水坠砂法在地基处理中的施工应用

水坠砂法在地基处理中的施工应用

王远

中核坤华能源发展有限公司 浙江杭州 310000

摘要：在沙漠地区进行的建设工程，由于其特殊的地质条件，不能采用类似于其他地区传统的地基处理方式，用水坠法处理砂层地基是砂类地区最有效、最经济的地基处理方法，然而由于各种原因，目前在国内对于该施工工艺尚无规范性技术标准，也给工程施工带来了一定的困难。

本文以榆林市羊老大光伏电站110KV升压站综合楼工程中水坠砂地基处理的工程实例，通过水坠砂地基处理的在工程实践过程中的施工工艺、相关技术要求及实践情况，为风积沙地基进行地基处理提供了一种简单、经济、有效的处理方法。

关键词：水坠砂；地基处理；施工工艺；

1 引言

水坠砂法是一种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。水坠沙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。水坠砂法处理地基适用于基础以下砂层较厚，地下水埋不高于基底1.5米，基底隔水层不呈漏斗分布的砂土地区．处理后的地耐力值可达160—180Kpa，能满足一般建筑物的要求。

项目所在地陕西榆林地区位于毛乌素沙漠的南缘，地表大面积覆盖着风积砂，砂土厚度大，地基承载力标准值低，承载力多在40～100 kPa之间，未经处理一般不能满足工业与民用建筑的要求。

榆林市羊老大光伏电站110KV升压站工程位于榆林市榆阳区内，该地区地处毛乌素沙漠地带，原始地貌属风积沙丘地貌单元，地质条件较差，地基承载力低，工程特性差，需处理后方可作为建（构）筑物的地基持力层。本文通过对水坠砂地基处理进行施工总结来分析其优劣性。

2、水坠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）水坠沙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 水坠沙法机理示意简图

3 工程概况

3.1 项目概况

榆林市羊老大光伏电站110KV升压站工程项目主要是修建综合楼、水泵房及消防水池、警卫室，主要构（建）筑包括高压预制仓、主变基础、SVG基础、站用变基础、接地变基础、二次预制仓基础、户外设备基础等。

3.2 工程地质情况

根据场地地勘报告，羊老大升压站项目地势起伏大，地形变化比较复杂，缓坡、丘陵纵横交错。拟建场地为荒地，地表植被较好，地形起伏较大，地貌上属榆溪河三级阶地。

拟建场地勘察范围内的地层经本次对场地钻探并结合室内土工试验结果表明：场区内地层据其成因和工程性质自上而下为第四系风积相粉砂、风积冲积相粉砂及冲积相细砂。现分层描述如下：

①层粉砂（Q4eol）：即工程地质剖面图中的第①层，土黄色，风积成因，以粉砂为主，含少量细砂颗粒。稍湿～饱和，松散，稳定性差。层厚0.50～1.60m，平均厚度为1.01m。

②层粉砂（Q4eol+al）：即工程地质剖面图中的第②层，土黄色，风积、冲积成因，以粉砂为主，含少量细砂颗粒。主要矿物成分为石英、长石，含云母及暗色矿物。稍湿～饱和，稍密～中密。层厚2.90～3.70m，平均厚度为3.32m。由于密实度随深度变化存在较大差异，以标贯实测击数N=15击为限，人为将其分成两个亚层：即②1层细砂（稍密），②2层细砂（中密）。

③层细砂（Q4al）：即工程地质剖面图中的第③层，土黄色，冲积成因，以细砂为主，含少量粉砂颗粒。主要矿物成分为石英、长石，含云母及暗色矿物。稍湿～饱和，中密～密实。层厚大于11.3m（未揭穿）。

地下水勘察期间正值丰水期，实测地下水位埋深0.58～5.72m。潜水类型，主要受大气降水及地下水侧向补给。

各土层承载力特征值：①层粉砂：地基承载力特征值fak=100kPa；②1层粉砂：地基承载力特征值fak=160kPa；②2层粉砂：地基承载力特征值fak=180kPa；③层细砂：地基承载力特征值fak=220kPa。

3.3 以综合楼为范例进行分析：

综合楼为基础为独立基础，坐落在已场平后的回填区域内，回填材料为现场粉砂，平均深度2-4米，地基处理面积约775㎡，地基处理采用水坠砂法，地基土主要为粉砂，场地内无可湿陷性土层分布，地下水水位埋深较深。

综合楼地基处理方案采用水坠砂地基处理，也可采用级配砂石换填相结合的处理方案。施工前需对水坠砂法处理地基的必要条件进行核实，满足必要条件后采取本方案。地基处理施工完成后需有资质的检测单位对地基处理效果进行检测，检测结果满足设计要求并出具相关报告后，方可进行基础施工。

综合楼地基处理示意图

1） 地基设计要求

综合楼基础持力层位于②粉砂（1）层，地基处理采用原状砂水坠来增加土体密实性，提高地基承载力，从而满足施工需要。

地基设计要求水坠深度不小于2m，处理范围为基础外边线外放3m。地基处理完成后压实系数要求不小于0.97，承载力特征值要求不小于160kPa。

2）施工技术

2.1 工艺流程

水坠砂地基处理工艺流程见下图：

2.2 适用范围

水坠砂法适用于对松散的天然砂基进行浅层处理，基础未见软弱下卧层且地下水位不高于基底下1.5m。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。结合实际可以采取换填级配砂石作为垫层，厚度可取300-500厘米。

2.3水坠砂法地基处理方案：

2.3.1水坠砂法处理地基的必要条件

（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。

2.3.2、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

（1）测量放线综合楼地基处理超出基础边线3.0m，综合楼基坑底面积为37.3x20.8m，处理厚度不小于 2m；基坑开挖边坡坡率为1：1.25左右，必要时应对基坑采取有效的支护措施。

