水坠沉砂法”在沙地地基处理中的应用中铁十四局建筑安装工程分公司 赵洪魁摘 要 通过“水坠沉砂地基处理方法”在安哥拉纳米贝RED项目工程中的应用，介绍了水坠沉砂法处理地基的机理、特点、施工工艺和质量控制措施旨在总结水坠沉沙法处理沙地地基的相关经验，为后续类似项目提供一定技术借鉴关键词 沙地地基 地基处理 水坠沉砂法 施工工艺 质量控制1 引言水坠沉砂法是一种适合沙地或者沙漠地带自然条件的地基处理技术它能有效地利用当地资源，具有就地取材、低成本、快速高效、操作简单、受天气影响相对较小等特点水坠沉砂法在中国的西北沙漠地区，如毛乌素沙漠地区得到了广泛应用，效果较好由于目前水坠沉砂法地基处理方法尚未纳入正式的国家相关设计规范和施工规范及质量验收标准中，因此水坠沉砂法处理地基还没有统一设计规范、施工标准和质量验收标准通过“水坠沉砂法”在纳米贝RED项目工程中的应用，对水坠沉砂地基处理方法的施工工艺和质量控制进行了探索、总结和工程实践验证2 项目概况2.1 项目工程气候、地质条件2.1.1 气候条件纳米贝RED项目位于非洲安哥拉共和国纳米贝省纳米贝市，该地区属于亚热带草原气候，全年分旱季、雨季，其中5月～9月为旱季，相对凉爽，潮湿无雨；10月～次年4月为雨季，气温高湿度大。
由于受本格拉寒流的影响，该地区年降水量稀少，仅为50mm，大部分为沙漠地区，植被覆盖率极低2.1.2 地质条件项目地块位于市中心以西约6公里处，场地位于海滨阶地上，地貌单元属于滨海阶地场地内地形基本平坦，起伏较小，场地西侧离大西洋海岸最近处约200m勘察期间，拟建场地及其附近未发现河流，且钻探深度范围内也未发现地下水1）根据《安哥拉十万套RED项目纳米贝普莱亚地块岩土工程勘察报告》和《安哥拉十万套RED项目纳米贝阿卜利奥地块岩土勘察报告》中的结论，拟建项目场地内的地层自上而下分布概况如下：细砂①Q4eol：松散，混少量粉砂、贝壳碎屑，含有一定的植物根系本层分布不均匀，局部有缺失本层层厚0.2～0.7m细砂②Q4m：稍密～中密颗粒以细砂为主，局部相变为中砂，偶见圆砾、卵石颗粒标准贯入试验实测锤击数平均值N=17击层厚0.1～7.5m，层底深度0.1～7.5m圆砾夹层或透镜体②1：密实以粗砾砂、贝壳充填，级配不良主要分布于细砂②层的底部，本层局部有胶结成块现象重型动力触探试验实测锤击数平均值N63.5=35.3击强风化泥灰岩③K：风化较强烈，呈碎块状结构，岩芯呈碎屑或粉末状，本层多与薄层砂岩、泥岩呈夹层或互层发育。
重型动力触探试验实测锤击数平均值N63.5=39.7击层厚1.5～4.8m，层底深度1.9～8.4m中风化泥灰岩④K：本层多与薄层砂岩、泥岩呈夹层或互层发育，岩芯呈碎块状本层未钻穿，最大揭露厚度8.3m，最大揭露层底深度10.9m2）在综合分析地层分布情况、原位测试结果以及室内土工试验后，确定各土层的承载力特征值fak建议值、变形模量E0和基底摩擦系数μ，具体工程指标如表1所示表1 地基土工程特性指标建议值层名及层号重度γ(kN/m3)地基承载力特征值fak（kPa）变形模量E0（MPa）基底摩擦系数μ细砂①16.010060.40细砂②17.0140120.40圆砾②119.0200240.50强风化泥灰岩③19.5280320.50中风化泥灰岩④20.5300350.602.2 项目拟建建筑物的设计要求本项目分为两个地块，每个地块建设住房2000套，总计4000套包含H1、H2、H3、H4共计四个户型，主要为单层，H3（G+1）户型为两层，H4（G+2）户型为三层，基础为钢筋混凝土条形基础，基础以上为混凝土空心砌块承重墙与芯柱(构造柱)加圈梁结构形式设计要求单层结构地基承载力不小于120kPa，两层和三层结构地基承载力不小于140kPa。
