換土墊層法處理軟土地基的研究

裴成嬌

（重慶何方城市規(guī)劃設(shè)計(jì)有限公司武夷山分公司，福建 武夷山 354300）

換填法是將軟弱土和飽水土部分清除或挖掉，換填成性能較好的材料作為建筑物基礎(chǔ)墊層的一種淺基礎(chǔ)處理方法。建筑材料耗用成本低，可以就地取材，施工簡(jiǎn)單宜于操作。同其它地基處理方法相比，所用施工機(jī)械較為普通，不需專門投資配備。質(zhì)量方面，由于施工操作簡(jiǎn)單，易保證質(zhì)量，再加上施工工期短，管理費(fèi)用也較低。

1 墊層作用

1.1 提高地基的承栽力

淺基礎(chǔ)的地基承載力與基礎(chǔ)下土層的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，如果抗剪強(qiáng)度較高的砂或其它填筑材料代替較軟弱的土，可提高地基的承載力，避免地基破環(huán)。

1.2 減少沉降量

一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例較大，在相鄰基礎(chǔ)寬度范圍內(nèi)的沉降量約占總沉降量的50%，如果以較密實(shí)的墊層材料代替較軟弱的土層，就可以減少這部分的沉降量。

1.3 加速軟弱土層的排水固結(jié)

砂或砂石等墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎(chǔ)下面的空隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結(jié)從而提高其強(qiáng)度，避免地基土塑性破壞。

2 墊層底面下臥層承載力設(shè)計(jì)值的修正問(wèn)題

現(xiàn)行《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007-2002)中墊層底面下臥層的承載力特征值按下式修正：

式中：faz-修正后的下臥層承載力特征/kPa；

fak-下臥層承載力特征~/kPa；

ηd-承載力深度修正系數(shù)；

γ0-下臥層頂面以上各層土的平均重度/kN·m-3；

d-基礎(chǔ)埋 m；

z-墊層厚度/m。

該公式僅適用于下臥層為堅(jiān)硬的粘性土或密實(shí)的砂性土等承載力較高、壓縮性較低的土層。如果下臥層為較軟土層且厚度較大，換填處理時(shí)又不能全部挖出，即墊層下臥層仍為較弱土。對(duì)于一般軟弱土地基，其受力時(shí)的破壞模式一般為沖切破壞。較弱土發(fā)生沖切破壞時(shí)，基礎(chǔ)底面下的土產(chǎn)生明顯的下陷而不向周圍擠出，基礎(chǔ)周圍土體所受的超載荷幾乎起不到抑制基底范圍以內(nèi)地基土下陷的作用。由于壓縮模量隨深度的變化因素，軟弱下臥層的承載力亦會(huì)隨著埋藏深度的增加而略有增長(zhǎng)，但增長(zhǎng)幅度遠(yuǎn)小于堅(jiān)硬的下臥層。同時(shí)，如果該類地基排水不良，土中水在重力作用下向下轉(zhuǎn)移聚集，導(dǎo)致軟弱土的深度越深含水量越大，強(qiáng)度越低。所以，對(duì)墊層下的軟弱下臥層，按(1)式修正得到的承載力設(shè)計(jì)值顯然高于實(shí)際承載力值，這樣會(huì)使墊層設(shè)計(jì)不安全。舉一簡(jiǎn)單的算例：一基礎(chǔ)埋深為2m，砂墊層厚度為3m，墊層和回填土的平均重度為18kN·m-3，下臥層為飽和淤泥質(zhì)土，承載力特征值僅為70kPa。取ηd=1.0，按（1）式算得修正后下臥層承載力特征值為151kPa，比修正前承載力特征值提高了一倍多。當(dāng)建筑物使用若干年后，軟弱下臥層在經(jīng)歷了長(zhǎng)期荷載作用后才能逐漸固結(jié)，而其承載力也只能隨之慢慢增長(zhǎng)。

3 σz的計(jì)算誤差和對(duì)墊層厚度及深度設(shè)計(jì)值的影響

我們?cè)谶M(jìn)行建筑設(shè)計(jì)時(shí)，對(duì)其墊層底面即下臥層頂面處的附加應(yīng)力通常按力的擴(kuò)散理論簡(jiǎn)化計(jì)算(圖 1)。

如圖所示，以矩形基礎(chǔ)為例，下臥層頂面處的附加應(yīng)力計(jì)算公式為：

式中：σz-下臥層頂面處附加應(yīng)力/kPa；

P0-基底附加應(yīng)力/kPa；

L、b-基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)、寬；

θ-砂墊層中的應(yīng)力擴(kuò)散角(度)。

一般來(lái)說(shuō)，基礎(chǔ)墊層相對(duì)較密實(shí)堅(jiān)硬，而下臥層較軟弱，地基土在計(jì)算范圍內(nèi)為上硬下軟的雙層地基時(shí)，在下臥層頂面處會(huì)發(fā)生應(yīng)力擴(kuò)散現(xiàn)象，也就是說(shuō)，該面上的應(yīng)力同均質(zhì)土按彈性理論計(jì)算的結(jié)果比較，應(yīng)力峰值較小而分布范圍更大。

