摘要：为了更好地控制砂土的施工质量，本文以作者在北京大兴国际机场的施工经验为基础，结合经验教训及试验结果，分析总结了砂土的抗剪强度在填土压实中的应用、渗透特性在边坡防护中的应用以及流变固结在基坑回填中的应用。分析表明，含水率是影响砂土抗剪强度的重要因素，是否到达最优含水率是控制填土压实施工质量的关键指标；砂土的渗透系数较大，为了边坡的稳定性，在雨季来临之前需增加其他稳固措施；砂土在基坑回填施工中，应尽量避开冬季施工，避免低温施工。
关键词：砂土；应用；填土压实；边坡防护；基坑回填
1.引言
工程中压实填土大部分是在非饱和状态下压实形成的，是典型的非饱和填土。与饱和土相比，非饱和土除了有固体颗粒、孔隙水和孔隙气等三相组成之外，它在气—液交界面上形成的收缩膜作为第四相考虑，并在交界面上产生了基质吸力[1]。纯净砂中含有一定量的细粒，这造成了砂土的一些基本工程性质被改变，给机场的土方施工带来了一定影响。
据统计，我国北方很多机场内的土壤以砂土为主。本文旨在从实际工程现场施工的角度出发，分析和总结砂土的基本性质及工程应用，希望对类似机场的土方施工起到一定的借鉴作用。
2.砂土的抗剪强度在填土压实中的应用
以北京新机场飞行区内的砂土为例。在初期的土方施工中发现，对天然砂土按照一般振捣碾压方法施工过后，压实度达不到设计值，用脚能轻易揣动。施工时每层填土松铺厚度为30cm，从碾压过程观察发现：碾压至6~8遍时，压实度最大值达到86%左右，之后随着碾压次数的增加压实度再无增长，压路机压痕明显，用脚能撬动。说明该类砂土无黏聚性、抗剪切破坏能力弱，承载力低，不容易达到设计压实度。
目前理论上得到大多数认同的非饱和土抗剪强度理论可概括为：
式中：
为有效黏聚力，是材料性质指标，对砂土而言，其值为0； 为有效法向应力， 为有效内摩擦角； 为吸附强度。Fredlund[2]提出的双应力变量强度公式中， ， ，其中 为破坏面上的孔隙气压力， 为破坏面上的孔隙水压力， 为基质吸力内摩擦角。由于砂土为非黏性土，黏聚力c=0，因此该公式可简化为：
对于非饱和砂土，在土体作用力恒定的情况下， 一直存在，并且随着 的改变而反向改变。因此，相对来说，砂土的含水率就成了影响其抗剪强度的比较直接的因素。
据此对砂土进行室内重型土工击实试验，得到其最大干密度为1.67g/cm3，最优含水率为16.0%，但现场实测含水率仅为10.5%左右。根据非饱和砂土抗剪强度的相关理论和土工试验得到的数据，于2016年4月进行了道槽区填土压实试验工作，投入的机械及数量如下：
表1 试验段需用机械
提前一天对填土静压一遍、平地机平整后，采用“闷灌水”的方法对砂土进行补水，让水渗透进去，直到洒水车在行驶面的车辙印全部湿润为止，洒水车行驶速度以20~25km/h为宜。第二天早上对土面进行试压，以不粘压路机碾子为宜开始，静压一遍，然后强振，随着碾压遍数的增加，压实度随之增加，当碾压遍数达到10遍时，压实度达到道床以下95%的压实度，当碾压遍数达到11遍时，压实度完全达到道床96%的设计值。试验段填土压实现场施工照片如下：
图1 试验段填土压实及检测
试验段填土压实情况及压实度检测指标如下表。从表中可以看出，天然砂土压实度最大值为86%，其值远小于浸水后砂土在碾压至6~8遍时的压实度；对于95区碾压，对填土采取“闷灌水”进行补水，待夜间水分渗透进土体后第二天再对其进行碾压，静压1遍，微振1遍，强振8遍后压实度达到设计值；对于96区，再增加强振1遍即可满足设计要求，最后1遍静压至无明显痕迹即可。
表2 试验段碾压情况及检测指标
据此可以总结得出，含水率是影响砂土抗剪强度的重要因素，是否到达最优含水率是控制填土压实施工质量的关键指标，在北京大兴国际机场场道工程施工中应严格监控。
3.砂土的渗透特性在边坡防护中的应用
渗透性是砂土的重要工程性质之一，渗透系数是分析土中动水压力和边坡等结构物在降雨情况下稳定性所必需的参数。影响渗透系数的因素有很多，比如土体孔隙率、细粒含量、粒径级、不均匀系数等，根据苏立君等[3]的研究成果（见下表），当其他变量为定值时（曲率系数0.7、孔隙率0.354、有效粒径0.25mm），不均匀系数是反映土体中土颗粒离散程度的量，不均匀系数（2时）越大，其粒径变化范围越大，粗颗粒与细颗粒含量越不对等，致使土体中孔隙越大，渗透系数越大。
表3 渗透系数与不均匀系数的相关数值
