換填墊層地基處理方法設(shè)計(jì)研究

王 琪 蘭州煤礦設(shè)計(jì)研究院有限公司工程師

換填墊層法是一種非常重要的地基處理方式，廣泛應(yīng)用在建筑工程中。該方法的主要運(yùn)用原理是挖除地表淺層中的軟弱土層和不均勻土層，完成后向其中填入硬度較大的材料并壓實(shí)，以形成墊層地基。其中，材料類(lèi)型不同，地基墊層也會(huì)不同，通?？梢苑譃樯皦|層、碎石墊層、粉煤灰和灰土墊層等。換填施工流程較為簡(jiǎn)便，在小型和中型工程的地基處理中應(yīng)用較多。

1 換填墊層法的重要性

首先，在地基土層承載力的提高方面，運(yùn)用該方法所產(chǎn)生的最為直接和關(guān)鍵的作用就是在原有地基土層基礎(chǔ)上全面提高土層的承載力，改變?cè)械耐翆犹匦院徒Y(jié)構(gòu)，針對(duì)性增強(qiáng)土層的強(qiáng)度。在土層強(qiáng)度增強(qiáng)的前提下，后續(xù)施工流程也能夠更加順利的開(kāi)展，減少施工安全隱患，提高施工效率和質(zhì)量。

其次，在建筑物沉降方面，開(kāi)展換填墊層法能夠有效降低建筑的沉降量，在地基處理?yè)Q填法的應(yīng)用下，軟土層內(nèi)部的土體、土質(zhì)都進(jìn)行了更換，原本的土層結(jié)構(gòu)有效轉(zhuǎn)變，土層硬度明顯增強(qiáng)，建筑物在建設(shè)過(guò)程中所產(chǎn)生的沉降問(wèn)題可以得到有效改善。在建筑地基更為牢固的基礎(chǔ)上，建筑物的使用壽命也會(huì)進(jìn)一步提高。

再次，在冰凍氣溫下對(duì)土層造成的損害方面，地基處理?yè)Q填方法的應(yīng)用能夠及時(shí)清理軟土，填入硬度較大的砂石材料起到類(lèi)似疏水層的作用，促使水體不在土層停留。這種情況下的地基含水量可以得到有效控制，整體含水量較低，只有這樣才能有效避免冬天中地基由于含水量過(guò)高而產(chǎn)生冰凍現(xiàn)象，減少破壞。

最后，開(kāi)展換填方法對(duì)周邊環(huán)境造成的污染相對(duì)較低。該方法從本質(zhì)上來(lái)看是對(duì)地基表面的土層進(jìn)行更換，將原本不具備高承載力的土體置換成硬度較大的材料，整個(gè)流程并不涉及化學(xué)反應(yīng)等情況，因此不會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成影響。

2 換填墊層法常用設(shè)計(jì)方法

換填墊層法的設(shè)計(jì)內(nèi)容主要是科學(xué)選擇墊層的具體材料，并明確施工方法，計(jì)算墊層的厚度z以及寬度b、b'。通常，此類(lèi)數(shù)據(jù)必須根據(jù)土層的實(shí)際情況和設(shè)計(jì)需求進(jìn)行換填深度的確定，若土質(zhì)為淺層軟土，且厚度不大，則此類(lèi)工程需提前置換軟土，在軟弱土層的厚度進(jìn)一步加大時(shí)結(jié)合下臥層土的實(shí)際承載力計(jì)算墊層厚度。當(dāng)前應(yīng)用較為普遍的一種計(jì)算方式需提前假定z的厚度，驗(yàn)算后若不能滿足實(shí)際需求，則必須進(jìn)行厚度調(diào)整。但這種方式存在一定缺陷，一旦z的厚度不適合，整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程會(huì)涉及到大量的計(jì)算，耗費(fèi)時(shí)間長(zhǎng)，整體效率較低[1]。

3 換填墊層法的高效簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)方法

換填墊層法在小型、中型建筑工程中的應(yīng)用比較多，針對(duì)淺層地基做出相應(yīng)處理，其計(jì)算參數(shù)主要有基礎(chǔ)底面尺寸、墊層底面尺寸、墊層厚度尺寸等。