3 地基处理方法的选择3.1 水坠沉砂法的适用范围水坠沉砂法适用于对松散的天然砂基进行浅层处理，国内西北沙漠地区大量工程实践表明，其对粒度较大的中粗砂处理效果最好，其次为细砂，若为粉砂则需掺入一定量的中粗砂或细砂水坠，才能取得较好的工程效果经水坠沉砂法处理后的地基承载力特征值可达160～200kPa，能满足一般建筑物的要求3.2 水坠沉砂法处理地基的机理风力磨蚀使得砂土颗粒具有较好的磨圆度，分选搬运使得砂土具有良好的分选性和较差的级配特征在外界条件作用下堆积的过程中颗粒与颗粒之间的接触关系都带有很大的随机性，导致砂土的结构松散其具有粘粒含量低、分选性好、级配差、结构松散、堆积密度较小、力学性质较差的特点1）结构松散的砂土在水坠的作用下趋于密实的现象归根结底是砂土微观结构重新的调整，即在水渗流作用下砂土由之前疏松的微结构状态变成相对紧密的微结构状态，这一过程宏观上表现为在水坠过程中砂颗粒间气体排出使总体积或总厚度减少，在物理力学性质上表现为砂土密实度的提高，在工程性质上表现为地层强度的明显增强2）水坠沉砂法是在砂层浸水并保持一定的水头或饱和状态下，待砂层1/3深度处含水量处于最佳含水量附近时，用碾压机进行振动碾压，达到要求的密实程度。
砂土吸附水的能力较差，当地下水位较低时，砂土上部的水由于压力差自上而下渗透时，渗透水对砂土产生动水压力当砂土浸水呈饱和状态时，在振碾的作用下，砂土颗粒可以克服砂土间的阻力而重新进行排列分布，最终由疏松变成密实（见图1）图1 水坠沉砂法机理示意简图3.3 水坠沉砂法处理地基的必要条件使用水坠沉砂法处理砂土地基时，必须满足以下条件，否则不能达到预期效果1）地下水位必须低于需加固的土层地下水位较低时，才能产生自上而下的压力差，使砂土颗粒趋于密实；否则不能产生足够的压力差或水反向渗透、砂土上浮2）下部地基土要有良好的透水性当下部地基透水性很差时，水无法往下渗透，不能使砂土密实特别当下层为黄土时，反而会破坏下层黄土的原状，产生湿陷或降低其承载力3）必须使砂土地基保持可靠的稳定性砂土地基具有潜在的流动性，对砂土地基四周必须做好可靠的围护，严防在基础施工完后再开挖地基，尤其对边坡地带和高差较大的地基更应该特别注意3.4地基处理方法的选定1）由于该项目拟建建筑物多数为单层，最高为3层，采用砌体结构，基底荷载较小，基础形式为条形基础，埋深按0.5～1.0m考虑，经宽度和深度修正后，细砂②及以下地层的地基承载力满足设计要求，因此可考虑采用天然地基。
基础持力层可选择细砂②层、泥灰岩③层或④层当选择细砂②层作为基础持力层时，为了提高场地地基的均匀性，防止拟建建筑物的不均匀性沉降，建议采用垫层处理 2）纳米贝RED项目建设场地位于纳米贝沙漠地区，该地区的砂土地层位于第三纪海相沉积岩之上，建设面积大，且周边区域未发现有粘土，如果外购粘土作为垫层填料，则施工成本将非常大考虑到建设场地细砂②层砂质纯净、分选性好、工程性质较好，可选择细砂②层作为垫层填料，且采用水坠沉砂法处理地基3）水坠沉砂法地基处理施工工艺可最大限度的利用场地内的土方，施工工艺较简单，材料和机具设备的需求都比较容易满足，从工程技术和工程经济的角度上都是比较理想的施工方法4 作业条件、工艺流程及操作要点4.1现场作业条件4.1.1现场取样试验，分区块确定最大干密度和最优含水量施工前，现场分区块取土样，确定最大干容重和最优含水量为减少粒径差异性对测定结果的影响，每个区块取土样两份，分别测定，对于粒径≤20mm的土，采用轻型击实试验；粒径≥20mm且≤40mm的土，采用重型击实试验确定4.1.2 土方调配结合土方工程施工图，计算各区块挖、填方量，综合考虑土方运距最短，运程合理和合理施工程序等，做好土方平衡调配，减少重复挖运。
