机械振密法在吹填土地基中的应用

李 朔 郝婷婷 王桂林 王 春 吴 迪

（东营市勘察测绘院，山东 东营 257100）

0 引言

黄河挟带着黄土高原的大量泥沙涌入渤海，在入海的地方，由于河床的扩大及海水的顶托，流速缓慢，大量泥沙便在此落淤，形成了黄河三角洲。入海的泥沙在附近淤积，受潮水冲淤漂游不定，以致阻塞港口航道，因此每年需要对航道疏浚，大量的航道疏浚工作形成了黄河三角洲地区特有的吹填土地基。

吹填土又名冲填土，是在整治和疏通江河航道时，用挖泥船和泥浆泵把江河、港口或浅海底部的泥沙通过水力吹填而形成的沉积土[1]。在吹填过程中，泥沙结构遭到破坏，以细小颗粒的形式缓慢沉积，因而具有天然含水量高、孔隙比大、高压缩性、低承载力等特点。由吹填土构成的地基，其工程性质与吹填料的颗粒组成和沉积条件密切相关，一般情况下地基强度很差，不能直接用于工程建设，需要进行地基处理。

1 吹填土地基处理机理

目前吹填土地基处理方法的机理主要是，建立良好排水通道，通过夯、压、挤等物理方式使土体内外产生压差，在压差作用下使超孔隙水压力快速消散，有效应力显著增长，从而加速排水固结过程[2]，进而使地基在较短时间内产生较高强度。常用的物理加固方法有强夯法、高真空击密法及真空预压法等[3-5]。

机械振密法一般分两幅施工，是通过使用挖掘机清除表层浮土至水位标高后，用推土机对场地进行碾压使浅层土体产生液化涌水，然后将挖掘机铲斗插入土中一定深度并加以振冲，使影响深度范围内的深层土体产生液化，并在推土机碾压挤密的双重作用下，使超孔隙水压力在短时间内急剧增大，促使孔隙水、气延纵向及横向排水排气通道排出，并沿设置在场区周围的集水坑用潜水泵抽离场区，从而加速排水固结过程。振冲、碾压后的场地用经过晾晒后的干土分层回填，压实形成浅层“硬壳层”，致密结构的“硬壳层”又可以阻止地下水上返，使回填后的地基土在较长的时间内保持较高的承载能力。

2 工程概况及处理方案

2.1 工程概况

本工程厂址地貌成因类型为冲积三角洲平原，经航道疏浚土吹填形成，吹填土成份以粉土为主，松散状态，层厚一般3m，其下为淤泥质粉质黏土层。由于场地在动力作用下极易产生液化和沉降，影响工程机械进厂和后续施工，须进行地基处理，处理面积共计42.5万m2，要求有效处理深度不小于3m，处理后的地基承载力不小于80kPa。

2.2 处理方案

该工程具有土质条件极差、地下水位高、大型机械难以进场等施工难度，项目论证期间曾考虑真空降水强夯法和振冲密实法。但考虑到工程实际情况，冲填土及粉土以下为淤泥质粉质黏土，该层淤泥质粉质黏土透水性差，降水效果不明显，在较大的夯击能量下容易形成橡皮土，且采用强夯法费用较高，并不适用于本工程。采用振冲密实法，虽能在表层形成硬壳层允许施工车辆进出，但该处理场地面积很大，需要大量填充材料，且这些填充材料在后期建筑物基础施工时会再次被挖除，造成大量资源浪费。经优化论证，最终本工程采用机械振密工法进行地基处理，分两幅施工。

2.2.1 地基处理步骤

具体的处理步骤为：场地放线分块、清除表层土→开挖排水沟→推土机碾压→挖掘机振冲→重复碾压及振冲→静置晾晒→分层回填压实→质量检测。

（1）清除表层土（见图1）。

图1 清除表层土

场地按20m×100m分块，表层清土厚度60cm或至地下水位处湿润土层即可。清表后开挖面应保证一定的纵向及横向坡度以利于排水，纵坡度不小于0.3%，横坡度不小于1.5%，土方堆放高度不超过2.5m，对清表土进行晾晒，便于控制后期回填施工质量。

（2）开挖排水沟（见图2）。

图2 开挖纵向排水沟

沿开挖面长度方向在两侧开挖宽1.5m排水沟，沟底深度不小于1.5m，纵坡度不小于0.3%，排水沟沟底较低处设集水坑，将所有明水汇集此集水坑内，通过潜水泵管排方式排至场区外。排水沟开挖宽度及深度同时要根据实际的地质情况做调整，如果开挖明沟过程出现明显的透水现象，要加宽开挖宽度，防止出现土方坍塌现象，影响排水；排水沟深度要严格控制，确保排水沟的排水坡度，同时整个明排水过程要有专人进行监护，查看排水沟的排水情况，保证明水的自流性。

（3）推土机碾压（见图3）。

图3 推土机碾压

排水沟挖好后开始对推平的场地采用推土机进行碾压，碾压时沿纵向依次进行，注意相邻碾压线之间不留间隙，通过碾压使场地表面出现涌水现象。履带式推土机行进速度10 km/h～12km/h，碾压线重叠不小于20cm，初次碾压不小于3遍或至场区有明显涌水为止，终碾采用重量不小于12t的履带式推土机。经过碾压后，处理区地面会产生沉降，此时应采取措施使处理区内积水及时排至排水沟内。

