著時(shí)間加劇，厚度不斷加深。土體呈堅(jiān)硬碎塊狀或散粒狀，加之基坑開(kāi)挖邊坡多較陡，雨季降水沿風(fēng)化干裂縫滲入坡體內(nèi)部，反復(fù)脹縮后引起邊坡局部發(fā)生變形或坍塌。裸露過(guò)久的膨脹土邊坡經(jīng)歷雨淋日曬，多外硬內(nèi)軟，難于徹底清理干凈。

3.1.3 地下水處理問(wèn)題

對(duì)于膨脹土基坑中的地下水來(lái)說(shuō)，一般多為不連續(xù)“雞窩狀”滲出，呈線狀分布，且滲水量不大，無(wú)明顯滲流匯積，土體濕軟，裸露不久滲出部位地下水多易消失?；釉诨靥钐幚砗螅半u窩狀”地下水重新恢復(fù)，回填壓實(shí)的水泥改性土因滲透性相對(duì)較小將成為隔水層，致地下水沒(méi)有滲出通道。地下水在回填界面處匯積，該部位土體往往形成軟弱帶，對(duì)膨脹土基坑邊坡穩(wěn)定構(gòu)成威脅。

3.1.4 基坑積水問(wèn)題

在雨季或地下水豐富時(shí)，已開(kāi)挖基坑形成長(zhǎng)期匯積水現(xiàn)象。對(duì)膨脹土來(lái)說(shuō)“水易進(jìn)而難出”，基坑土體浸泡后結(jié)構(gòu)遭受破壞，軟化而強(qiáng)度降低，引起土體性狀?lèi)夯?/p>

3.1.5 開(kāi)挖方法及工序不當(dāng)問(wèn)題

膨脹土基坑一般要求避開(kāi)雨季進(jìn)行開(kāi)挖，避免開(kāi)挖后回填不及時(shí)。雨水的入滲及對(duì)基坑邊坡的沖刷，使土體強(qiáng)度降低，帶來(lái)安全隱患。穿渠建筑物基坑兩側(cè)邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)現(xiàn)象多發(fā)生在汛期。

3.1.6 其它問(wèn)題

對(duì)開(kāi)挖較小基坑，所需回填用料一般較少。因回填料多為殘余剩料或削坡余料［7］，存在用料含水量偏低碾壓不實(shí)問(wèn)題，或使用過(guò)程中灑水保濕措施不到位問(wèn)題。

3.2 存在的形式

基坑存在的問(wèn)題一般都是多樣并存。對(duì)于不同的基坑，問(wèn)題的存在形式有所不同。

(1)墩柱基坑及其施工中基面上挖的泥漿坑，深約1～5 m?；靥钐幚磉^(guò)程中，因施工隊(duì)伍技術(shù)參差不齊，沒(méi)有按照回填處理技術(shù)要求作業(yè)，私下回填處理不實(shí)，施工質(zhì)量不能滿足設(shè)計(jì)要求;回填材料中混有大量建筑垃圾，或摻雜膨脹土進(jìn)行拌料，或受降雨影響的軟土清理不徹底等。該類(lèi)基坑邊坡多較陡，開(kāi)蹬處理和墩柱周邊碾壓均較困難。

(2)高填方渠基及高填方道路引道清基，基面發(fā)育的溝槽多為貫穿整個(gè)渠道的沖溝，是地表水系匯積排泄通道，深約1～3 m。溝底及兩側(cè)溝邊多年雜草及樹(shù)根叢生，溝底含腐蝕質(zhì)、有機(jī)質(zhì)根系土堆積較厚。清基后基面地勢(shì)多低凹，起伏不平。存在的問(wèn)題主要是溝內(nèi)較厚的含腐蝕質(zhì)有機(jī)質(zhì)土體清除不徹底，或道路繞行所需場(chǎng)地平整占?jí)?，沖溝被掩埋。

(3)半挖半填渠段和高填方渠段穿渠建筑物進(jìn)、出口段基坑，因上下游側(cè)渠堤及建筑物管身段的提前填筑，在進(jìn)、出口段清基開(kāi)挖后形成的基坑更加低凹，與已填筑部位相接合處坡度較陡且基面狹小，空間形態(tài)多樣，回填處理困難，存在開(kāi)蹬及碾壓較困難;或因放置時(shí)間較長(zhǎng)基坑表層土體風(fēng)干碎裂破壞，或在雨季長(zhǎng)期積水軟化基面等。

