基于换填法的水闸工程软土地基处理.pdf

施 工 安 全Maritime Safety 水上安全169作者简介：陶学诗，男，本科，高级工程师，研究方向为水利工程施工管理。基于换填法的水闸工程软土地基处理陶学诗（江门市水电有限公司，广东江门 529000）摘要：软土地基问题是水闸工程建设中最常见的问题之一，必须采取科学的处理措施来夯实地基，软土地基处理有很多方法，换填法作为一种安全、经济、便捷的方法应用于水闸工程软土地基处理中能体现出多重优势作用。本文首先介绍了换填法的原理与优势，并以南冲水闸工程为例，重点分析了换填法在该工程软土地基处理中的应用。关键词：换填法；水闸工程；软土地基；优势；应用0 引言水闸工程软土地基如果得不到及时处理则将导致周围建筑物沉降现象，影响建筑物结构安全，甚至影响周围交通居住环境。对此，必须采用科学的方法来对软土地基加以处理1，只有这样才能真正地提高水闸工程地基质量，进而确保水闸工程功能的发挥。1 工程概况南冲水闸建于 2003 年，由于水闸所在地属软土地基，地下水位较高，淤泥层深达 20m 以上，水闸及管理所建设时均采用了管桩基础，目前建筑物基本没有下沉，但建筑物周围出现不同程度下沉。为了防止下沉超过设计要求，采用软土地基换填轻质混凝土的形式削弱地面沉降对水闸的影响，主要对水闸右岸的填土层进行置换，消除地面沉降对水闸的安全隐患，涉及整治面积 1719.8m2。通过对南冲水闸右岸的填土层进行置换，减缓其沉降大的问题，提高建筑物的安全使用性，改善周围的交通环境，便于水闸日常管理。2 换填法原理与优势换填法顾名思义就是把地基中的软土置换成硬质土层，打造出牢固地基，为水闸工程的建造打好基础。实际施工操作过程中，用来换填的材料必须达到理想的牢固度与硬度，可以有效抵抗压力，且牢固度层面能预防工程土层塌陷。换填通常是按照科学比例调配不同材料，例如：碎石、矿渣、泥土等，并实施逐层填筑，各层填筑后再碾压、振动测试，保证换填土层密度达到地基要求标准2。换填法适用于软土、淤泥质土、湿陷黄土、松砂等高压缩性软土层、河道、池塘、暗沟等地基处理中。换填法的优势体现在多方面，特别对于水闸工程来说，优势体现在：1）提高地基牢固度与承载力。评价地基承载力的一大因素为地基下层土的抗剪强度，换填法的特点就是采用高抗剪强度材料代替软土土层，这样就有效地提升了地基牢固度与承载力，使得地基承载力达到所需的硬度和强度，也能保护地基安全，防止其被破坏。2）控制地基沉降量。通常来说，浅土层地基最容易发生沉降，采用换填法，就是用已经被碾压处理后达到一定密实程度的低压缩性材料，代替以往的高压缩性土体，这样就有效地控制了浅层地基的沉降量。同时，因为受到换填垫层应力扩散影响，能让垫层下卧层的应力下降，从而控制了下卧层沉降量，确保了构筑物的稳定性。3）垫层也能充当排水面，用砂石、混凝土材料等透水性材料作为换填的垫层，不仅能发挥良好的排水功效，还能将受碾压后底层软土层中的水体及时排除，以此来提高下方软土层的牢固、凝结，提升软土层强度与牢固度。本工程选择轻质泡沫混凝土作为换填垫层，轻质泡沫混凝土是将泡沫剂（发泡剂）制备成泡沫，再将泡沫加入由水泥、骨料、掺合料、外加剂和水制成的料浆中，经混合搅拌、浇筑成型、养护而成的具有闭孔结构的轻质多孔混凝土3。施 工 安 全水上安全 2023 年 第10 期1703 轻质砼换填法在水闸软土地基处理的应用3.1 轻质砼换填施工工艺流程轻质砼基槽开挖基础压实现浇挡板施工沙砾垫层泡沫轻质砼拌和制作泡沫轻质砼输送与浇筑养护3.2 砼基槽开挖初始路面可以在人机共同支持下被凿除，如果凿除范围较大则可借助挖掘机、推土机等类似机械，相反则可以选择空压机来辅助凿除，对应带动风镐以此来达到凿除的目的。凿除前必须经过测量放样，根据设计图纸中的基坑尺寸与规格等进行轮廓放样，基槽开挖边坡坡比除设计明确规定的外，其他的坡比应控制在 10.8 11 范围内。