換填墊層法軟土地基處理應(yīng)用

劉福生

(黑龍江省收費(fèi)公路管理局牡丹江處)

1 作用機(jī)理

砂石墊層作為在淺層地基處理中的一種柔性墊層,其作用機(jī)理與剛性的灰土墊層、半剛性的素土墊層有一定的區(qū)別。砂石墊層除具有剛性墊層的提高承載力、減少沉降量、防止凍脹、消除膨脹土的脹縮作用外,還有加速軟弱土的固結(jié)作用、調(diào)節(jié)不均勻沉降等作用。從土質(zhì)分類方面來分析,砂石墊層為缺少中間組分的粗粒土,即級配很差的粗粒土。在這種情況下,粒徑較大的部分在整個墊層中起骨架作用,而粒徑較小的部分存在于較粗顆粒的孔隙之間,在一定的條件下可以在較粗顆粒的孔隙間移動,可起到平衡變形的作用。如包蘭鐵路在沿線未進(jìn)行綠化前,鐵軌逐漸抬高,就是因?yàn)樯傲Ｔ诨疖嚨膩硗駝酉轮饾u進(jìn)入道渣中間,使其不斷抬高所致。另外,砂石墊層作為粗粒土,其比表面積遠(yuǎn)較粘性土和灰土(細(xì)粒土)為小,其化學(xué)成分也較簡單,表面電荷很少,基本上無極性。因此,粗粒土孔隙度雖說遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于粘性土,但其對水的吸附及結(jié)合作用較小,滲透性系數(shù)卻往往比細(xì)粒土高 2～5個數(shù)量級,可以在墊層與地基土的接觸面上形成一個良好的水流通道,加速軟弱土的排水固結(jié)過程。

2 適用范圍

砂石墊層多用于中、小型建筑工程的濱、塘溝等的局部處理,也常用于較大基坑或較大回填量的較弱地基土。適用于一般飽和與非飽和軟弱土、半土半巖地區(qū)及水下黃土處理(不宜用于濕陷性黃土地基)?？捎袟l件地用于膨脹土地基,但不宜用于動力基礎(chǔ)下及大面積堆載下的軟弱地基,也不宜用于地下水流速快、水力坡度大且涌水量大的地基處理。與灰土墊層相比,砂石墊層最大的好外是可用于飽和土及水下施工,以及可以在一定范圍內(nèi)適用于經(jīng)淺層處理后仍有可能產(chǎn)生不均勻沉降的場地,而灰土則無法在這幾種情況下使用。因此,在山前沖洪積扇、山前丘陵地帶、水網(wǎng)密集區(qū)和地下水水位較淺的地區(qū),砂石墊層的使用范圍遠(yuǎn)較灰土墊層為廣。尤其是在地下水埋深較淺城市的老城區(qū)改造中,場地狹小,無法或不宜進(jìn)行大面積降水(否則將嚴(yán)重威脅到相鄰近建筑物的安全)或是涌水量大但水力坡度不太大的地區(qū)。

3 墊層設(shè)計(jì)

3.1 墊層的厚度

墊層厚度 z應(yīng)根據(jù)下臥層的承載力確定,滿足 pz+pcZ≤fz。墊層底面附加應(yīng)力pz可按壓力擴(kuò)散角方法簡化計(jì)算。

3.2 墊層的寬度

墊層的寬度應(yīng)滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴(kuò)散的要求,可按下式計(jì)算:b′≥b+2ztanθ,式中:b′為墊層底面寬度;應(yīng)力擴(kuò)散角θ:當(dāng) z/b＜0.25時取 0°;z/b為 0.25時取 20°;z/b＞0.50時取 30°;在 0.25和 0.50之間用內(nèi)插法求出。

3.3 墊層的承載力

對于小型、輕型或?qū)Τ两狄蟛桓叩墓こ?當(dāng)壓實(shí)系數(shù)為 0.94～0.97時,承載力標(biāo)準(zhǔn)值可取 200～250 kPa。

