基坑狭窄区域回填密实技术模拟试验

【摘要】为解决基坑狭窄区域回填密实问题，通过实验室模拟试验，深入研究了回填材料的选择、回填密实工艺技术、分层厚度的选择，突破了现行规范对分层厚度的限制，得出了富有价值的成果，对指导基坑回填的设计和施工有重要意义。

【关键词】模拟试验；基坑；狭窄区域；回填密实

中图分类号：TU411 TU478

Modeling test on narrow area backfilling and compacting technology of foundation pit

Zhou Bao-sheng， Jiang jian， Gao Zhong-Wei

（Shenzhen Municipal Engineering Corp.， Shenzhen 518034）

Abstract： To solve the problem of narrow area density of backfilling of foundation pit， by means of modeling test the paper studies backfiling materials， backfiling and compacting method and layer thickness. A breakthrough of the layer thickness limit of currunt specification is made. Some valuable achievements are obtained and can direct design and construction.

Key words： Modeling test； foundation pit； narrow area； backfilling and compacting

0 前言

由于城市土地资源紧张和地下空间的开发利用，高层房屋建筑迅速崛起，建筑基坑也越来越深，设有2～3层地下室的房屋建筑已经司空见惯。受建筑场地的限制，基坑回填作业空间越来越狭窄，建筑物地下室外墙与基坑侧壁的距离一般为1～2m，大大限制了大型机械设备的使用，给基坑回填工作带来了前所未有的困难。因此，基坑回填质量难以保证，出现了回填后沉降明显以及室外地坪开裂、空鼓、下陷等大量质量问题，严重影响了建筑物周边环境的美观，还造成部分回填区域所埋地下管线的变形甚至被破坏的问题。如图1，某小区在基坑回填后出现了室外地坪开裂、地坪沉陷、雨水井沉陷等问题。

现有技术的基坑回填方法通常采用压实或夯实的施工工艺，技术或规范要求分层回填材料、分层压实（或夯实）、分层检测，每层的厚度为0.2m～0.3m，分层厚度过大时，无法达到所要求的压实度，因此，回填效率很低。当基坑深度较大、作业空间狭窄时，很难做到技术上所要求的分层回填材料、分层夯实，回填材料无法达到通常设计要求的94%压实度。由此，深基坑回填的质量问题逐渐引起了建筑工程界的重视，迫切需要对基坑狭窄区域回填密实技术进行深入研究，以解决基坑回填施工质量问题。

图1 某小区室外地坪、雨水井沉陷

1 试验目的

为解决基坑狭窄区域回填密实问题，针对基坑回填施工现场实际情况，我们在实验室做了模拟试验。

本次试验主要研究回填材料在不同分层厚度、不同回填工艺条件下的回填效果，以确定满足压实度要求的分层厚度和回填密实技术。

2 试验设备

为了模拟基坑狭窄回填区域现场条件，在实验室砌筑了一个砖混结构试验池，其平面外部尺寸为3.6m×2.4m，高1.65m，中间有一道隔墙，墙厚20mm，分成2个回填池，每个回填池平面净空为1.5m×2.0m ，底部安设排水管。试验池用来模拟回填基坑，排水管模拟基坑排水系统。模拟试验池见图2、图3、图4。对两边试验池进行编号，东侧为1号试验池，西侧为2号试验池。

图2 模拟试验池平面图

图3 模拟试验池立面图

图4 模拟试验池俯视图

模拟试验所使用的工具设备有铁锹、水管、水桶、插入式振动棒、平板振动器等。填料压实度采用灌砂法检验。

3 试验方案

模拟试验分别从回填材料、密实方法、分层厚度三个方面进行研究。

3.1 回填材料的选择

本试验选用了2种回填材料，即石粉渣和建筑废弃物再生材料。石粉渣是用花岗岩、石灰岩等石料生产碎石过程中产生的弃料，由石粉、石屑组成，是地基换填、基坑回填的良好材料。建筑废弃物再生材料（简称再生材料）是指由拆除旧建筑（建筑构件）所产生的混凝土块、砖块等建筑废弃物经过粉碎处理后形成的粒径不大于5mm的材料。

经过室内试验分析确认两者都属于砂性土，建筑废弃物再生材料属于含细粒土砂，石粉渣属于级配不良砂。石粉渣最大干密度2.10g/cm3，最佳含水量9.1%；建筑再生材料最大干密度1.55g/cm3，最佳含水量15.5%。

