換填墊層法在地下水環(huán)境中墊層施工中的應(yīng)用

顧騰飛

（中國路橋工程有限責(zé)任公司,北京 100000）

0 引言

砂礫墊層是地基淺層處理的一種常用方法。當(dāng)軟弱土或夯填土地基的承載力和變形不能滿足設(shè)計及規(guī)范要求時，常采用加鋪承載力高、透水性好的級配砂礫墊層，用來換填基礎(chǔ)底面下處理范圍內(nèi)的部分或全部軟弱土層，提高地基承載力，使其滿足上部承載力的要求[1-2]。

1 換填墊層法概念和作用

1.1 換填墊層法的概念

當(dāng)軟弱土地基的承載力和變形滿足不了設(shè)計及規(guī)范要求，并且軟弱土層的厚度又不是很大時，將基礎(chǔ)底面下影響結(jié)構(gòu)物承載范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除，然后分層換填強度較大的砂礫（碎石、爐渣）或其他性能穩(wěn)定、透水性強、無侵蝕性的材料，并壓實至要求的壓實度為止——這種地基處理法為換填墊層法[3]。

1.2 換填墊層法的作用

其主要有以下幾方面作用：

（1）提高地基承載力。構(gòu)筑物基礎(chǔ)的地基承載力與其下臥層的抗剪強度、抗壓強度有關(guān)，采用抗剪強度、抗壓強度較高的材料置換較軟弱的不合格層，可提高換填區(qū)域地基的承載力，以達到符合設(shè)計及規(guī)范要求的目的。置換后的墊層具有密實度大、強度高等特點，可將構(gòu)筑物及基礎(chǔ)底層壓力擴散傳遞到其下臥的軟弱土層，使其所受應(yīng)力減小到該軟弱地基土層允許承載力范圍，從而滿足強度要求，避免地基因承載力過載產(chǎn)生裂縫及結(jié)構(gòu)性損壞[4]。

（2）減少沉降量。地基淺層部分（3 m以內(nèi)）的沉降量在總沉降量中所占的比例較大，以集配砂礫或其他填筑材料代替淺層軟弱土層，可以大幅減少該層的沉降量。由于換填后墊層的應(yīng)力擴散作用，使作用在下臥層上的重力呈錐形散布，受壓面積增大，致使該區(qū)域受壓較小，因此也會減少下臥層的集中受力，進而減少整體沉降量以及不均勻沉降[5]。

（3）加速軟弱層排水固結(jié)。砂礫墊層等墊層材料透水性大，當(dāng)軟弱土層受到上部壓力后，砂礫墊層可作為良好的排水層，使結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)下層的孔隙水壓力迅速消散，加速軟弱土的固結(jié)和強度，避免地基土塑性破壞[6-7]。

2 工程概況

在尼日利亞阿夸伊博姆州防洪減災(zāi)項目中主渠段樁號K4+000-樁號K6+000處地基墊層存在大量地下水，平均水位線高于墊層底標(biāo)高1 m左右，受制于當(dāng)?shù)谻FG樁、井點降水等施工工藝的不成熟、項目工期緊迫以及成本控制等因素，存在的大量地下水大大增加了墊層施工難度，給墊層質(zhì)量帶來巨大隱患。在水渠墊層施工完畢后，按照當(dāng)?shù)仳炇找?guī)范及技術(shù)指標(biāo)，驗收的合格率應(yīng)不小于95%。提高地下水環(huán)境中墊層施工合格率為課題的研究方向。在研究中，針對地下水環(huán)境中墊層施工合格率的問題，進行了詳細(xì)的要因分析，并確定了軟弱地基處理方法不合理為主要原因。鑒于現(xiàn)場淺層軟土的特殊性，擬通過清淤和換填相結(jié)合的方式加以處理，旨在提高地基的承載能力與穩(wěn)定性。

3 存在的問題

主渠的樁號K5+400～K5+450、K5+450～K5+500、K5+500～K5+550、K5+550～K6+000 4個工作組面積共41 m2為一次驗收不合格的工作段，以1 m2為1處檢查單位，進行了全面檢查驗收。針對規(guī)范要求的平整度不達標(biāo)、承載力不足及裂縫縫隙過大等檢查項目，對不合格的問題進行統(tǒng)計，統(tǒng)計情況如表1所示。

表1 質(zhì)量問題統(tǒng)計表

質(zhì)量問題餅分圖見圖1，可以看出，承載力不足為影響地下水環(huán)境中墊層驗收合格率的主要問題，如果能解決承載力不足問題的90%，那么地下水環(huán)境中墊層施工一次性驗收合格率就可以達到83.59%+90%×16.41%×73.17%=97.02%。如果認(rèn)為解決承載力問題的90%偏高，即使能解決承載力問題的80%，那么地下水環(huán)境中墊層施工一次性驗收合格率就可以達83.59%+80%×16.41%×73.17%=95.52%。因此，地下水環(huán)境中墊層施工的承載力不足解決80%，就能達到合同規(guī)定的一次驗收合格率95%以上，能夠?qū)崿F(xiàn)施工目標(biāo)。

圖1 質(zhì)量問題餅分圖

4 影響承載力的原因分析

從影響地下水環(huán)境中墊層承載力的人、機、料、法四個方向著手，對影響地下水環(huán)境中墊層承載力的原因分析（如表2所示）。

表2 地下水環(huán)境中墊層施工承載力不足問題因果

通過對尼方熟悉水下混凝土作業(yè)的技術(shù)工人比例不夠、CFG樁等其他工藝提高地基承載力的機具欠缺、地基土軟弱影響墊層承載力的分析驗證，可知地基土軟弱是主要影響墊層承載力的原因。為了提高墊層承載力，采用了換填墊層的處理方法。

