试探讨乌鲁木齐地区饱和粉土处理方式

试探讨乌鲁木齐地区饱和粉土处理方式

师光宇

乌鲁木齐市政府投资建筑工程建设中心 830011

摘要：新疆地处内陆地区，第四纪全新世沉积作用下，分布着广泛的粉土，加之地表径流及冰雪融水作用，部分地区地下水位较高，形成了饱和的粉土，本文通过某综合服务楼地基处理实例，望对饱和粉土的处理施工工艺有一定的参考价值

关键词：饱和粉土 换填碾压 湿陷性 监测

一、乌鲁木齐地形地势、气候、地下水特点：乌鲁木齐市位于新疆中部，地处天山北麓、准噶尔盆地南缘，市区三面环山，北部平原开阔，辖区地势由东南向西北降低，大致分为三个梯级：第一级为山地，海拔2500-3000米或更高；第二级为山间盆地与丘陵，海拔1000-2000米；第三级为平原，海拔在600米以下。气候条件属中温带大陆性干旱气候，年平均降水量不足200毫米。地下水资源比较丰富，按地质情况可划分为达坂城—柴窝堡洼地、乌鲁木齐河谷和北部倾斜平原三个区，形成地下水储存的良好环境。

2. ：
   本工程建筑面积9560㎡，用途为综合服务、办公。房屋层数三层，总高度18.9米，基底标高为现状地面下2.5m，场区地貌单元属低山丘陵地貌，场地现状高程为662.0～685.0m，地形起伏较大，整体地势呈南高北低，东高西低。西侧约300米处有一地表河流。本工程采用框架结构，抗震设防烈度8度，柱间距为4.5m和7.2m，一层柱平面布置图如下:

3. 本工程场地情况。根据本工程的地质勘察报告，建筑场地情况如下：第①层杂填土（表土）：厚度一般为0.2～1.5m，杂色，以拆迁遗留建筑垃圾、生活垃圾、水泥地坪为主，局部为表土，含较多植物根系，稍湿，松散～稍密。第②层粉土：埋深0.2～1.5m，层厚10.4～19.4m，层顶高程661.58～676.12m，呈黄褐色，稍密～中密，稍湿～湿，摇振反应中等，无光泽反应，干强度较低，韧性低，孔隙较发育，多虫孔，局部夹粉细砂薄层，该层在拟建场地层位较稳定，分布较连续。第③层圆砾：一般埋深10.6～20.1m，层顶高程650.01～659.67m，最大可见厚度6.8m，青灰色，湿，中密～密实，质硬，多呈亚圆形，一般粒径0.5mm～40mm，大者40mm～60mm，砂混土充填。

因受到西侧地表河流影响，地下水情况为:地下水水位埋深为现状地面下3.0～5.0m(659.01~663.0m)，地下水类型为潜水。地下水的补给来源主要为大气降水及地下径流（自东向西渗流），地下水的排泄方式以自然蒸发、地下径流为主。地下水位变化幅度为1.0～1.5m。

根据建筑设计方案，本建筑基底标高为现状地面标高下-2.5m，基底坐落于第②层粉土，具体力学指标及地层剖面图如下：

粉土层柱状图

同时，关于第二层粉土层的标准贯入试验如下：本次勘察标准贯入试验在20个钻孔中进行，试验地层主要为第②层粉土，试验位置详见剖面图，试验深度2.0～19.0m，试验结果表明：第②层粉土（6m以上）标贯击数N介于3～9击，结合孔隙比值，判定该层粉土密实度为稍密；第②层粉土（6m以下）标贯击数N介于9～24击，结合孔隙比值，判定该层粉土密实度为中密。

该土层饱和含水率最低43%，最高100%，为饱和含水率，该层粉土具中压缩性～高压缩性，经试验地基承载力特征值fak=100kPa，该层土具中等湿陷性，地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）。根据根据拟建物建筑结构特征及有关规范要求，地勘报告给出的建议，地基处理施工前应进行专项方案设计，有关技术要求按相关规范执行，地基处理施工后应按相关规范和设计文件要求进行检测。

2. 基础结构及地基处理方式比选。本工程基底标高为-2.5m，持力层为粉土，因地基土的f_ak=100kPa，具有高含水率、中湿陷性，不满足规范要求，经过与结构专业沟通，本工程基础可采用独立柱基础或混凝土灌注桩基础，在选定基础类型后，在进行地基处理方式选择。从场地条件、造价、施工便利性等综合考虑各种基础的优劣如下：（一）独立柱基础：优点基础造价低，本工程基础可采用钢筋混凝土结构，基础钢筋混凝土量约为400m³，按照钢筋混凝土结构1000元/m³，综合造价约40万元，换填厚度按2.5m考虑，换填单价为50元/m³，换填费用约125万元，总费用约165万元；换填处理对工程机械要求低，施工工艺简单，缺点是需要对粉土层的处理质量进行把控，如处理不到位，后期使用过程中存在基础下沉的可能。（二）混凝土灌注桩基础：是桩基坐落于持力层上，后期建筑物沉降小，缺点是相比较独立柱基础，按照灌注桩1500元/m，粉土平均15m计算，单根桩长约15m，总桩长约1200m，总造价约180万元，需要专业机械施工。