3.2 回填密实方法的研究

为了研究回填工艺的可操作、可行性，试验中分别使用了插入式振动棒和平板振动器，采用振捣、压实的方法对回填材料进行密实。

为了对比回填工艺的密实效果，试验采用了2种密实方案：方案1是先采用振动棒插入填料中振捣密实后，再用平板振动器在填料表面振平；方案2是只用振动棒振捣。

3.3 分层厚度的研究

为了确定合理的回填材料分层厚度，分别对分层厚度0.50 m和1.0 m的回填材料进行了回填密实模拟试验。

采用密实方案1时，分层厚度约为0.5m；采用密实方案2时，分层厚度约为1.0m。

4 回填材料颗粒分析和击实试验

本实验所用的石粉渣来自一家石料厂，建筑废弃物再生材料来自一家环保节能公司。在施工工艺模拟试验之前，首先对对石粉渣、建筑再生材料做了土颗粒分析和击实试验，以确定填料的类别和最大干密度。

对石粉渣、建筑再生材料做了土颗粒分析试验，确定了填料的种类，见图5、图6。颗粒级配试验结果表明：该建筑再生材料属于含细粒土砂，石粉渣属于级配不良砂，两者都属于砂性土。

采用击实试验确定填料的最大干密度和最佳含水量。根据试验数据绘制了干密度与含水率关系曲线，见表1、表2、图7、图8试验结果：石粉渣最大干密度2.10g/cm3，最佳含水量9.1%；建筑再生材料最大干密度1.55g/cm3，最佳含水量15.5%。

图5 石粉渣颗粒级配曲线

图6 建筑再生材料颗粒级配曲线

表1 石粉渣击实试验数据表

击实试验方法 轻型法Ⅰ.1 筒容积（cm2） 997 击实层/次 3/27

试验次数 1 2 3 4 5

湿料质量（g） 4682.0 4862.0 4988.0 4976.0 4824.0

湿密度（g/cm2） 2.15 2.23 2.29 2.29 2.22

含水量（%） 7.0 7.9 9.1 9.9 10.8

干密度（g/cm2） 2.01 2.07 2.10 2.08 2.00

试验结果 最大干密度：2.10（g/cm2）；最佳含水量：9.1%

图7 石粉渣击实试验曲线

表2 建筑再生材料击实试验数据表

击实试验方法 轻型法Ⅰ.1 筒容积（cm2） 997 击实层/次 3/27

试验次数 1 2 3 4 5

湿料质量（g） 1713.0 1739.0 1771.0 1793.0 1781.0

湿密度（g/cm2） 1.72 1.74 1.78 1.80 1.79

含水量（%） 12.9 13.8 15.0 16.0 16.5

干密度（g/cm2） 1.52 1.53 1.55 1.55 1.54

试验结果 最大干密度：1.55（g/cm2）；最佳含水量：15.5%

图8 建筑再生材料击实试验曲线

5试验过程

5.1回填工艺流程

基坑回填密实方案1工艺流程：设置灌排水系统清理基底分层填料灌水渗透插入式振动棒振捣平板振动机振捣检测密实度。

基坑回填密实方案2工艺流程：设置灌排水系统清理基底分层填料灌水渗透插入式振动棒振捣检测密实度。

5.2试验操作要点

将石粉渣、建筑再生材料按照一定的松铺厚度摊铺，加水饱和，用插入式振动棒振捣后，待表面水渗透，再用平板振动器振平（密实方案1省略），检测每层的压实度。

模拟试验操作过程见图9～12。

1、设置灌排水系统。试验池底部设置有排水管，可人工控制排水量，洒水采用人工洒水。

2、清理基底。填料前将基底清理干净，排干杂物和积水，保证基底处于平整、密实状态。

3、摊铺。采用人工将石粉渣、建筑废料分别填入试验池，并用人工整平，摊铺厚度约为500mm。

4、灌水渗透。将水喷洒于填料表面，直至表面积水，做到渗透充分。

5、振动棒捣实。将振动棒插入填料中，充分振捣密实。要加强振捣，做到不漏振，保证填料饱和密实。记录振捣遍数。振动棒每次移动的距离应不大于振动器作用半径，振动棒的作用半径（通常为振动棒半径的8-10倍）一般为300～400mm。振捣遍数以2～3遍为宜。

