对于湿陷性土渠基处理措施的方案比选分析
王健，王维娜
(新疆水利水电勘测设计研究院)
1 基本概况
BAGQ干渠工程地跨多个县市，设计流量60.0～19.3m3/s，加大流量68～24m3/s，全长128.208km，工程为Ⅰ等大（1）型工程。
工程穿越地区一些冲洪积细粒土具有湿陷性，因此勘察工作共布置了295组湿陷试验，共分析了湿陷性试验数据1464个。查明了北山坡渠段湿陷性土全长26.245km，冲洪积倾斜平原区渠段湿陷性土全长11.900km。北山坡区：粉土多具有湿陷性，有非自重湿陷，也有自重湿陷。轻微湿陷性下限多位于地表以下5～7m，局部达11m；中等湿陷性下限多位于地表以下2～3m，少部分为地表以下4～5m，局部达9.5m。冲洪积倾斜平原区：湿陷性粉土以黑水沟为界，具有东部相对较强，西部相对较弱的特点。黑水沟以东的果子沟、黑水沟冲洪积区粉土有非自重湿陷，也有自重湿陷。
2 湿陷性土渠基处理措施
对湿陷性土基础的处理，通常采用的方法有换填砂砾石法、浸水法、挤密法、翻填法和夯实法等。
2.1 浸水法
浸水法一般用于湿陷层厚度大于10m的自重湿陷性土，对于非自重湿陷性土，若不施加附加应力，使饱和土所受到的附加应力与上覆土体自重之和大于其湿陷起始压力，则起不到消除湿陷性的作用，一般浸水后可消除地面下6m以下土层的湿陷性，6m以上的土层还应辅助其他处理措施。其耗水量大、处理时间长，但工程多数为非自重湿陷性土，且湿陷深度均在10m以内，加之工程多穿越农田及居民建筑物区，浸水易使周围农田地下水位升高，影响作物生长，浸水时场地周围地表下沉开裂，容易造成“跑水”穿洞，影响建筑物的安全，因此不考虑该处理方法。
2.2 挤密法
此方法采用打入桩、冲钻或爆扩等方法在土中成孔，然后用素土、石灰土或将石灰与粉煤灰混合分层夯填桩孔而成，用挤密的方法破坏湿陷性土地基的松散、大孔结构，达到消除或减轻地基的湿陷性，适用于清除5～10m深度内地基土的湿陷性。但施工工艺较复杂，质量不易控制，且投资较大。因此不考虑该处理方法。
2.3 夯实法
此方法适用于地下水位以上，饱和度不大于60%的湿陷性土，根据起吊设备、锤重、落距可分为重夯法和强夯法。重夯法可消除在1～2.5m深度内土层的湿陷性，强夯法可消除在4～6m深度内土层的湿陷性，在非自重湿陷性土区采用该法效果尤为明显。在拟夯实的土层内，当土的天然含水量低于10%时，宜对其增湿至接近最优含水量；当土的天然含水量大于塑限含水量3%以上时，宜采用晾干或其他措施适当降低其含水量。
根据其他工程建筑物基础强夯处理的工程实例，在天然含水状态下加强击实功的强夯处理（高能级强夯处理）湿陷性土也是可行的。如庆华工业园区湿陷性土层厚4～5m，天然含水量3%～6%，采用高能量强夯处理；某水电站管理处风积黄土层厚5～9m，黄土的平均天然密度1.39g/cm3，平均含水量5.6%，平均液限26.3%，平均塑限14.35%，平均塑性指数9.98，三层办公楼及四层住宿楼基础均采用天然含水状态下的强夯处理；南水北调中线河南段及河北段部分湿陷性黄土渠段采用了重夯及强夯法处理；新疆呼图壁县某项目干硬黄土采用天然含水状态下高能级强夯处理地基等。因此，本工程湿陷性土在天然含水状态下高能级强夯处理是可行的。
2.4 翻填法
此方法是将基础下面的湿陷性土全部或部分挖出，洒水置备或晾干处理，在其含水率接近最优含水量条件下进行分层碾压，这种方法在施工时，不受机械的限制，对处理湿陷性土地基行之有效，质量指标容易控制。
2.5 置换砂砾石法
此方法是将基础下面的湿陷性土全部或部分挖出，置换砂砾石，对砂砾石分层碾压，达到设计标准，这种措施在施工时，不受机械的限制，质量指标容易控制。
根据现场实际情况，浸水法、挤密法均不适应本工程，因此，只对强夯法（土体天然状态下）、翻填法及置换砂砾石法进行方案比选。
3 方案比优
3.1 强夯法
影响强夯效果的因素有夯击能、锤底面积、土体干容重、土体含水量等，一般情况下，土体含水率需调整至最优含水率附近，最小不得小于10%。但在工程实践中土体含水率小于10%采用高能级强夯的实例也较多，甚至土体含水率在3%左右也采用高能量强夯处理湿陷性地基，但需通过试夯试验进行验证。
为了提供渠道湿陷性土基础处理的措施的依据及决策，设计对强夯法进行试验性施工。试验内容包括：试夯施工、夯前及夯后取样及试验、振动监测、不同夯击能强夯综合单价分析等。
3.1.1 试夯施工
根据北山坡渠段湿陷性土分布的范围、厚度、含水率、征地、现场交通及施工情况，试夯区选择3段场地进行试夯，每段场地布置两个试夯区，一个夯区范围为10.0m×10.0m。
采用预浸水增湿与不浸水强夯进行比对，试验区划分及施工参数见表1。
表1 试夯区特性表
表2 试夯试验施工参数表
3.1.2 夯前及夯后取样检测成果