4.1.3 清理表层土开挖前，清除表层平均300mm厚的砂土，运至规划地点有组织堆放，合理适时地均匀填于公园、户内庭院绿化及其它绿化用地处对于符合回填要求的表层砂土，基坑两侧留足回填用砂，其余运出场区，集中堆放不同类型砂土材料不得混杂堆放4.1.4 试验段选择最大干密度差异比较大的区块，进行试验段测试，通过试验确定铺土厚度、碾压遍数、含水量的区间范围，指导后续施工4.1.5 准备水源确保水坠砂施工过程中水不中断，水量充足 4.2 地基处理工艺流程机械开挖 → 验槽 → 基底清理→ 洒水碾压 → 基底检测 → 下步工序施工 4.2.1 机械开挖定位放线，确定开挖范围，周边超出基础边线2.5m，洒白灰线，按白灰线开挖基坑，宜从一端或两端逐渐向前开挖，至设计基底标高20厘米时，由人工配合平整至设计基底标高4.2.2 验槽由工程部、监控办、施工单位共同验槽, 确认基坑的位置、平面尺寸、坑底标高及基底土质4.2.3 基底清理、洒水碾压、检测人工清除基底杂物，均匀洒水，待基底无明水，可组织压路机碾压，一般静压2至3遍，可进行环刀取样检测，若地基压实系数达到设计要求，可进行下一步工序否则，增加碾压遍数，直到取样检测合格。
4.3 水坠回填工艺流程测量放线 → 拉运土方分层回填 → 装载机摊土粗平 → 分格浇水 →压路机碾压 → 边角砂土处理 → 质量检测 → 下步工序施工 4.3.1 测量放线为提高压路机使用效率，地基处理宜划分区段进行，区段范围长度宜为60米，宽度宜为12米在地基两侧边线超出基础边线宜1.5m，每20m（根据实际情况确定间隔长度）定一钢筋桩，用来控制每层回填砂土厚度钢筋桩采用Φ16钢筋，长度为2米左右，上面间隔30厘米涂刷红漆，用水准仪校正基底标高，在桩上缠绕黄色胶带，以示标记，桩上插红色三角测量旗帜4.3.2 虚铺厚度 分层回填砂土时，底面宜铺设在同一标高上，回填砂土中不得含垃圾和杂物，通过试验段确定，每层的回填厚度不宜大于30厘米（指机械整平后的虚铺厚度）4.3.3 每层运土数量控制根据每层的虚铺厚度和铺土面积，计算每层砂土计划所需砂土方量，确定车数和卸车间距每层上土前，在钢筋桩上做好标记，按照标记控制虚铺厚度4.3.4 垫层底标高控制每层回填砂土前，对钢筋桩上标高进行检测，随时纠正标高偏差，控制每层砂土的平整度4.3.5 整平和浇水为了便于虚铺厚度的控制，整平必须采取边上土边整平的方式，采用装载机进行粗平。
粗平完成后，依钢筋桩虚铺厚度标示，拉线找平，对虚铺砂层设人工找平点，5米一个，采用陪砂土标高墩的方法，呈梅花状布置，表面平整度误差不超过5厘米粗平后，分格设围堰浇水，分格宜为5m*5m，围堰高度不低于30厘米，宽度也不小于30厘米，所设围堰上下层应相互错开，上下层水坠错开宽度应不小于2米储水：围堰设置好后开始放水，放水应连续进行，放水时水流流速应稍大，砂基顶面上的水深应不小于20厘米待水储满整个分格，目测水面下沉缓慢，不再有细微气泡冒出时，即可停止给分格进水，每分格约5立方水4.3.6 压路机碾压当分格内砂土层不见明水，一般闷水（分散水分）约1至1.5小时后，可以开始检测含水率，每半小时测一次，比对各区块最优含水率，待其略高于最优含水率时（约3%），可以开始组织碾压 采用压路机碾压，碾压原则：先轻后重、先稳后振、先慢后快、轮迹重叠，碾压行驶速度最大不宜超过2km/小时 碾压时，应先经过1至2遍静压后，再进行打振动碾压，宜采用高频低振方式，压实遍数保证在6至8遍，轮痕较明显时，采用胶轮压路机静压2遍，尽量消除轮痕，保证表层碾压密实碾压时，宜采用纵向进退式进行，直线段由两边逐渐压向中间；碾轮每次重叠宽度约40厘米至50厘米。