3.1 基礎(chǔ)底面各尺寸參數(shù)的簡(jiǎn)化計(jì)算

原有的基礎(chǔ)底面尺寸計(jì)算公式為：

簡(jiǎn)化后的公式為：

式中：A 為基礎(chǔ)底面積，單位m2；Fk為荷載效應(yīng)基礎(chǔ)上建筑上部結(jié)構(gòu)到達(dá)基礎(chǔ)頂面所產(chǎn)生的垂直方向力值，單位kN；Fa為調(diào)整后墊層承載力相關(guān)特征值，單位kPa；γG為基底以上的基層及基層回填土的平均重度，通常取20 kN/m3。

從工程實(shí)踐內(nèi)容上看，各類(lèi)指標(biāo)的常用值，如基底以上的基層及基層回填土的平均重度取值可控制在20 kN/m3左右，墊層厚度可為1 ～2 m，位于基礎(chǔ)底面之上的地基土加權(quán)平均重度也需控制在16 ～18 kN/m3。

3.2 墊層的底面尺寸計(jì)算

從地基處理設(shè)計(jì)規(guī)范中能夠看出，墊層底面部分的下臥層自重應(yīng)力pcz需和附加應(yīng)力pz的總和小于或等于下臥層地基承載力paz，通過(guò)這種方式來(lái)明確墊層的厚度。但pcz、pz、faz都會(huì)隨著厚度z的變化而發(fā)生改變，當(dāng)z增大后，faz、pcz會(huì)相應(yīng)增大，而pz減小。關(guān)于條形基礎(chǔ)、矩形基礎(chǔ)的計(jì)算分別為：

式中：pk為標(biāo)準(zhǔn)荷載組合下基礎(chǔ)地面所承受的平均壓力值，單位kPa；pc為基礎(chǔ)底面部分的土體自重壓力值，單位kPa；θ為壓力擴(kuò)散角，該數(shù)值由換填材料的類(lèi)型和z、b值進(jìn)行確定。

在當(dāng)前階段，普遍采取的設(shè)計(jì)方式是提前假設(shè)墊層的厚度，若不滿足計(jì)算要求，則需對(duì)其厚度進(jìn)行不斷的試驗(yàn)和調(diào)整。因此，簡(jiǎn)明設(shè)計(jì)方式應(yīng)運(yùn)而生，通過(guò)科學(xué)的簡(jiǎn)化方式能夠優(yōu)化換填墊層的設(shè)計(jì)程序，從根本上減少計(jì)算程序，提高計(jì)算效率的基礎(chǔ)上大大降低誤差，確保計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)需求[2]。

3.3 矩形基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化計(jì)算

在矩形基礎(chǔ)的計(jì)算過(guò)程中，各指標(biāo)取常用值后，基底以上的基層及基層回填土的平均重度取值為20 kN/m3，位于基礎(chǔ)底面之上的地基土加權(quán)平均重度可控制在16 ～18 N/m3，基礎(chǔ)底面積控制在2 ～6 m2，經(jīng)計(jì)算矩形基礎(chǔ)為20 kN。

3.4 條形基礎(chǔ)的簡(jiǎn)化計(jì)算

在修正深度后，地基的承載力特征會(huì)收到墊層的底面臥層承載力、下臥層的承載力修正系數(shù)的具體數(shù)值而影響，其中下臥層承載力修成系數(shù)的具體參數(shù)通常選作1.0。

3.5 墊層厚度z 的簡(jiǎn)化計(jì)算

計(jì)算條形基礎(chǔ)時(shí)，在求得b和b'后，根據(jù)b'=b+2ztg可以確定z的數(shù)值。由于z和θ都屬于非常復(fù)雜的分段函數(shù)，必須經(jīng)過(guò)反復(fù)的核算和測(cè)試才能明確z的最終數(shù)值，確保其符合工程設(shè)計(jì)需求。為達(dá)到計(jì)算的簡(jiǎn)化需求，z值的求解必須通過(guò)相應(yīng)的編制程序得出。通過(guò)這種方式可以準(zhǔn)確控制墊層的厚度，避免誤差過(guò)大。矩形基礎(chǔ)可以按照等面積的方式對(duì)z值進(jìn)行確定，通過(guò)驗(yàn)算即可。

4 換填法的適用范圍和地基處理方式

4.1 適用范圍

換填法一般適合在整體荷載力且施工規(guī)模較小的建筑物中運(yùn)用，如堆料場(chǎng)、道路工程或地坪等。需要置換土體，土體的類(lèi)型主要為濕陷性黃土、淤泥質(zhì)土、素填土和暗溝等，最佳置換深度通?？刂圃?.5 ～3 m[3]。