考虑乌鲁木齐市气候特点，本工程开工时间为当年春季，冰雪融化，因地表渗流、河流补给，地下水正处于高位，开挖后，因基底处于地下水水位线以下，场地土较为泥泞，桩基础施工所用的旋挖钻机、混凝土泵车、运输罐车较难进场，势必延误施工进度；另一方面从施工质量上考虑，本工程的一层的直接与土接触，避免后期使用过程中出现下沉等情况，需要对房心进行回填碾压处理，并采用防水板等结构措施。综合以上因素，最终选定建筑场地进行大面积的处理，基础结构形式为独立柱基础，处理后的土层既作为建筑物基础的持力层，又可以避免后期房心回填下沉。

五、处理方案：根据场地工程地质条件并结合地基处理要求等特点，本次地基处理采用换填垫层法，换填垫层是当地基土的承载力和变形满足不了建筑物要求时，挖除全部或部分软弱土，回填工程特性较好的土料，并分层碾压的一种人工地基。换填为密度较好的材料，提高地基的承载力，增强地基的稳定性；同时根据垫层的应力扩散作用，可减少垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减少地基沉降量，使地基满足承载力的要求。

本工程地基处理是采用天然级配的碎石土换填全部或部分场地分布的第②-2软弱粉土层，并兼顾第②-1湿陷性粉土层（地基湿陷等级为Ⅰ级（轻微）），按照结构设计图要求，换填后的土层压实系数≥0.97，换填后承载力特征值fak≥150kpa，变形模量E0≥15 MPa。

（一）地基处理要求

1、垫层材料采用级配良好的戈壁土，最大粒径≤100mm，含水量控制在最优含水量ω_op±2%。不含植物残体、垃圾等杂质。2、垫层厚度2.0～3.0m，满足软弱下卧层验算要求。处理平面范围，垫层底面宽度超出基础边线2.0～2.5m，满足基础底面应力扩散要求，垫层顶面每边超出基础底边缘2.0～3.75m。

（二）施工质量控制要求：1、根据换填垫层处理施工经验，碾压遍数按6～7遍，分层铺填厚度200~300mm，碾压轮迹应相互搭接重叠500～600mm。

2、基坑开挖须满足边坡安全稳定性要求，基坑开挖后须进行地基验槽，并在基坑底部进行施工放线，基坑底部外扩尺寸须满足设计图纸要求。

3、考虑到场地地下水位埋深浅，部分建筑物换填底标高位于地下水位线附近，机械直接施工碾压易形成橡皮土，为保证施工质量，建议根据实际情况采取降排水措施或对饱和状的第②-2层粉土采取抛石挤淤或片石置换以提供干燥的施工作业面，处理方式与厚度宜根据实际情况而定，此外还应合理规划土方挖运路线及方案，尽量避免重型车辆反复碾压基槽。

4、基坑开挖时为避免坑底土层扰动，保留200mm厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再由人工挖至设计垫层底面标高。

5、垫层底面不在同一标高时，应挖成阶梯状或斜坡状（坡率＞2）进行搭接，按先深后浅的顺序进行碾压施工，搭接处应碾压密实。

6、考虑到建筑物的使用功能及小区管网建设，建议楼间土方回填同地基土方回填同步进行，采用相同的地基处理方法。

（二）地基处理验算，根据结构提供的数据，对独立柱基础的软弱下卧层进行验算，本文中选取一个独立基础进行验算。主要计算数据如下：

按照《建筑地基基础设计规范》第5.2.7条，在进行承载力修正后，换填垫层及软弱下卧层的承载力验算，采用理正岩土计算软件，主要计算结果如下：1. 垫层顶面承载力验算：基底平均压力Pk= 142.4(kPa)，基底最大压力Pkma=164.8(kPa)， 基底最小压力Pkmin=120.1(kPa)， 基底自重压力Pc=45.0(kPa)，垫层承载力特征值fz=196.0(kPa)，Pk <= fz, 满足要求， Pkmax <= 1.2*fz,，换土垫层承载力满足要求。换填垫层底面处承载力验算：垫层应力扩散角θ=28.0(度)， 垫层底附加应力Pz=52.6(kPa)，垫层底自重应力Pcz=67.5(kPa)，垫层底Pz + Pcz= 120.1(kPa)，垫层底地基土承载力特征值fz=160.0(kPa)，Pz + Pcz <= fz,垫层底面地基土的承载力满足要求。

对地基的沉降验算如下：

层号 厚度 压缩模量 Z1 Z2 压缩量 应力系数积分值 (m) (MPa) (m) (m) (mm) (z2a2-z1a1)