机械挖掘到弱风化闪长岩上方 30cm，破除风化岩层，并清理干净碎岩层，确认基坑无淤泥、软土夹层后要验收，重点加强对隐蔽工程部位的检验，验收合格后才能进行换填施工。3.3 基础压实基坑开挖后要对地基进行压实处理，可以选择压路机、推土机、羊足碾以及其他压实机械设备等来开展压实操作，压实操作中可以先把建筑物四周特定深度的软土挖除，从而对基坑底部进行压实操作，若选择机械碾压施工，必须确保碾压的速度不得过快，一般控制在 2km/h 以内。3.4 现浇挡板施工根据本工程现场情况，挡板采用 C25 砼现浇施工方法，挡板基础为 200100mm 素砼，挡板砼在泡沫轻质砼施工前采用分层浇筑方法一次性施工至设计标高。3.5 沙砾垫层沙砾垫层的目的就是增强地基牢固度，提升地基承重能力，防止地基受损，控制地基沉降。通过设置沙砾垫层还能及时地排除软土层的水体，预防地基塑性被破坏，预防冻胀问题。由此看来，换填法的一大作用就是优化软土地基的承受能力、承载力，控制地基沉降，要想达到这一目标关键是提高换填材料质量、增强垫层压实度等，应调节好填料的级配、压实度，牢固把握这两大关键点是沙砾垫层施工的核心4。参照相同标高处软土层的可承载力来算出厚度，保证沙砾垫层底部土的自重力和附加应力较小，低于软土层的容许承载力。因为设置承载力若较高，则将提高垫层的厚度，影响施工的科学性、合理性，相反，厚度过薄也不会达到理想的换填效果5。3.6 泡沫轻质砼的拌制1）泡沫轻质砼的拌制设备必须确保能发挥多重功能，例如：原材料自动计量功能，能在拌和操作中自动地调节水泥砂浆量与泡沫量。水泥也应选择达到较高水化热高的材料，例如：硅酸盐水泥最为合适，水泥的最小用量应在 300kg/m3，水灰比不超过 0.6。2）泡沫轻质砼在拌和制作过程中，材料的计量精度应满足下表 1 所示的要求。表 1 材料计量精度标准材料集料、掺和料水泥、外加剂水发泡剂计量精度2%2%2%5%泡沫轻质砼施工前，应进行施工配合比试验。施工配合比应满足下列要求：湿容重 6.0kN/m3；200mm 流动值 160mm。配 合 比 强 度 试 验 试 块 采 用 10cm10cm10cm 立方体试块。抗压强度试验方法同普通混凝土强度试验方法，但要求压力机采用小量程砂浆压力机进行抗压试验，且强度结果不做尺寸折减。配合比强度应满足：7d 龄期强度 0.3MPa；28 天龄期强度 0.6MPa。施工配合比强度试验以 6 块试块为一组，共做3 组分别测定 7d、14d 和 28d 龄期强度。7d 龄期抗压强度 0.3MPa 时，该配合比可作为施工配合比采用。要建立泡沫轻质砼现场制作拌和站，负责专业拌和制作。3）拌和加工成型中，要掌握好搅拌时间，一般保证各组分都能均匀地混合，而且要确保混凝土的搅拌温度，以及水体的加热温度，通常后者要处于7080最为合适，搅拌过程中可以先添加骨料，再添加水泥，确保出机温度在 15以上，入模温度在10以上。4）水泥浆或水泥砂浆或泡沫轻质砼在储料装置中的停滞时间不宜超过 2h。调配混凝土时必须掌握好添加的骨料质量，确保其清洁，内部没有杂质与任何的冻裂物质，一些防冻剂混凝土内，如果添加了钾离子、钠离子，则严禁选择活性骨料，混凝土内的外加剂最好选择无氯盐外加剂，这些添加剂能极大地优化混凝土的工艺和性能，确保混凝土的耐力和持久力。3.7 泡沫轻质砼输送与浇筑按照科学的规程：基底填筑 0.5m 砂砾垫层压实度大于 90%，在其上设置一层土工布再分段浇筑泡沫轻质砼。泡沫轻质砼浇筑采用车辆运输的方式进行施工，必要时采用泵送。如果在地下水位以下开展施工，可以选择临时降水模式来排除基底积水，然后再浇筑。要掌握好泡沫轻质砼单层浇筑的厚度，通常在0.2 1m 内最为合理。