4.2 地基處理方式

4.2.1 機(jī)械碾壓法

在運(yùn)用機(jī)械碾壓法時(shí)，施工人員需充分挖除建筑范圍中的軟土，完成后碾壓基坑的底層。在開(kāi)展碾壓法的施工期間，必須有效控制機(jī)械裝置的運(yùn)作速度，避免破壞土層結(jié)構(gòu)。機(jī)械碾壓速度需控制在2 km/h 以內(nèi)，振動(dòng)壓實(shí)機(jī)裝置的運(yùn)行速度需控制在0.5 km/h 以內(nèi)，碾壓裝置的運(yùn)行速度需控制在3 km/h 以內(nèi)[4]。

4.2.2 重錘夯實(shí)法

起重機(jī)械裝置將夯錘提高距離地面一段距離后自由下落，通過(guò)重力加速度和勢(shì)能轉(zhuǎn)化對(duì)地基進(jìn)行反復(fù)夯實(shí)。在運(yùn)用重錘夯擊法施工期間，需有效控制土體內(nèi)部的含水量，確保土體材料中的水分能夠得到一定的潤(rùn)滑效果，便于土粒的擠壓、密實(shí)[5]。

4.2.3 平板振沖法

平板振沖法的開(kāi)展原理是通過(guò)振動(dòng)壓實(shí)機(jī)裝置，對(duì)無(wú)粘性土體以及粘度較低、透水性能較好的松散土進(jìn)行壓實(shí)來(lái)實(shí)現(xiàn)。施工過(guò)程中，施工人員可以先對(duì)基槽的兩邊進(jìn)行振沖，再振中間區(qū)域。具體的施工效果和填土的成分、作業(yè)時(shí)間等方面有關(guān)，因此在開(kāi)展此方法時(shí)相關(guān)人員需及時(shí)觀察土層情況，避免效果不明顯或?qū)Φ鼗猎斐蛇^(guò)度影響的情況。

4.3 施工要點(diǎn)

4.3.1 素土墊土層

在開(kāi)展地基處理?yè)Q填方法的施工過(guò)程中，相關(guān)技術(shù)人員需根據(jù)換填土層材料的主要類(lèi)型進(jìn)行分析，不同類(lèi)型的土層所涉及到的施工要點(diǎn)不盡相同。當(dāng)換填土類(lèi)型為素土?xí)r，相關(guān)技術(shù)人員需對(duì)素土層的承載力進(jìn)行計(jì)算，使其符合建筑建設(shè)的承載力需求，減少安全隱患的出現(xiàn)。壓縮模量的起重環(huán)節(jié)非常重要，壓縮模量需控制在14.0～30.5 MPa以內(nèi)，同時(shí)需有效控制素土層的含水量，確保含水量范圍為19%～21%。

4.3.2 灰土墊土層

若換填土類(lèi)型為灰土，灰土墊由土體和石灰在一定比例下混合而成，其中石灰和土體的比例為3 ∶7。在達(dá)到該比例后，需要有效控制土層的含水量，確保分層回填以及壓實(shí)環(huán)節(jié)的有序執(zhí)行，避免灰土材料被水浸泡[6]。

5 換填墊層地基處理法的應(yīng)用實(shí)例

隨著人們對(duì)出行速度、舒適度等方面要求的不斷提高，選擇乘坐飛機(jī)出行的人越來(lái)越多，這種情況的出現(xiàn)使得部分地區(qū)機(jī)場(chǎng)機(jī)坪的面積已經(jīng)無(wú)法切實(shí)滿足人們的需要，開(kāi)設(shè)新的機(jī)場(chǎng)或?qū)υ袡C(jī)坪進(jìn)行擴(kuò)容處理成為了極為必要的工作。

5.1 工程概況

某國(guó)際機(jī)場(chǎng)位于黃土地區(qū)，在進(jìn)行機(jī)場(chǎng)機(jī)坪擴(kuò)建現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)檢查時(shí)，發(fā)現(xiàn)施工區(qū)域地基土按照自上而下的方式主要可以被分成4 層：第1 層為填土，主要由素填土與雜填土共同組成；第2 層為粉質(zhì)黏土，與粉土呈現(xiàn)混合狀態(tài)；第3 層為粉土，并含有一定量的黃土狀粉土；第4 層為粉質(zhì)黏土，有著良好的可塑性。盡管經(jīng)過(guò)勘查后發(fā)現(xiàn)該區(qū)域地基整體為濕陷性黃土地基，有相對(duì)穩(wěn)定的力學(xué)性質(zhì)，但由于附近區(qū)域的生活污水被排放到施工場(chǎng)地附近的廢棄田地內(nèi)，導(dǎo)致近年來(lái)該區(qū)域的地下水位在自然地面以下1.5 ～3.5 m，使得該區(qū)域內(nèi)的天然軟土地基濕陷性越發(fā)嚴(yán)重，若實(shí)際施工過(guò)程中未對(duì)地基進(jìn)行合理的處理，那么在機(jī)坪建成后會(huì)出現(xiàn)地基沉陷的問(wèn)題，影響機(jī)場(chǎng)整體的使用安全。

