石粉墊層用于地基處理時的沉降規(guī)律分析

王 仁 剛

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033)

1 概述

近些年來隨著現(xiàn)代采石場機械化程度不斷增加，其作業(yè)量不斷提高，使得石粉產(chǎn)生堆積或堆填。為了防止石粉粉塵污染環(huán)境或堆填產(chǎn)生次生環(huán)境地質(zhì)災(zāi)害，1995年青島市首先將石粉以新型墊層材料引入了地基處理工程中，隨后在各類工程中廣泛應(yīng)用。從地層上看，青島市整體坐落在花崗巖質(zhì)基巖面上，總體穩(wěn)定性好，建筑地基優(yōu)良；但下伏的花崗巖層埋深不均勻，且部分地區(qū)的基巖面起伏較大，加之多年的人為改造，形成了包括堅硬的花崗巖以及厚度不一的第四系風化土層在內(nèi)的性質(zhì)不一的天然地基。

石粉是各類石料人為切割或粉碎的產(chǎn)物，然而石粉的粒徑范圍國內(nèi)沒有統(tǒng)一規(guī)定。石粉作墊層使用的方法本質(zhì)是地基處理方法中的換填墊層法，而石粉作墊層使用的特點就在于取代了傳統(tǒng)的高造價材料。使建筑廢料作為地基處理中的墊層，不但節(jié)約成本，而且也起到了保護環(huán)境的積極作用。國內(nèi)對于石粉的研究多圍繞石粉本身特性以及石粉墊層的施工展開。肖朝昀等[1]對砂質(zhì)粉土(ASTM標準)的花崗巖石粉進行固結(jié)不排水試驗，得出相對密度或者圍壓的增大會增強該類石粉的抗液化能力。張慧花[2]在控制粒徑配比的條件下，對花崗巖的石粉進行重型擊實試驗，得到該類石粉干密度與粗顆粒含量關(guān)系曲線呈駝峰形，且當擊實前粒徑大于2 mm的顆粒占31%時，干密度最大，分析認為在施工前須有抽檢石粉干密度以及石粉級配的環(huán)節(jié)，確保石粉作墊層使用時的穩(wěn)定性；張敬志和閆韶兵[3]對花崗巖石粉作夯實處理，將夯填度作為變量控制，并進行平板靜力載荷試驗，得到夯填度、地基承載力標準值以及變形模量之間的關(guān)系，通過分析極限荷載與臨塑荷載比值，對石粉墊層的彈塑性進行了分析，認為該類石粉作墊層使用時屬于低壓縮性土。閆韶兵等[4]介紹了輕型動力觸探試驗對于石粉墊層的力學特性反映，分析得出墊層的厚度及上部荷載變化與承載力變化的相關(guān)性，認為在施工時要結(jié)合動力觸探試驗確定石粉墊層的承載力，且其承載力在厚度相同的條件下呈現(xiàn)正態(tài)分布。在施工時要控制石粉的含水量、夯填度等，防止類似“翻漿”現(xiàn)象的發(fā)生。王建軍[5]介紹了青島市浮山新區(qū)建設(shè)期間使用的石粉墊層施工，認為其對比大挖、大填而言節(jié)省了成本，提高了地基質(zhì)量；來慶杰[6]對太原市某處住宅區(qū)進行了地基處理方法的選擇對比，綜合成本、效果等因素認為采用石粉墊層處理可以滿足要求，且不需考慮地基液化的影響；王天麗和張志華[7]對青島市李滄區(qū)某需要處理軟土地基處進行了換填石粉墊層，并計算了墊層厚度，對墊層的施工及檢測進行了分析，認為石粉墊層穩(wěn)定性良好，取材方便，經(jīng)濟合理。

本文結(jié)合青島市浮山北麓一住宅區(qū)工程實例，著重分析了石粉墊層用于地基處理時的沉降規(guī)律。

2 場區(qū)工程地質(zhì)概況及地基處理方法的選擇

該住宅區(qū)位于青島市所轄市北區(qū)浮山地區(qū)的西北部，規(guī)劃占地面積約12.5 km2。所選典型樓座位于一、四、六小區(qū)，其中四小區(qū)、六小區(qū)南北毗鄰，一小區(qū)位于四小區(qū)的西北部，對一小區(qū)和四、六小區(qū)的工程地質(zhì)概況分述如下：

一小區(qū)區(qū)域內(nèi)部有一條南北向沖溝，本次進行沉降觀測的各樓座均位于其內(nèi)及兩側(cè)。溝底土層由新近沉積、稍密的砂土及軟塑為主的粉質(zhì)粘性土組成，沖溝兩側(cè)及下部為中密以上的砂土及上更新統(tǒng)的老黏土，下伏基巖為強風化的花崗巖。除去新填土外，第四系厚度均在8 m以下。由于一小區(qū)地基處理前新近堆填土的厚度變化較大，約1.5 m～7.9 m，且成分混雜，故擬在溝底進一步進行回填，擬回填土最大厚度應(yīng)大于10 m?？傮w而言，一小區(qū)建設(shè)場地人為挖填改造較明顯，地基處理時應(yīng)就場地內(nèi)沖溝的無序性回填、地基土不均勻以及地基承載力低等存在的主要問題進行施工改造。