5 換填處理技術(shù)要點

為了了解不同地基土對墊層施工的承載力的影響，該文結(jié)合項目實例，對換填墊層技術(shù)的實踐要點進行分析。

5.1 實驗方法和結(jié)果分析

在相同條件下的施工段，施工隊伍分別采用方法一：不換填正常澆筑墊層施工（軟弱地基土）和方法二：換填60 cm的砂礫澆筑墊層施工（軟弱地基土），各做100 m2的水下混凝土墊層施工并對此100個單位水下混凝土墊層進行分塊驗收，最后通過檢測承載力達標(biāo)個數(shù)來研究不同地基土對墊層施工的承載力的影響（如表3所示）。

表3 不同地基土對承載力達標(biāo)率的影響

由于K4+000～K6+000段存在大量地基土，地下水位普遍高于墊層底標(biāo)高1 m，地基土較為軟弱，加大了墊層施工難度。通過上面兩組數(shù)據(jù)的對比，換填60 cm的砂礫處理軟弱地基土，從承載力達標(biāo)率55%提升到95%，大大地提升了墊層承載力，符合在水渠墊層施工中項目的技術(shù)指標(biāo)規(guī)定其驗收的合格率不小于95%的要求。

5.2 施工工藝

（1）為了避免水渠邊坡塌方，擴大工作面寬度1 m（結(jié)構(gòu)兩側(cè)各擴大1 m），同時根據(jù)地勘資料計算安全坡比，最終將基坑邊坡調(diào)整為1∶0.5。

（2）設(shè)置集水坑，使用1臺4寸水泵，保持24 h不間斷抽水，保證施工面具備施工條件。

（3）通過回填砂礫置換基坑泥漿，先把砂礫倒入淤泥坑，再把砂礫與泥漿混合物清理出基坑，然后重新回填砂礫，如此循環(huán)作業(yè)，直至把淤泥全部替換為回填砂礫。試驗段換填砂礫深度60 cm，換填寬度9.1 m，砂墊層上澆筑10 cm混凝土C15墊層。

5.3 結(jié)果分析

通過科學(xué)組織施工以及現(xiàn)場工作人員的共同努力，水下澆筑墊層質(zhì)量有了極大的提高。經(jīng)過對已施工的水下墊層進行監(jiān)控和驗收，總體合格率為96.25%，超過了預(yù)期的目標(biāo)（如圖2所示）。

圖2 實施前后質(zhì)量檢查柱狀圖

通過統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)，不換填正常澆筑墊層一次驗收墊層合格率只有83.59%，極大制約了整體的水渠施工質(zhì)量驗收。通過該次施工技術(shù)改良，從合格率83.59%上升到了96.25%，超過了設(shè)定的95%的目標(biāo)，滿足設(shè)計及規(guī)范要求。

5.4 維護階段

再次對水下墊層施工的一次合格率進行了調(diào)查，在抽樣的200處結(jié)果中，一次驗收通過195處，一次驗收合格率為97.5%（如圖3所示）。

圖3 維護階段合格率柱狀圖

通過以上結(jié)果表明，大量地下水存在于施工環(huán)境中，增加了墊層施工難度。受制于其他施工工藝的不成熟、項目工期緊迫的影響，用砂礫進行換填處理是可行的。

6 換填墊層法施工中存在問題

砂礫墊層的工程實踐經(jīng)驗表明，要使砂礫墊層具有較高的壓實度和承載力，填料應(yīng)滿足以下幾個要求[8-9]：

（1）砂礫墊層宜采用級配良好，質(zhì)地堅硬的中、粗砂或砂礫，避免使用細(xì)砂。其顆粒的不均勻系數(shù)應(yīng)不小于10，曲率系數(shù)Cu=1～3，不應(yīng)混入風(fēng)化料、軟巖破碎料或其他有機雜物。砂礫材料含泥量（＜0.1 mm顆粒含量）不應(yīng)超過5%，當(dāng)換填深度較大時，骨料最大粒徑可放寬至70 mm。

（2）在工程中應(yīng)充分考慮原地基土性質(zhì)、地下水位等因素，采用經(jīng)濟的換填材料、合理的換填深度，既能保證工程施工和運營期間沉降穩(wěn)定，也可以就地取材，降低工程成本。

對于以天然砂礫作為填料的砂礫墊層，施工中可由人工分層鋪平碾壓。人工級配的砂石墊層施工采用“砂、石分層鋪填，薄層碾壓”效果較好。

7 換填砂礫墊層法在淺層軟基處理中具有的優(yōu)點

（1）施工工藝簡單、工期短、成本低，與樁基相比可降低20%～50%的造價。

（2）處理效果顯著，地基承載力能夠得到保證，在這方面明顯優(yōu)于深層攪拌法、注漿法、預(yù)壓法等其他軟基處理方法[10]。

8 結(jié)束語

綜上所述，通過換填砂礫墊層法成功地提高了地下水環(huán)境中墊層施工合格率，極大地提升了墊層的承載力，進而保證了工程的施工質(zhì)量。換填砂礫墊層法是公路工程墊層施工中重要的施工方法之一，其在對軟弱地基處理中具有較好的應(yīng)用效果。墊層為重點施工內(nèi)容之一，形成良好質(zhì)量的墊層，可為后續(xù)施工奠定較好的基礎(chǔ)，可以保證整個建筑的施工質(zhì)量，提高施工效率，降低工程造價。