換填墊層在地基處理中的應(yīng)用原理淺析

摘要：淺層地基處理的方法有很多種，比如：灌漿法、擠密法、換填墊層法、強夯法或采用短樁處理等。筆者通過多個工程實踐經(jīng)驗，總結(jié)出換填墊層法有施工工期短、原料豐富、造價低、質(zhì)量易掌握等優(yōu)勢。本文主要介紹換填墊層法的原理、適用范圍、設(shè)計及施工注意事項。

關(guān)鍵詞：軟土 地基處理 墊層

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0062-02

隨著我國基礎(chǔ)建設(shè)蓬勃興起及人類活動增大，由地基土壓縮變形引起的沉降量過大或沉降不均勻?qū)?gòu)筑物造成破壞或影響其正常使用的問題顯得尤為突出，故而軟弱土層中的地基處理格外重要。

軟弱地基是指主要由淤泥、淤泥質(zhì)土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土構(gòu)成的地基，具有壓縮性高、透水性差和強度低等特點。當不可避免要在軟土地基上建造建筑物時，必須進行有效地地基處理，以減小地基的變形、加強地基的穩(wěn)定性。地基處理是采取有效的方法，如：碾壓及夯實、換填墊層、排水固結(jié)、振密擠入等，改善地基土的工程性質(zhì)，使其滿足工程需要。

筆者通過對眾多工程實踐經(jīng)驗進行分析，認識到換填墊層法能有效解決中小型工程的地基處理問題，主要在于其具有就地取材、施工方便，不需要特殊機械設(shè)備且工期短，能有效降低造價等優(yōu)點。

1 換填墊層法的原理

換填墊層法是將基礎(chǔ)底面下一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖除，回填強度較大、壓縮性小、物料來源豐富、價格便宜的材料，然后經(jīng)分層夯實后作為基礎(chǔ)的持力層。

1.1 墊層的作用

1.1.1 提高持力層的承載力

用抗剪強度較高的材料換置基礎(chǔ)下的軟弱土層，將使地基避免發(fā)生剪切破壞。此外，換置后的材料能很好地擴散基礎(chǔ)的附加應(yīng)力從而使下臥土層能承受相應(yīng)的荷載。

1.1.2 減小基礎(chǔ)的沉降

一方面換填的材料壓縮性較小，那持力層的變形和沉降將較換填前小很多；另一方面，通過墊層的應(yīng)力擴散作用使下臥層頂面的應(yīng)力減小，那下臥層的沉降也將減小。

1.1.3 加速軟土的固結(jié)

如墊層材料的透水性很強，當軟弱土層受壓后，墊層即是一個良好的排水通道，基礎(chǔ)下軟弱土層中的孔隙水將通過此通道快速消散排出，從而加快了下臥軟弱層固結(jié)和強度提高。

1.1.4 防止凍脹

采用的換填材料均是顆粒較大、透水性較強的材料，不容易產(chǎn)生毛細管現(xiàn)象，故而可以防止寒冷地區(qū)結(jié)冰而造成的凍脹現(xiàn)象。

1.2 墊層材料

換填材料必須具有無侵蝕性和低壓縮性，一般采用如中砂、粗砂、礫砂、圓礫、角礫、石屑、卵石、碎石、礦渣、粉質(zhì)黏土、粉煤灰等。因墊層土類豐富，可依據(jù)當?shù)氐奈锪锨闆r而選取相應(yīng)的材料作為墊層。

2 換填墊層法的設(shè)計

2.1 墊層厚度的確定

墊層的厚度z應(yīng)依據(jù)軟弱土層的厚度和下臥軟弱層的承載力確定，并應(yīng)滿足公式（1）的要求：

式中pz為相應(yīng)于荷載效應(yīng)標準組合，墊層底面處土的附加壓力（kPa）；pcz為墊層底面處土的自重壓力（kPa）；faz為墊層地面處土層經(jīng)深度修正后的承載力特征值（kPa）。