(4)井、墳基坑多在高填方渠段清基面內(nèi)出現(xiàn)，小型水井基坑一般好處理，對(duì)大型機(jī)井、比較古老的空腔墳基坑處理有難度，如古墳多用磚砌成空腔，埋深一般1～2 m，多三五成堆出現(xiàn)。例如在一段長(zhǎng)80 m的渠段，共發(fā)現(xiàn)該類(lèi)墳基坑約17處。工程建設(shè)前期，部分古墳經(jīng)非法人員私自采挖，形成的凹坑掩埋不實(shí);水井、墳基坑若發(fā)育在渠坡上，處理范圍需按要求進(jìn)行擴(kuò)大。

3.3 潛在影響

在工程建設(shè)過(guò)程中，若膨脹土基坑回填處理不當(dāng)，就難于滿足工程設(shè)計(jì)要求。通過(guò)上述基坑存在的問(wèn)題和不同基坑情況的分析歸納，主要潛在影響因素有:回填土與原基面土體間碾壓不實(shí)、基坑內(nèi)濕軟土體清理不徹底，以及回填前未進(jìn)行放坡、開(kāi)蹬處理。

多方面因素影響造成新老結(jié)合面結(jié)合不良，回填土體部分易發(fā)生脫坡、不均勻沉降等，引起邊坡變形破壞、地基沉降變形問(wèn)題;回填掩埋的風(fēng)干碎裂土層成為地表水入滲的通道和地下水的匯積區(qū)，進(jìn)而引起土體工程性狀?lèi)夯T發(fā)邊坡變形，最后失穩(wěn)破壞，并不斷往深處及兩側(cè)發(fā)展。

4 回填處理及注意事項(xiàng)

4.1 回填處理

對(duì)膨脹土基坑的回填處理，設(shè)計(jì)上一般多采用摻量3% ～8%水泥的粘性土［8］，也可采用非膨脹土、弱膨脹土、摻量5%砂或碎石的粘性土及摻量＞10%水泥的粘性土等進(jìn)行回填，并碾壓達(dá)一定密實(shí)度。膨脹土基坑開(kāi)挖成型后，多多少少總會(huì)受到內(nèi)在和外在不利于回填處理的多種因素?fù)诫s的影響，使回填處理的難度增大。因此，對(duì)膨脹土基坑的回填處理應(yīng)側(cè)重于回填土體與原基面土體的結(jié)合部位，同時(shí)做好地下水的疏排處理。

主要回填處理措施及對(duì)策:

(1)基坑回填處理采用壓實(shí)法，并根據(jù)基坑情況選用機(jī)械碾壓或人工夯實(shí)。此方法以增大土體干密度，并減小土體含水量，摻水泥和碎石主要是減小并改變土體的膨脹特性;對(duì)已破壞的膨脹土體如風(fēng)干碎裂、浸泡軟化等多采用挖除法進(jìn)行處理;對(duì)基坑邊坡過(guò)陡現(xiàn)象采用開(kāi)蹬處理時(shí)，夯實(shí)工序安排要跟緊。

(2)對(duì)高地下水位基坑，先采用降水處理，埋設(shè)透水管井，水位降低于基面1.0 m左右時(shí)，確保干地施工，保證基面土體結(jié)構(gòu)不受明顯破壞，再進(jìn)行回填;當(dāng)回填高于地下水位0.5 m時(shí)，對(duì)透水管井進(jìn)行混凝土封堵回填處理。

地下水處理一般在基坑周邊布置盲溝導(dǎo)排，采用集水井進(jìn)行抽排;對(duì)基面土體下部微承壓水滲出基坑，采用輕型井點(diǎn)進(jìn)行降水，并在基面布設(shè)盲溝導(dǎo)排。

(3)對(duì)土體含水量較高基坑，先采用翻晾曬，或換填一定厚度水泥土或碎石土，再進(jìn)行回填處理;對(duì)砂性土基坑采用砂礫卵石土回填一定厚度;對(duì)滑坡清理形成的基坑分兩類(lèi)處理:一是較小滑坡對(duì)滑體全部清除;二是較大滑坡削坡減載后，對(duì)未清除的滑體中前部增設(shè)抗滑加固處理措施。