6、平板振动机振平密实。采用平板振动器拖平振实，压实遍数为3～4遍。记录压实遍数。

7、密实度检测。待填料表面无积水，达到了一定的干燥度，即可采用灌砂法检验填料的实际干密度。压实度用压实系数来表示，压实系数为填料的实际干密度与最大干密度之比。

图9 设置基底排水系统

图10 填料摊铺

图11 灌水渗透

图12 振动棒振捣

5.3试验结果及结论

在试验过程中记录了填料厚度、压实遍数、填料沉降等参数。待填料表面达到了一定的干燥度后，分别做了压实度检测。在采用密实方案一试验过程中，由于试验池1（石粉渣）排水不畅，石粉渣表面没法做压实度试验，没有得到石粉渣回填的压实度数据。试验结果见表3～表7。

表3 密实方案1模拟试验过程记录表

填料

名称 填料厚度

（cm） 振动棒

振捣遍数 平板压

实遍数 振动棒振后沉降（cm） 平板振后沉降（cm） 沉降百分率（%）

石粉渣 57 2 2 9 0 15.8

再生材料 56 2 0 10 0 17.8

表4 密实方案2模拟试验过程记录表

填料名称 摊铺厚度

（cm） 振动棒

振捣遍数 振动棒振后沉降

（cm） 沉降百分率（%）

石粉渣 100 2 19.5 19.5

再生材料 102 1 20 19.6

表5 密实方案1建筑废弃物再生材料压实度

序号 含水量

（%） 湿密度

（g/cm3） 干密度

（g/cm3） 压实度

（%） 平均压实度

（%） 检测日期

1 22.2 1.81 1.48 95.5 95.3 2012.07.13

2 22.3 1.81 1.48 95.5

3 21.1 1.78 1.47 94.8

表6 密实方案2石粉渣压实度

序号 含水量

（%） 湿密度

（g/cm3） 干密度

（g/cm3） 压实度

（%） 平均压实度

（%） 检测日期

1 13.7 2.28 2.01 95.7 96.7 2012.09.03

2 13.7 2.33 2.05 97.6

表7 密实方案2建筑废弃物再生材料压实度

序号 含水量

（%） 湿密度

（g/cm3） 干密度

（g/cm3） 压实度

（%） 平均压实度

（%） 检测日期

1 18.9 1.65 1.39 89.7 90.3 2012.08.30

2 18.4 1.67 1.41 91.0

3 15.8 1.62 1.40 90.3

根据试验过程和表3～表7可得出以下结论：

1、采用插入式振动棒对填料进行振捣，密实效果显著，每层填料振捣后约沉降15.8%～19.6%。

2、平板振动器振捣对填料密实没有影响。从表2.5中可以看出，在密实方案1中，对石粉渣填料采用平板振动器进行了二次振捣，没有观测到明显沉降。因此，在其余回填试验中，取消平板振动器振动压实环节。

3、插入式振动棒振捣遍数对密实度有显著影响，振捣遍数宜为2～3遍。从表2.9中可以看出，当振动棒振捣1遍时，再生材料平均压实度为90.3%。当振动棒振捣2遍时，再生材料最大密实度可达到95.3%以上，石粉渣最大密实度可达到96.7%，大于有关规范规定的压实度不小于94%要求。

4、采用振动水密法密实方案，在满足压实度要求的同时，可大大提高填料的分层厚度。试验中最大回填厚度为1020mm，远大于有关规范规定的200～300mm。

5、砂性土（石粉渣和建筑废弃物再生材料）适合采用振动水密法基坑回填工艺。

6 结语

通过基坑狭窄区域回填密实模拟试验，取得了一下研究成果：（1）采用插入式振动棒对填料进行振捣，密实效果显著，每层填料振捣后约沉降15.8%～19.6%，平板振动器振捣对填料密实没有影响；（2）插入式振动棒振捣遍数对密实度有显著影响，振捣遍数宜为2～3遍；（3）突破了现行规范对填料分层厚度的限制，大大增加填料的分层厚度，填料的最大分层厚度约为1.0m，提高回填效率；（4）该回填密实方法适合石粉渣、中粗砂等砂性土的回填密实。

参考文献

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[2] 张耐华.两次振动饱和水密法填砂地基处理工法，建筑施工，2010（8）：782

[3] 赵新星.浅谈高层建筑深基坑回填方法，石河子科技，2011（4）：42～43

[4] 林荣.浅谈建筑垃圾作回填土的处理，施工技术，2008（6）：357～358

[5] 史茂林.振动饱和水密法在公路桥涵台背回填中胡应用，铁路建筑，2004（12）： 7～8

作者简介：周保生，1970年7月生，男，汉族，博士研究生学历，高级工程师。