四、六小區(qū)位于浮山山脈正北部，地貌成因形態(tài)為山前剝蝕斜坡、剝蝕堆積緩坡及侵蝕堆積平原。其中山前剝蝕斜坡基巖呈裸露或半裸露狀態(tài)，第四系覆蓋厚度均小于3 m，地形緩降；剝蝕堆積緩坡地形相對平緩，第四系土層主要為上更新統(tǒng)的老黏土以及中密以上的砂土和碎石土，局部沉積有新近薄層沉積土，第四系覆蓋總厚度為3 m～ 9 m，局部基巖面起伏較大；侵蝕堆積平原則位于小河中下游兩岸區(qū)域，地形平坦，第四系覆蓋厚度一般大于7 m，最厚處約15 m，表層多為新近沉積土且人為改造明顯，故強度較低，下部上更新統(tǒng)的粘性土、砂土以及碎石土的強度較高，地層呈明顯的上軟下硬狀態(tài)，下伏基巖面起伏不大，相對平緩?？傮w來看，四、六小區(qū)地層結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，地形起伏較大，且規(guī)劃的室內(nèi)外地坪與原有地面高差較大，地基處理時局部為大挖大填，故為淺層地基處理使用墊層創(chuàng)造了條件，調(diào)整地基的均勻性及變形協(xié)調(diào)性是地基處理的主要任務(wù)。

工程根據(jù)每棟樓座所處區(qū)域的下臥土層性質(zhì)、基巖面起伏程度等具體特性，將石粉墊層分別與強夯法、粘性土組合使用。與強夯法的結(jié)合使用，使石粉墊層可以抑制面波的松動作用并可以防止粘錘現(xiàn)象，對于現(xiàn)行的強夯施工具有一定的積極意義，而其不足之處便在于夯擊過程中墊層本身也消耗了一部分夯擊能。與粘性土結(jié)合使用的地基中，粘性土以老黏土為主，性質(zhì)穩(wěn)定，承載力高，該類地基處理方法屬于淺層地基處理的范疇，主要是為了減少基礎(chǔ)的埋深，改善地基穩(wěn)定性。

3 地基處理效果

石粉墊層結(jié)合強夯法應(yīng)用的樓座中，石粉墊層的地基承載力范圍為250 kPa～350 kPa，壓縮層厚度范圍為0 m～2.5 m；強夯后地基承載力范圍為90 kPa～250 kPa，壓縮層厚度范圍為0 m～7.7 m。石粉墊層結(jié)合粘性土應(yīng)用的樓座中，地基承載力范圍為250 kPa～320 kPa，壓縮層厚度范圍為0 m～3.1 m，見表1，表2。

表1 石粉墊層結(jié)合強夯法處理后效果表

表2 石粉墊層結(jié)合黏性土處理后效果表

4 沉降數(shù)據(jù)分析

石粉墊層結(jié)合強夯法的應(yīng)用中，石粉墊層小部分是用來充當巖石褥墊，大部分是用來改善強夯地基的不均勻性，減少對夯填土強度及變形的要求，以及在最優(yōu)級配含水量時具有良好的防粘錘功能。

石粉墊層與粘性土結(jié)合的地基，是由于下臥基巖埋深較大，且起伏不明顯，上部土層較厚，故將壓縮性較大的粘性土地基與壓縮性較小的石粉墊層結(jié)合使用，可以減少基礎(chǔ)埋深，協(xié)調(diào)地基穩(wěn)定性，形成屬于淺層地基處理方法的石粉墊層與粘性土地基。

4.1 沉降量與時間的關(guān)系

1)采用強夯與石粉墊層組合地基的樓座，均采用了鋼筋混凝土板帶，基礎(chǔ)寬度一般為1.0 m～2.9 m，實際觀測的總沉降量為0.1 mm～29.8 mm，平均值為4.3 mm～18.4 mm，測點間的局部傾斜在2.3×10-6～9.0×10-4，小于2‰，滿足規(guī)范要求。末次沉降速率在0 mm/d～7.0×10-3mm/d，小于10-2mm/d，符合穩(wěn)定標準要求，顯示末次觀測時建筑物已穩(wěn)定。典型樓座的沉降量與時間的關(guān)系曲線如圖1所示。