（4）挖掘机振冲（见图4）。

图4 挖掘机振冲

场地经过碾压后，将挖掘机铲斗插入场地土中进行挠动，挠动时宜按先外后内沿直线逐点进行，挠动点按4m×4m方块分布，挠动点的深度不小于1.5m，每个点的有效挠动时间不小于1min，并且挠动影响范围在4m～5m范围内,挠动过程中挠动点周围土中出现水迹，挠动点周围土质变松软停止挠动，转为下一点挠动。整块区域挠动完毕，静止放置，待土壤中水分自行溢出，同时安排专人在场地表面上顺通流水线，确保溢出表层的水顺利流至排水沟。

（5）重复机械碾压及振冲（见图5）。

图5 反复碾压及振冲后场地情况

待场地第一遍挠动完成后，静置24h～48h，待表面不再冒水后继续采用推土机进入场地反复碾压，碾压不小于5遍或达到场地表面出现较多涌水现象停止碾压，开始第二遍挠动。

采用挖掘机进行第二遍挠动时由于经过第一遍挠动后土质已变松软液化，插入挠动点可加大到6m×6m方块布置。第二遍挠动时铲斗深入土中深度及挠动时间与第一次相同，但第二次挠动时必须确保挠动区域的土层完全液化成稀泥状，使土中水分完全涌出。

由于碾压及挠动作用，土体内的水大量涌出，在第二遍挠动施工前，在场地上沿垂直于排水沟方向开挖几道宽度0.5m、深度约0.2m的横向排水沟，将场地上的水引入主排水沟，排水沟间距15m一道（间距可根据现场实际出水情况进行适当调整），见图6所示。

图6 横向排水沟排水

（6）静置晾晒（见图7）。

图7 静置晾晒

由于碾压扰动过程对地基土结构、构造的扰动，使其强度暂时有所降低，饱和土体内产生较高的超孔隙水压。因此，碾压扰动结束后要静置一段时间，使强度恢复，超孔隙水压消散以后再进行载荷试验。恢复期的长短需根据土的性质而定，黏性土孔隙水压力消散所需时间较长，砂性土孔隙水压力消散较快。对饱和黏性土地基，恢复期不宜少于28d；对砂土、粉土和杂填土地基，不宜少于7d。

（7）分层回填压实（见图8）。

图8 分层回填压实

晾晒后的场地经验收完毕后方可进行干土回填压实。回填土采用开挖的表层土壤，在最佳含水量时进行回填（开挖的土层含水量较大时需对土层进行翻晒），回填厚度超过30cm时要分层回填压实，测定土壤成分确定最佳含水量，严禁采用含水率过高的土壤回填。回填过程中应使用同一标志控制回填标高，避免二次整平作业。回填后碾压密实，进行质量检测。

3 处理效果分析

3.1 原位测试评价

地基处理后，对整个场区按30m×50m间距布置检测点，共布置183孔静力触探试验（孔深6m），50孔标准贯入试验（孔深6m），30组十字板剪切试验及30组浅层平板载荷试验，检测点平面布置图见图9。检测结果见表1。

图9 检测点布置平面图

根据表1检测结果：处理后填土地基承载力特征值均满足80kPa要求。其中对14#及15#浅层平板做破坏试验可知，地基承载力特征值最高可达135kPa～150kPa。拟建场区地基处理深度:3.20m～4.50m,平均3.76m。经机械振密处理后的地基均匀，锥尖摩擦阻力提高8倍以上，承载力提高约2倍以上，处理效果显著。

表1 机械振密处理前后部分物理力学指标对比

3.2 经济效益评价

本工程采用机械振密排水固结法进行地基处理，处理面积约42.5万平方米。结合黄河三角洲地区吹填土处理经验[6],对不同的地基处理方法，其经济性比较见表2。

表2 吹填土地基处理方案经济分析表

由表2可以看出，在各项地基处理方法中，传统的地基处理方法造价高，工期长，对于大面积的加固工程产生的费用较大。本工程使用机械振密法节约了至少两千万地基处理费用。施工速度快，成本低，施工灵活，可以根据工程需要采用单幅、两幅或三幅施工，以满足不同的工期要求，而且工期短，质量可控，效果明显。

3.3 综合评价

本工程采用机械振密排水固结法加固地基，提高了地基承载力，节约了工期，节省了造价，达到了设计要求的目的。综合比较，机械振密法不仅费用低，工期短，而且处理后的地基承载力高，是一种实用性和经济性很高的大面积吹填土地基处理工法。地基处理前后对比情况见图10、图11。

图10 处理前场地情况

图11 处理后场地情况

4 结束语

近年来，机械振密法在黄河三角洲大面积吹填土地基处理中应用广泛，其通过碾压、振冲作用使超孔隙水压力在短时间内急剧增大产生液化，促使孔隙水、气延纵向及横向排水排气通道排出，从而加速排水固结过程，同时回填压实形成“硬壳层”以保持较高的承载能力，在实际工程应用中，已经体现出了明显的优越性。相比传统的地基处理方法,具有费用低、节能环保、处理效果好以及工期可控等优点。特别是随着城市用地的不断紧张，对疏浚吹填土区域的利用已经成为趋势，机械振密法具有良好的发展前景，可以为社会带来了巨大的经济效益，同时为今后在大面积吹填土地基处理施工领域的技术发展打下了坚实的基础。