夯前采用现场取样，室内土工试验进行；土工试验检测在每个试验点内选择1处，4个试验点，共4处。每个探坑取样深度为夯面以下5.0～7.0m深度内，每隔1.0m取原状样1组，根据试夯前细粒土的物理力学性质试验成果，比重平均值为2.70；液限平均值为23.8%；塑限平均值为15.1%；塑性指数平均值为8.7；含水率平均值5.0%；干密度平均值1.48g/cm3； av0.1～0.3为0.175～0.720MPa-1，压缩模量Es0.1～0.3为3.04～10.17MPa，饱和状态下压缩系数和状态下为中等压缩性土，试夯区细粒土夯前湿陷系数（200kPa）为0.0159～0.125，湿陷性轻微-强烈。
夯后土工试验检测在每个夯区内选择4处，6个不同夯区，共24处。每个探坑取样深度为夯面以下5.0～7.0m，每隔1.0m取原状样1组，共120组，依据规范要求，强夯效果测试应安排在夯后7～28d后进行，考虑到北山坡渠段土体含水量较小，孔隙水较易排出及参考南水北调工程的强夯经验，定在夯后7d开始检测，成果见表3。
表3 夯坑及场地下沉量汇总表
根据试夯后细粒土的物理力学性质试验成果，比重平均值为2.69；液限平均值为23.3%；塑限平均值为14.5%；塑性指数平均值为8.8；含水率平均值4.4%；干密度平均值1.63g/cm3；夯击点内饱和压缩系数av0.1-0.3=0.075～0.295MPa-1，压缩模量Es0.1-0.3=5.35～20.65MPa，属低压缩性土；影响区内内饱和压缩系数av0.1-0.3=0.075～0.295MPa-1，压缩模量Es0.1-0.3=6.09～22.89MPa，属低～中等压缩性土。强夯后除4号试夯区试样TK2（4.0m）的湿陷性轻微外，其余试样均无湿陷性；5号、6号强夯后4m以上细粒土湿陷性已消除，由于采用的中能级强夯，4m以下湿陷系数（200kPa）为0.0238～0.0761，湿陷性中等-强烈，湿陷性未消除。成果见表4。
表4 强夯前后湿陷性土干密度及湿陷对比表
注 强夯采用点夯2遍，满夯1遍；其中1号预浸水，加入10m3水，浸水时间为4d，但效果不明显。
通过试夯试验，北岸干渠北山坡渠段湿陷性土在天然状态下采用不同夯击能强夯后，土层干密度增大，压缩变形减小，地基容许承载力有较大幅度的提高。
在天然状态下，采用夯击能3000～5000kN·m时，地表以下4m范围内湿陷性完全消除，但4m以下土层湿陷性未消除；建议湿陷性土层厚度大于4m的渠段采用夯击能7000kN·m进行强夯处理。
3.1.3 振动检测
为查明强夯时振动对周边地物的影响范围及影响程度，以便指导后续施工，对桩号82+035m两个夯区进行了振动检测，检测不同距离处所产生的水平最大震速及垂直最大震速，检测成果见表5。
表5 强夯试验振速成果表
北岸干渠渠线穿越的地物基本是农田、林地、草地、房屋及一般砖房、非抗震的大型砌块建筑物、土坯房、毛石房屋为主。根据强夯试验振速成果，结合《爆破安全规程》（GB 6722—2011）的相关规定，振动主频10～50Hz，安全允许振速0.7～1.2cm/s，因此，强夯安全距离为20m（《强夯施工手册》安全强夯距离规定是10～20m）。
3.2 翻填法
本处理方案是将渠基下湿陷性土开挖后，洒水置备，使其含水率接近最优含水量，再回填并压实，压实度P≥0.96，在此压实指标下已消除土层的湿陷性。
填筑施工前需要进行室内物理性能及现场生产性试验，确定其湿陷系数、最大干密度和最佳含水量，然后按需要的含水量洒水制备的方法进行处理，制备土料在就近的土料场或渠道开挖基础面进行。填筑施工由低到高分层摊铺碾压上升，每层铺土厚度按工艺性试验确定的厚度进行。为增加边坡换填的稳定性，斜层摊铺碾压自渠道中心向渠坡倾斜，坡度2%～3%，并对渠坡基土逐层开蹬铺土碾压，压实度满足设计要求。填筑施工分段进行，分段长度为120m左右。换填施工在雨季前完成，经历一个雨季的沉降期后方可进行后续的混凝土衬砌施工。
3.3 换填砂砾石法
本处理方案是将渠基下湿陷性土挖除后，采用砂砾石回填并压实，相对密度Dr≥0.80。
根据设计要求将湿陷性土进行挖除，土的开挖采用挖掘机装自卸车运至指定地点堆放。开挖后，须对基础面进行洒水静碾。
换填料采用天然砂砾石，料源优先考虑渠道挖方料，不足部分由指定料场供应，换填料填筑前须经实验室检测满足后方可进场。填筑须通过现场试验确定摊铺厚度及碾压遍数，根据试验结果进行换填施工。
本工程沿线砂砾料大部分均为购买成品料，料场运距较远。
3.4 方案比选
下面就以北山坡渠道湿陷性土处理为例，将以上3个处理方案进行综合比较（表6）。
表6 北山坡渠道湿陷性土处理方案比较表
续表
通过投资、施工、环境影响、处理效果可靠性方面比较，确定了强夯法是最适合干渠渠基的处理方法。
4 结语
目前本工程正在施工的高峰阶段，湿陷性地基的处理成为了本工程施工工期的瓶颈，急迫需要明确施工方案以指导施工单位施工。通过本次湿陷性地基处理的方案比选，不仅明确了处理方案，并通过现场试验验证了设计方案的合理性，同时对现场施工具有鲜明的指导意义。