可以顺着浇筑区长轴从一端浇筑向另一端，若选择一条以上浇筑管，最理想的方法施 工 安 全Maritime Safety 水上安全171就是并排浇筑，也可选择对角浇筑模式。浇筑操作中若必须移动浇筑管，则要顺着管道所放置的方向前后移动。扫平表面时，必须尽可能地确保浇筑口处于水平状态，而且要让浇筑口距离浇筑轻质砼的表层更低。遇到特殊天气，例如：暴雨狂下、小雨连绵等，则要对未牢固的泡沫轻质砼表层实施遮蔽处理，控制雨水的浸泡，而且不能立即拆掉降水防护设施，要在轻质泡沫土养护时间 3 天以上，同时，施工达到抗浮标准时才能拆掉。单个浇筑区、浇筑层施工时间也要控制在水泥浆初凝时间内。泡沫轻质砼顶面 1m 范围内设置 3 层金属网，金属网采用 4mm 镀锌铁丝网，网格边长为 10cm。3.8 养护泡沫轻质砼浇筑会变硬，形成全新的形状，然而，当其强度还没有达到设计规定的强度之前，不应直接将其纳入使用，泡沫轻质砼浇筑达到设计的标准高度后，可以将塑料薄膜盖于表面，从而达到保湿养护的目标，泡沫轻质砼抗压强度若超过 0.4MPa，才能正式进行路面施工。4 轻质砼换填法质量控制关键点根据一次验收的数据结果主要发现：砼局部疏松、混凝土裂缝两大重要问题，经深入分析，这两大问题主要来自：基底未采取降水措施、发泡剂质量不稳定、未添加防裂外加剂这三大方面，对此应重点从几个关键点入手加以改善、优化，具体应从以下方面做起：4.1 基底采取轻型井点降水措施此方法的目标为：砼浇筑时确保基底干燥无水。具体操作措施为：1）沿基坑四周每隔 10m 间距布设井点管，通过真空吸水泵将集水管内水抽出，降低基坑四周地下水位。2）降水措施在泡沫轻质砼养护龄期不少于 3d 且施工满足抗浮要求的条件下撤除。砼浇筑前及浇筑过程中应对基底排水效果进行跟踪检查，确保砼浇筑时基底干燥无水。4.2 提高发泡剂质量通过试验选用发泡倍数稳定的发泡剂，确保发泡倍数为 37.5 倍，偏差在 5%。反复试验选用稳定性能好的复合发泡剂，确定选用 0.8%烯烃磺酸钠（alphaolefinsulfonate，A0S）作为发泡母剂，在 AOS 中加入0.2%有机硅稳泡剂 ZT-1 和 0.02%增稠类物质羧甲基纤维素（carboxymethylcellulose，CMC）改性混合，改性后的新型发泡剂具有良好的力学和热工性能。同时，通过控制水灰比来提升发泡剂的整体质量。4.3 添加防裂外加剂1）在砼浆料中添加聚丙烯的有机短纤维，减少并抑制混凝土裂缝；添加碳纤维，提高轻质混凝土的抗压抗折能力；加入稻壳灰，改善轻质混凝土的后期强度。通过试验确定最佳掺量为：每方砼中有机短纤维0.9kg/m3，碳纤维 0.6%，稻壳灰 20%。3）用新配合比试拌泡沫砼，用软管泵送至浇筑部位，将泡沫混凝土拌和物均匀地分布到模板内，禁止振捣。泡沫混凝土注模 23h 达到硬化时，开始覆盖薄膜并进行保湿养护。7d 后检查裂缝情况，确认防裂增强效果。为了检测防裂外加剂的效果，对试浇筑部位的砼进行防裂增强效果检查，未发现有裂缝，实施效果良好。5 结束语水闸工程软土地基处理在整个水闸工程建设中占据重要地位，采用换填法处理地基，不仅能改善地基土体特性，改良其渗透性，从而提升地基承载力，也能从整体上控制地基沉降，保护水闸工程周围建筑物安全。应加大换填法在水闸工程软土地基处理中的应用力度，提高软土地基处理水平，提高水闸工程地基牢固度，进而提高工程整体质量。6 参考文献1 黄绍铭,高大钊.软土地基与地下工程 M.北京:中国建筑工业出版社,2005.2 牛志荣.地基处理技术及工程应用J.岩土力学,2004(6):954.3 CJJ/T177-2012,气泡混合轻质土填筑工程技术规程S.4 杨光华.地基沉降计算的新方法及其应用 M.北京:科学出版社,2013.5 张秀丽,杨泽艳.水工设计手册 M.北京:中国水利水电出版社,2013.