墊層底面處土的附加壓力pz可以按照圖1壓力擴散圖示來計算，即：

條形基礎(chǔ)時，

矩形基礎(chǔ)時，

公式中b為條形基礎(chǔ)或矩形基礎(chǔ)底面的寬度（m）；l為矩形基礎(chǔ)底面的長度（m）；pk為基礎(chǔ)底面處的平均壓力值（kPa）；pc為基礎(chǔ)底面處土的自重應(yīng)力值（kPa）；z為基礎(chǔ)底面下墊層的厚度（m）；θ為墊層的壓力擴散角，按表1取值。

一般情況下墊層厚度不宜大于3m，否則施工較困難不經(jīng)濟，而小于0.5m太薄換填墊層的作用不大。當軟弱土層的厚度h≤3m時，可以將其基底下的軟弱土層全部挖除換填墊層，取z=h，且z>0.5m，然后驗算滿足式（1）；當軟弱土層的厚度h>3m時，可以將其基底下的軟弱土層部分挖除換填墊層，取z≤3 m，且z>0.5 m然后驗算滿足公式（1）。

2.2 墊層寬度的確定

墊層的寬度除了要滿足應(yīng)力擴散的要求外，還要防止墊層向兩側(cè)擠出，因為基礎(chǔ)荷載在墊層中引起的應(yīng)力使墊層有側(cè)向擠出的趨勢，假設(shè)墊層寬度不足，周圍土又較為軟弱時，墊層可能被壓潰而擠入周圍軟土中去，從而基礎(chǔ)沉降增大。墊層底面寬度應(yīng)依據(jù)式（4）及當?shù)亟?jīng)驗確定。

b’≥b+2z …（4）

式中b’為墊層底面寬度（m）見圖1，其他符號意義同上。

墊層底面寬度確定后，再依據(jù)當?shù)亟?jīng)驗要求和開挖基坑要求的坡度延伸至底面，從而得到墊層的設(shè)計斷面，同時應(yīng)滿足墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底面不宜小于300mm。此外，若是大面積整片墊層，其底面寬度可按自然傾斜角控制適當加寬。

2.3 基礎(chǔ)的沉降量計算

基礎(chǔ)的沉降為墊層的沉降與下臥層的沉降之和。其具體計算見規(guī)范GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范。

3 墊層施工注意事項

3.1 開挖基坑鋪設(shè)墊層時，應(yīng)避免坑底上層受擾動以破壞土的結(jié)構(gòu)

當采用機械開挖，開挖至基底標高以上300mm左右時，應(yīng)采用人工開挖，并在驗槽后應(yīng)及時回填防止其暴露過久、被踐踏或浸水。當采用粒徑較大的墊層時，應(yīng)在坑底先鋪一層砂墊層或鋪土工織物，以免軟弱土層表面的局部破壞。

3.2 雨季和冬季墊層的保護措施

如在雨季或冬季施工時，施工期間應(yīng)采用相應(yīng)的防雨或防凍措施，防止填料（土或灰土）受雨水淋濕或凍結(jié)，還應(yīng)防止地面水流入已處理或未處理的基坑或基槽內(nèi)。

3.3 墊層材料的選擇

墊層的料材必須級配連續(xù)和級配良好。若是人工級配的材料，需用機械拌和均勻。

3.4 墊層必須達到設(shè)計要求的密實度

常采用振動法、碾壓法等。這些要求均要嚴格控制含水量，最好能達到最優(yōu)含水量，方可分層夯填，分層鋪設(shè)厚為200～300mm，逐層振密或壓實，如條件允許也可在分層處鋪設(shè)土工織物，以起到加筋作用。

墊層施工竣工驗收合格后，應(yīng)及時對基礎(chǔ)進行施工及對基坑進行回填。此外，換填墊層法施工土方量大，棄土多，宜做好棄土的處理工作。

4 換填墊層法的適用范圍

進行軟土地基處理時，應(yīng)依據(jù)工程的實際情況選取不同的處理方案。換填墊層法主要適用于中小型建筑工程的3m以內(nèi)的軟弱地基處理，不宜用于大面積堆載、密集基礎(chǔ)和動力基礎(chǔ)或地下水位較高、水流速度較快且流量大的地基處理。

參考文獻

[1] GB50007-2002建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[S].

[2] JGJ79-2002建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 趙明華.土力學與基礎(chǔ)工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010：324-331.