4.2 注意事項(xiàng)

(1)對(duì)3～5 m深基坑，邊坡開(kāi)蹬或放坡嚴(yán)禁一次開(kāi)挖到位，依據(jù)施工能力分區(qū)、分段處理。

(2)雨季基坑一般不得施工開(kāi)挖。雨前對(duì)已開(kāi)挖成型的基坑，應(yīng)組織力量抓緊回填處理;對(duì)施工無(wú)法完成回填處理的基坑，應(yīng)在雨水來(lái)臨前進(jìn)行有效覆蓋保護(hù)，避免受雨水影響，且確保外圍水不進(jìn)入基坑。

(3)嚴(yán)防基坑開(kāi)挖成型后長(zhǎng)期裸露遭受風(fēng)吹日曬。

(4)對(duì)清基后基坑存在較多青磚塊部位，嚴(yán)禁選用大型挖掘機(jī)進(jìn)行處理，可采用擾動(dòng)較小的洛陽(yáng)鏟探明是否地基有墳等空腔，并人工配合進(jìn)行清理。

(5)加強(qiáng)巡視，及時(shí)、定時(shí)對(duì)基坑積水進(jìn)行抽排，嚴(yán)防基面土體受浸泡。

5 結(jié)語(yǔ)

膨脹土地區(qū)工程建設(shè)中，基坑從施工開(kāi)挖到回填處理，務(wù)必嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)規(guī)定要求和相關(guān)規(guī)程規(guī)范。只有真正把技術(shù)性工作落實(shí)到位，精心組織、科學(xué)施工，才不會(huì)留有隱患。

(1)抓住開(kāi)挖、回填時(shí)機(jī)，并做到排水、開(kāi)蹬、及時(shí)回填及結(jié)合人工夯實(shí)等施工措施，可確?；踊靥钐幚碣|(zhì)量取得效果良好;

(2)基坑的防護(hù)工作要有效，即防風(fēng)吹日曬失水干裂，防雨淋沖刷土體結(jié)構(gòu)破壞，防匯積水浸泡軟化土體，并保證地下水及地表水的有效抽排;

(3)參建人員對(duì)膨脹土特性認(rèn)識(shí)不足，易造成不按膨脹土工程特性進(jìn)行施工。開(kāi)工前進(jìn)行專(zhuān)門(mén)培訓(xùn)學(xué)習(xí)是非常有必要的;

(4)保證施工組織工序合理，避免施工造成工程條件惡化，引起不必要的變形破壞，如作業(yè)面太多、戰(zhàn)線太長(zhǎng)等施工現(xiàn)象。

［1］ 吳德緒，倪暉.南水北調(diào)中線工程設(shè)計(jì)與重大技術(shù)問(wèn)題研究［J］.人民長(zhǎng)江，2003，45(6):1 －3.

［2］ 陽(yáng)云華，關(guān)沛強(qiáng)，李峰，等.南水北調(diào)中線一期工程總干渠淅川段初步設(shè)計(jì)工程地質(zhì)勘察報(bào)告［R］.武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，2008.

［3］ 劉特洪.工程建設(shè)中的膨脹土問(wèn)題［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1997.

［4］ 陽(yáng)云華，強(qiáng)魯斌，龔壁衛(wèi)，等.國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃課題(2006BAB04A10)專(zhuān)題一膨脹土(巖體)基本特性研究報(bào)告［R］.武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，2010.

［5］ 蔡耀軍，陽(yáng)云華，趙旻，等.膨脹土邊坡工程地質(zhì)研究［M］.武漢:長(zhǎng)江出版社，2013.

［6］ 陳尚發(fā)，倪錦初，陽(yáng)云華，等.國(guó)家十一五科技支撐計(jì)劃課題(課題編號(hào):2006BAB04A10專(zhuān)題四)膨脹土(巖)渠坡的設(shè)計(jì)與施工研究［R］.武漢:長(zhǎng)江勘測(cè)規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限公司，2010.

［7］ NSBD—ZXJ—2—01，南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道膨脹土處理施工技術(shù)要求［S］.

［8］ NSBD—ZXJ—2—37，南水北調(diào)中線一期工程總干渠渠道水泥改性土施工技術(shù)規(guī)定［S］.