根据项目试验室的现场检测结果，该场区内砂土的不均匀系数较大，即该类砂土的渗透系数较大。在降雨的持续作用下，当土体中粗颗粒所构成的孔隙直径大于细颗粒直径、且渗透力能够带动细颗粒在孔隙间移动时就容易形成透水层，且对于边坡而言上面覆盖的土层压重不是太大。基于以上两个条件，边坡在强降雨作用下易形成存在于锚喷混凝土面层之下的管涌通道，即坡顶入、坡脚出的通道，将大量泥砂带入基坑及其构筑物中。我们知道，水通过多孔介质的速度同水力梯度的大小及介质的渗透性能成正比，对于砂土质边坡而言，水力梯度和渗透系数均较大。因此情况严重时，甚至会损坏边坡支护结构，给基坑内的建筑物带来严重破坏。
在降雨时地面各处的雨水会向基坑处汇流，聚集于坡顶地势稍低的地方，在降雨量大或持续时间较长的情况下，形成一个管涌通道入口（图2），进而在边坡锚喷混凝土面层之下的砂土中形成管涌通道（空腔），在坡脚处形成一个出口，将大量泥砂带入基坑中（图3）。不仅给施工带来繁重的清淤工作，费时费力，而且严重时有可能在坡面穿破混凝土结构面层，亦或是损坏支护结构形成塌方，造成不可挽回的安全危害等工程事故。
图2 坡顶在雨水作用下形成管涌通道“入口”
图3 泥砂从坡脚出口进入到基坑
因此，针对砂土较大的渗透性和北方比较明显的雨季气候，对砂土质边坡的稳定性而言，除了一般的边坡支护措施以外，还应在雨季来临之前采取其他措施：
一是在坡肩外一定距离在基坑沿线设置集水沟进行排水（如图4），降低渗压，避免管涌现象发生的可能；
二是在坡脚设置盲沟，引导排水；
三是对坡顶处土面进行振捣碾压增大其密实度，或者对坡顶场地进行硬化，使雨水不易渗透进去；
四是地表散水需向远离基坑方向找坡，减轻降雨对边坡稳定性的危害。
图4 坡顶集水沟和坡脚盲沟剖面图
4.砂土的流变固结在基坑回填中的应用
土的流变特性主要变现为：蠕变、应力松弛、强度的时间效应等。在基坑回填施工中，当施加的剪应力小于土的上屈服值时，不会发生破坏，但应变会随时间或时间对数成线性增加，时间越长，应变越大；当施加的剪应力大于上屈服值时，土体内部结构便开始破坏，出现加速变形直至完全破坏。因此，对于挡土墙和下穿通道箱涵等结构物后一定的回填空间来说，应变增大或土体破坏，均会导致作用于结构物上的土压力增大，给结构物的安全使用带来严重隐患。
试验表明，促使土体排水，增加其密度，使颗粒间接触面增大，可使蠕变速率减慢，土的上屈服强度提高。也就是说促使土体排水，能有效减少土体作用于结构物上的压力，使结构工程的使用更趋于安全。
对于北方机场而言，场道工程施工存在冬施期，在这期间砂土被冻住，孔隙率大大增加。基坑回填时不能达到设计的回填压实度，或者等到天气回暖的时候，土体解冻土基下沉，出现不均匀沉降。还有可能，结构物附近回填土由于解冻或振捣压实不足的原因，土体下沉形成空洞（如图5）。因此，基坑回填应尽量避开低温施工；也不能急于让其沉降而提前灌水，给结构物带来安全隐患；对已经发生了不均匀沉降的回填土，要采取适当的补救处理措施。
图5 结构物附近回填土沉降
5.结论
以作者在北京新机场内的施工经验为基础，结合经验教训及试验结果，分析总结了砂土在填土压实、边坡防护和基坑回填施工中的表现性质及其处理措施：
（1）含水率是影响砂土抗剪强度的重要因素，是否到达最优含水率是控制填土压实施工质量的关键指标，在北京大兴国际机场场道工程施工中应严格监控。
（2）由于砂土的渗透系数较大，为了边坡的稳定性，在雨季来临之前需要增加其他稳固措施，降低灾害发生的可能。
（3）砂土在基坑回填施工中，应尽量避开冬季施工，避免低温施工。对回填压实质量欠佳的土基，需要采取适当的补救处理措施。
参考文献：
[1]张芳枝，梁志松，周秋娟.非饱和土性状及其边坡稳定性[M].北京：中国水利水电出版社，2011：1-11.
[2]FREDLUND D G，MORGENSTERN N R，WIDGER R S.The shear strength of unsaturated soils[J].Can Geotech.J.1978，15（3）：313-321.
[3]苏立君，张宜健，王铁行.不同粒径级砂土渗透特性试验研究[J].岩土力学，2014，35（05）：1289-1294.
论文作者:吴宣伟,樊手
论文发表刊物:《基层建设》2019年第2期
论文发表时间:2019/4/11
标签：砂土论文; 基坑论文; 压实论文; 孔隙论文; 系数论文; 填土论文; 强度论文; 《基层建设》2019年第2期论文;