4 墊層施工

墊層施工一般應(yīng)分層鋪填、分層壓實(shí)、分層質(zhì)量檢驗(yàn)。砂石墊層應(yīng)先確定適當(dāng)?shù)呐浔群?再進(jìn)行施工。一般規(guī)范要求的砂石配比為(6～7)∶(3～4)(體積比),但在實(shí)際情況中由于砂的成本約為碎石的 4倍左右,所以可以根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)或?qū)嶋H級配試驗(yàn)求得。以直徑 2～4 cm的碎石為例,由于其空隙度約在 36%左右,因此最低的用量不應(yīng)少于此值,可以控制在 40%～45%之間,也就是砂石比在 1∶(2.0～2.2)之間。砂子一般可使用中細(xì)砂,要求不含有機(jī)雜質(zhì),含泥量≤5%(當(dāng)有排水要求時≤3%),碎石最大顆徑應(yīng)≤5 cm。

施工方法,一般有平振法、插振法、水撼法、夯實(shí)法及碾壓法等。但在實(shí)際施工中,最常用的是平振法。插振法、夯實(shí)法和碾壓法對下臥層的擾動較大,尤其是在軟弱地基或飽和土地基上施工時,易造成地基土大面積破壞或液化,而水撼法在使用時易受到場地條件的限制,且在原地基土含水量較低時,反而可能對地基土造成不利的影響,在施工階段使地基土強(qiáng)度急劇下降。砂石料拌勻后即可施工。平振法在施工時可在墊層表面灑少量的水,但禁止使用水龍或膠管直接沖刷。一般每層虛鋪砂石 25 cm左右,采用平板振動器振實(shí) 3～5遍,厚度為 20 cm左右,基本上可滿足規(guī)范要求。當(dāng)下臥土特別軟弱時,第一層虛鋪厚度可增加到 30 cm。

5 質(zhì)量檢驗(yàn)

在墊層施工中必須嚴(yán)格控制墊層的質(zhì)量,質(zhì)量檢驗(yàn)應(yīng)采用分層檢驗(yàn)法,在每一步均應(yīng)有純砂檢驗(yàn)點(diǎn)。檢驗(yàn)方法有環(huán)刀取樣法和鋼筋貫入法。環(huán)刀取樣法的優(yōu)點(diǎn)是可以與規(guī)范直接結(jié)合,易于判別,但由于砂為散體材料,不易取樣,且在運(yùn)輸、實(shí)驗(yàn)中極易擾動和破壞,在實(shí)際生產(chǎn)中較少用。常用的方法為鋼筋貫入法,此法取材簡單,測試方便,易于掌握。鋼筋貫入工具為直徑 20mm,長為 1 250mm的平頭鋼筋。在純砂檢驗(yàn)點(diǎn)上,先將表層刮去 3 cm,用準(zhǔn)備好的鋼筋,以 700mm的高度自由落下,測定其貫入深度,若≤5 cm即為滿足要求。

6 注意事項(xiàng)

(1)用于處理膨脹土地基時,對于平坦場地上的 I、II級膨脹土,墊層厚度應(yīng)≥300 mm,寬度不應(yīng)小于基底寬度,且做好防水處理。

(2)在半土半巖地基上以處理不均勻沉降為主時,墊層厚度應(yīng)≥500mm。

(3)復(fù)合地基承載力的使用,應(yīng)用修正后的地基土的承載力而不能用砂石墊層的承載力,而者之間往往有較大的差距。

(4)在地下水位以下或附近施工時,由于作法為基本平整的基槽表面先平鋪一到兩層直徑為 20～30cm的毛石,用人工夯逐個夯擊,至毛石大部分接觸硬地基為止,要求淤泥不能浸沒毛石。石縫用純砂灌實(shí)。

(5)用料量的計(jì)算,在采用砂石比為 1∶(2.0～2.2)時,由于砂子均存在于碎石的孔隙之間,基本上不占整個墊層的體積,因此在計(jì)算用料量時只用算出碎石的用量,再按比例求出砂子用量即可。