1 2.00 15.000 0.00 2.00 12.45 1.9166

2 5.50 5.000 2.00 7.50 51.73 2.6542

3 25.00 15.000 7.50 32.50 10.17 1.5651

压缩模量的当量值： 8.042(MPa)

沉降计算经验系数： 0.400

总沉降量：0.400 * 74.35 = 29.74(mm)

根据计算结果，设计的换填方案，承载力满足结构设计的要求。

六、本工程施工中质量控制和遇到的难点：

（一）质量控制：1、对回填料进行取样分析，提供碎石料的易溶盐成分指标、颗粒级配和其他杂质（若有）的含量。2、可采用室内重型击实试验或现场碾压试验，取得换填材料的最大干密度和最优含水率。3、根据所选用的施工机械、换填材料及场地土质条件，进行现场试验，实测材料最大干密度，以最终确定有关施工参数。

（二）施工中遇到的难点：1、本工程开挖后，换填垫层底部处于水位线以下，基坑四周出现少量涌水，因水量不大，施工中采用明沟和井点降水，降低基坑水位，确保换填碾压工作开展。2、因本工程进行换填碾压处理，需要车辆、作业机械深入基坑中作业，但因基坑位于水位线以下，开挖后的基坑难以让施工机械通行，为保证施工进度，与设计单位协商后，采用“抛石挤淤”的办法，用片石、较大的毛石压入基坑底部，利用片石较大的体积和较低的含水率，在基坑内部铺一条简易的施工便道，便于施工机械进场施工。3、基坑开挖后，因新疆气候干燥，湿度低，蒸发量大，部分土层因表面水分蒸发，存在“橡皮土”现象，针对出现的橡皮土，施工单位在施工过程中予以全部挖除。

七、施工质量控制。根据设计图纸，换填垫层检测要求如下：垫层质量检验须采用检测碾压轮迹和检验压实系数两种检验标准。相邻碾压轮迹≤3mm，压实系数检测点数量，每层垫层应保证条形基础下垫层每10m～20m不应少于1个点，独立柱基、单个基础下垫层不应少于1个点，其他基础下垫层每50m2～100m2不应少于1个点，压实系数λc≥0.97。当检测符合要求后，才能进行下一层铺填。垫层竣工验收应采用静载荷试验检验垫层承载力，且每个单体工程不宜少于3个点，并出具换填垫层地基处理承载力检测报告后方可进行下道工序施工。

对
于地基承载力，本工程采用慢速维持荷载堆载法的平板载荷试验，检测点位如下：

静载荷试验数据

1#:数据总表

1#:试验曲线

静载试验数据统计表

经过试验，承载力特征值满足设计要求。

八、结构沉降观测。根据《建筑地基基础设计规范》GB50007及《建筑变形测量规范》JGJ8-2007 的有关规定。本工程建筑变形测量的等级为二级。观测频率如下：在建筑物施工阶段，每一层观测一期。在施工过程中如果暂时停工，在停工时和重新开工时各观测一次，停工其间每隔2 个月观测一次。主体封顶后，每三月观测一次，期限 1 年，共 4 次。在建筑物交付使用阶段，第一年观测 2 次，以后每年观测 1次，直至最后 100 天的沉降速率小于 0.01-0.04mm/d 时视为进入稳定期，停止观测。在观测过程中当建筑物突然发生大量沉降或严重裂缝时，应视具体情况进行逐日或几天一次的连续观测。实际观测过程中，按照 3-5 根承重柱布设一个监测点的原则，共设置观测点15个，总观测次数8次。在16个月的连续观测中，沉降量最小的监测点一处，累计沉降量为-0.2m m；沉降量最大的监测点三处，累计沉降量为-1.1mm沉降差0.9mm，按照4.5m柱距计算，柱两端沉降差为0.000188，小于《建筑地基基础设计规范》表5.3.4 建筑物的地基变形允许值，满足设计稳定要求。

9. 结论。乌鲁木齐地区地处天山北坡，虽年降水量较少，但因区域内存在冰川雪水，地表径流及地下水系较为发育，地下水位上升后遇到沉积粉土，极易形成饱和的粉土，本工程综合考虑施工工艺、造价等因素，采用换填碾压的施工方案。施工过程灵活采用“抛石挤淤”确保工程顺利进行，配合施工降水、挖除橡皮土等工程难点。按照规范要求进行压实度、承载力试验，确保施工质量，经过试验，换填后的地基土承载地，结果达到结构设计的要求。在主体工程完工后，经过1年半的持续观测、目前结构的并无明显的下沉情况发生，沉降量及沉降差均符合规范要求。对于饱和的粉土，在承载力不大的情况下，换填碾压不失为一种好的处理方法。

参考文献：

【1】GB50007-2011 建筑地基基础设计规范【S】 中国建筑工业出版社

【2】JGJ79-2012 建筑地基处理技术规范【S】 中国建筑工业出版社

【3】JGJ8-2007 建筑变形测量规范【S】 中国建筑工业出版社

【4】JGJ340-2015 建筑地基检测技术规范【S】 中国建筑工业出版社