（2）虚铺厚度

分层回填时，底面宜铺设在同一标高上，回填砂土中不得含垃圾和杂物，每层的回填厚度不宜大于30厘米。

（3）垫层底标高控制

每层回填砂土前，控制每层砂土的平整度。

（4）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。粗平后，分格设围堰浇水，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。（分段围堰的过程中，对每段的长宽加以限制，不能过长或过宽，长宽应保持在 10m左右）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。

（5）压路机碾压

宽度较小无法碾压中间部位地段(一般为宽度小于2.8米)：利用压路机碾压法，铺设厚度为250 mm，含水量为10％~14％ ，用小型双驱压路机往复碾压；碾压遍数以达到压实度为准，一般不少于4遍。

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。

采用装载机碾压，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，压实遍数保证在6至8遍，轮痕较明显时，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，避免漏压。运行中碾轮边距填方边缘应大于50厘米，以防发生溜坡倒角。前后相邻两区段（碾压区段与前后区段）应纵向重叠1.5m至2m，达到无漏压、无死角，碾压均匀，区段间横向接缝在碾压时，最好使用光轮压路机，避免在接缝处转向。碾压一层完成后，当砂层表面太干时，应洒水湿润后才能回填，以保证上、下层结合良好。

（6）边角、边坡边缘部位处理

对于装载机无法碾压的边角，可适当洒水后，采用打夯机夯实，首遍各夯位宜靠紧，如有间隙，则不得大于15厘米，次遍夯位应压在首遍夯位的缝隙上，必须防止漏夯，每层夯实后应取样检测其压实度。

也可采用加水振实法，使回填砂土密实。初填：将回填砂土大致整平。注水振捣：注入适量的水，然后边振捣边沿振捣棒少许注水，插点均布，间距一般30至50厘米。补砂：在振实过程中，砂土必然下落，随时补砂，直到下落不明显为止，补砂只在最上层进行。

（7）检测

碾压完毕（一般以压至轮子下沉量，不超过1厘米至2厘米为度），采用环刀检测法，立即做密实度试验，下层水坠经检测合格后，即进行上层砂土的摊铺工作。如试验不合格时应加遍碾压。检测合格，满足设计要求后，可进行下层施工。

（8）依照此循环进行逐层水坠，直至达到垫层设计标高以上50厘米处。

（9）检测方法确定根据该项目检测内容，地基砂土压实度检测采用环刀干密度法，地基承载力检测采用平板

载荷试验。

环刀干密度法的取样范围是每100㎡至少取一个点，所取原状样按《土工试验方法标准》（GBT50123-2019）的有关试验方法得出干密度，然后与之前垫层填料的击实试验得出的最大干密度进行比较，最终得出地基砂土垫层的压实度。

（10）验收标准

根据国内相关规范及设计要求，水坠沙法垫层的压实度不得低于0.97，须做平板载荷试验的建筑物地基承载力特征值不得小于160kPa。

2.4、质量控制要点

(1) 水坠法处理地基时，用料必须严格控制含泥量，含泥量不得大于5%；严禁夹杂植物、黏土、树根等杂质；小于 0.075 mm 的颗粒应控制在12%以内。若砂垫层中的细小颗粒较多，会阻止水分顺利通过砂垫层；细小颗粒还会和水共同作用产生胶结效应，使砂层变成水分无法渗透的橡皮土。

(2) 施工上一层水坠砂及清除多余砂层时，禁止扰动下层砂，以防止砂粒组成的变异。

(3) 放水浸坠时，应采用泵送水源，保证连续注水作业；水面略高于砂面15cm～20cm，使砂土保持饱和状态。

(4) 每层虚铺砂层的厚度最好控制280mm左右，最大虚铺厚度不大于300mm。

(5) 表面平整度误差控制在50mm以内。

(6) 砂基顶面水渗透无明水后取样，采用砂地特有的灌砂桶专用仪器测定场地的干密度，再根据试验室场地风积砂饱水振试验测定的平均最大干密度计算压实度。密实度控制：每100 m 2设置一个密实度测试点，且每个单体建筑不少于3点控制；最小密实度≥0.97。

(7) 水坠处理前，应实地测定场地土的渗透性，并确保地下水位必须低于水坠层底面 1.5 m以上，才会产生足够的自上而下的压力差，带动砂土颗粒下坠趋于密实；否则不能产生足够的压力差，甚至水会反向渗透，从而造成砂土上浮。

(8) 浸坠完成、压实后如果压实实验不合格，需重新水坠碾压；直至合格后方可进行下层水坠施工。

（9）各建筑物应在施工期间及使用期间进行沉降观测，直至沉降达到稳定为止。综合楼设置6个沉降观测点，四角及3轴边柱。

结语

目前，水坠砂地基处理技术还没有形成一套规范化的技术标准和施工方法，制约了这一施工方法在工程中的应用。本文通过水坠砂地基处理的施工技术、实施效果，证明水坠砂地基处理是一种切实可行且经济合理的地基处理方法。希望能够引起更多技术人员的思考，进一步完善、优化施工工艺，希望能为类似工程的地基处理提供经验与参考。

参考文献

[1]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）

[2]《建筑地基基础设计规范》 GB50007-2011）

[3] 马耀疆等：风积沙水坠地基处理试验及碾压法的工程应用.《山西建筑》，2 0 1 3年5月第14期第39卷:80-81

[4] 白涛等：砂土地基加固方法的工程应用，《建筑科学与工程学报》2008年6月第2期第25卷：117-119

[5] 范启明 张鹏：水坠砂技术在靖边气田站场建设中的应用，《科技创新与应用》2014.7：269