2)石粉墊層與粘性土結(jié)合的地基，一般使用的石粉墊層小于3 m，承載力大于240 kPa。采用石粉墊層與粘性土組合地基的樓座基礎(chǔ)應(yīng)用了毛石混凝土條基或獨立柱基，基礎(chǔ)寬度為0.6 m～1.4 m，柱基的柱尺寸為1.4 m×1.4 m～4.9×4.9 m。實際觀測的測點總沉降量為0.2 mm～10.7 mm，各樓座平均沉降量為0.5 mm～7.3 mm，測點間局部傾斜值在2.3×10-5～4.5×10-4之間，最大值小于2‰，滿足規(guī)范要求。末次沉降速率為0 mm/d～1.8×10-3mm/d，最大值小于10-2mm/d，符合穩(wěn)定標準要求，顯示末次觀測時建筑物已處于穩(wěn)定狀態(tài)。典型樓座的沉降量與時間的關(guān)系曲線如圖2所示。

4.2 各樓座平均沉降量的比較分析

圖3為采用兩種地基處理方法處理的各樓座的平均沉降量對比圖，對于石粉墊層與強夯組合的地基，其各樓座平均沉降量的平均值為11.511 mm，標準差為4.544，反映采用該種組合型式的地基各樓座的平均沉降量離散程度較高；對于石粉墊層與粘性土組合地基，其各樓座平均沉降量的平均值為4.819 mm，標準差為1.588，反映采用該種組合型式的地基各樓座的平均沉降量離散程度較低。對比兩種組合型式可以得出，采用石粉墊層與粘性土組合地基的樓座平均沉降量普遍較小，而采用石粉墊層與強夯組合的地基平均沉降量較大且沉降量不穩(wěn)定，故說明在工程地質(zhì)條件合適的情況下，優(yōu)先采用石粉墊層與粘性土組合地基更為穩(wěn)妥。

5 沉降規(guī)律以及基礎(chǔ)的調(diào)節(jié)作用

對于石粉墊層與強夯法共同使用的地基，應(yīng)用的樓座下伏基巖一般呈起伏較緩的“二級階梯”狀，“階梯”高差一般約為2 m。土質(zhì)為粗粒砂和含粘性土的砂質(zhì)土，由于其起伏程度較緩，故使用石粉墊層，一方面作為巖石褥墊層，當處于密實狀態(tài)的石粉墊層厚度為1 m時，雖然石粉墊層的絕對沉降量僅為1.30 mm，但其調(diào)整沉降的作用并不明顯，說明石粉墊層的厚度對于調(diào)整沉降效果的影響仍需進一步研究。另一方面為強夯作墊層，調(diào)整強夯對夯填土強度及變形的要求，厚度為基礎(chǔ)寬度的0.25倍～0.50倍時，其擴散基底壓力作用明顯，能夠有效減少沉降量。從沉降量—時間曲線中可以看出，地基在基礎(chǔ)施工后450 d～540 d基本都達到穩(wěn)定狀態(tài)，沉降速率約為0.002 mm/d～0.024 mm/d，認定其已穩(wěn)定，且符合砂質(zhì)土的沉降規(guī)律。在建筑施工完畢時，地基沉降量約為最終沉降量的84%～87%。且通過分析強夯法與石粉墊層組合地基的最終沉降量，2.30 m的基礎(chǔ)寬度相較于1.70 m的基礎(chǔ)寬度，沉降量可減少1/2左右。即說明了加大基礎(chǔ)寬度可有效減少地基沉降量。

對于石粉墊層與粘性土結(jié)合使用的地基，主要是為了減少基礎(chǔ)埋深，改善地基穩(wěn)定性。從沉降量—時間曲線中可以看出，該種組合方式在本工程中總體沉降量及最大局部傾斜最小，地基強度及均勻性最好。地基在基礎(chǔ)施工后385 d～485 d基本都達到穩(wěn)定狀態(tài)，沉降速率約為0.005 mm/d～0.009 mm/d，認定其已處于穩(wěn)定狀態(tài)。在建筑施工完畢時，地基沉降量約為最終沉降量的65%～75%。

6 結(jié)語

在浮山新區(qū)住宅小區(qū)工程中創(chuàng)新性的使用石粉墊層，拓寬了青島市基巖起伏場地的地基處理的思路，分析認為對于青島市類似本工程的地基處理在嚴格論證其應(yīng)用條件及適宜性的前提下，完全可以采用石粉墊層對地基進行處理，通過實際工程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)，可以得出以下結(jié)論：

1)石粉墊層具有壓縮性小、性質(zhì)均勻、不易對周圍土體產(chǎn)生擾動等特點。

2)采用石粉墊層處理后的地基基礎(chǔ)采用剛性基礎(chǔ)為宜，其變形均勻性好。

3)強夯地基與石粉墊層搭配使用可以較好的調(diào)整基巖起伏場地地基的不均勻性，減弱差異沉降。此外，石粉墊層用作墊層強夯施工時，厚度應(yīng)達到基礎(chǔ)寬度的0.25倍～0.50倍，此時可以明顯的調(diào)整基巖起伏場地地基總體穩(wěn)定性、降低基底附加壓力。另外增加基礎(chǔ)寬度可以有效擴散基底壓力。

4)石粉墊層作巖石褥墊使用時，厚度小于0.5 m為宜，夯填度應(yīng)據(jù)計算的沉降量控制，否則會適得其反。

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