按(2)式計(jì)算時(shí)，實(shí)際是假設(shè)應(yīng)力σz在面積為(1+2Ztanθ)(6+2Ztanθ)的矩形范圍內(nèi)均勻分布。顯然，這種簡(jiǎn)化的結(jié)果一方面使σz在基礎(chǔ)中心(包括一小范圍)下偏小，而其余各點(diǎn)下偏大；另一方面，由于將附加應(yīng)力分布范圍由趨于無(wú)限大縮小至有限的矩形范圍，故導(dǎo)致 的分布面積偏小，而平均值偏大。

墊層厚度Z的確定原則是要保證軟弱下臥層土體不被剪切破壞，一般是按下式由試算法確定的：

由于σz的設(shè)計(jì)誤差，導(dǎo)致墊層的設(shè)計(jì)厚度Z在基礎(chǔ)周邊不偏大，但在基底中心點(diǎn)下則是偏薄，也不安全。

4 荷載的偏心問(wèn)題

式(2)適用于基底附加應(yīng)力分布即基礎(chǔ)承受中心荷載作用的情況。當(dāng)基礎(chǔ)所受荷載為偏心荷載時(shí)，處理方法是墊層底面處的附加應(yīng)力仍按式(2)計(jì)算，但式中的P0取偏心荷載作用下的平均基底附加壓力。當(dāng)基礎(chǔ)頂面荷載的偏心距較小時(shí)，這種簡(jiǎn)化顯然是不安全的。在這種情況下，若要考慮偏心荷載的影響，參照天然地基上淺基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)方法，建議將下臥層承載力設(shè)計(jì)值進(jìn)行適當(dāng)?shù)慕档?，即?2)式中的fz乘以折減系數(shù)ζ。當(dāng)荷載偏心距e0≤1/6時(shí)，可取0.6≤ζ≤1。

5 地基不均勻沉降問(wèn)題

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-91)提出的墊層設(shè)計(jì)原則只考慮了下臥層的承載力因素，而忽略了地基的變形因素。事實(shí)上，無(wú)論墊層還是下臥層的變形問(wèn)題都是比較突出的。

5.1 下臥層的排水固結(jié)

由于軟弱土的性質(zhì)，分布的不均勻性和荷載的偏心影響，軟弱土體的固結(jié)亦存在不均勻性，采用換填進(jìn)行局部處理后，當(dāng)下臥層頂面承受換填材料產(chǎn)生的自重應(yīng)力大于原天然土層的自重應(yīng)力時(shí)，下臥層會(huì)產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。通常，墊層的壓縮變形在施工期間已完成，而軟弱下臥層的沉降則需較長(zhǎng)時(shí)間。如果這種不均勻固結(jié)是在建筑物使用階段才完成，則對(duì)基礎(chǔ)以至建筑物穩(wěn)定性的危害是較大的。許多工程實(shí)例都證明了這一點(diǎn)。因此，對(duì)含水量大或飽和的軟弱土地基進(jìn)行砂、石墊層處理時(shí)，宜同時(shí)采取一些有效措施(如預(yù)壓法等)。使軟弱土在基礎(chǔ)施工之前或施工期間就達(dá)到較高的固結(jié)度，從而減輕后期的沉降和不均勻沉降。

5.2 墊層的側(cè)向膨脹和擠出

由于墊層的剖面形狀為倒梯形，而四周為軟弱土，在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力的共同作用下，墊層易發(fā)生側(cè)向膨脹，擠向側(cè)面軟弱土中，從而加大墊層本身的側(cè)向變形量。墊層材料與周圍土體的剛度比越大，側(cè)向擠出越嚴(yán)重。當(dāng)墊層的設(shè)計(jì)寬度偏小時(shí)，其側(cè)向膨脹擠出更為明顯。墊層的側(cè)向膨脹和擠出不僅降低墊層的承載力，而且直接加大了基礎(chǔ)的沉降量。墊層的側(cè)向擠出產(chǎn)生的沉降也是不均勻的。

6 結(jié)束語(yǔ)

6.1 對(duì)墊層下的軟弱下臥層，按規(guī)范規(guī)定的方法修正，得到的承載力設(shè)計(jì)值是偏高的，會(huì)使墊層厚度設(shè)計(jì)不太安全。建議不修正或只作少量修正。

6.2 下臥層頂面 按應(yīng)力擴(kuò)散簡(jiǎn)化理論計(jì)算，在數(shù)值和分布范圍上都有較大誤差，致使墊層的厚度設(shè)計(jì)存在明顯誤差，使墊層的寬度設(shè)計(jì)值偏小。

6.3 當(dāng)基礎(chǔ)受偏心荷載作用時(shí)，仍將墊層底面處附加應(yīng)力簡(jiǎn)化為均勻分布的計(jì)算方法，無(wú)論從地基承載力角度還是從變形角度看都不安全。建議根據(jù)荷載偏心的程度對(duì)下臥層承載力設(shè)計(jì)值進(jìn)行適當(dāng)折減。

6.4 地基土在性質(zhì)、變形等方面的不均勻性以及荷載偏心、墊層側(cè)向擠出等因素，都可能引起地基的不均勻沉降，從而影響基礎(chǔ)和建筑物的穩(wěn)定性。

[1]GBS0007-2002.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2002.