5.2 地基處理

現(xiàn)階段，為切實(shí)實(shí)現(xiàn)擴(kuò)建機(jī)坪地基密度滿足后續(xù)工程施工建設(shè)的需要，在進(jìn)行地基施工時(shí)采用了換填墊層配合沖擊碾壓的方式，提升地基的承載力。

5.2.1 施工方法

本次工程施工過(guò)程中，由于道面結(jié)構(gòu)厚度在5 m 以下，因此開(kāi)展地基處理時(shí)可以按照淺基礎(chǔ)處理方式進(jìn)行施工，并且在設(shè)計(jì)處理方案時(shí)，應(yīng)當(dāng)在保證工程施工質(zhì)量能夠滿足工程施工需要的基礎(chǔ)上盡量節(jié)約工程施工所需的時(shí)間，降低工程施工對(duì)機(jī)場(chǎng)正常運(yùn)作產(chǎn)生的影響。在明確上述要求后，本次工程地基施工時(shí)綜合應(yīng)用了換填墊層法與碾壓法，將墊層配片的石粒徑控制在60 cm 以內(nèi)，不均勻系數(shù)大于5，石料的抗壓系數(shù)也需控制在2.0 MPa 以上，保證墊層密度能夠滿足工程施工的需要，避免施工活動(dòng)對(duì)周邊舊道面產(chǎn)生的擾動(dòng)。

5.2.2 換填試驗(yàn)

首先，需要采用現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的方式，確定需要進(jìn)行換填處理的地基厚度。具體來(lái)說(shuō)，在換填施工前，可以先設(shè)置3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)，其中第1 個(gè)試驗(yàn)區(qū)為水穩(wěn)層下挖1.0 m，試驗(yàn)區(qū)的面積共700 m2；第2個(gè)試驗(yàn)區(qū)為水穩(wěn)層下挖1.2 m，試驗(yàn)區(qū)的面積共570 m2；第3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)為水穩(wěn)層下挖1.5 m，試驗(yàn)區(qū)的面積共570 m2。并且在各試驗(yàn)區(qū)下挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高后，按照預(yù)設(shè)的試驗(yàn)區(qū)換填厚度對(duì)其進(jìn)行分層填筑壓實(shí)處理，然后用沖擊壓路機(jī)對(duì)試驗(yàn)區(qū)域地基進(jìn)行沖擊碾壓處理。

其次，在碾壓工作完成后，分別用灌水法、平板荷載實(shí)驗(yàn)、靜載試驗(yàn)等方法測(cè)定3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)地基土的固體體積率、地基承載力等。并且為保證測(cè)試結(jié)果的準(zhǔn)確性，在進(jìn)行地基土性質(zhì)測(cè)試時(shí)需要在每個(gè)試驗(yàn)區(qū)設(shè)置一個(gè)固體體積率測(cè)定點(diǎn)，兩個(gè)地基承載力測(cè)試點(diǎn)。

再次，在測(cè)得3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)具體地基數(shù)據(jù)后，可以將數(shù)據(jù)信息與《民用機(jī)場(chǎng)水泥混凝土道面設(shè)計(jì)規(guī)范》（MH/T 5004—2010）的相關(guān)規(guī)定進(jìn)行比對(duì)，經(jīng)過(guò)比較分析后可以發(fā)現(xiàn)，二類(lèi)E 級(jí)飛行區(qū)基層頂面反應(yīng)模量應(yīng)大于80 MN/m3。在對(duì)測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算分析后可以發(fā)現(xiàn)，上述3 種換填厚度下基層頂面的反應(yīng)模量都符合這一要求，但對(duì)3 種換填厚度下地基土的固體體積率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析后發(fā)現(xiàn)，只有換填厚度1.2 m 與1.5 m 的試驗(yàn)區(qū)域固體體積率大于83%，因此在對(duì)地基進(jìn)行換填墊層處理時(shí)，墊層的厚度可以為1.2 m 或1.5 m。

最后，考慮到工程施工成本與施工進(jìn)度要求，在進(jìn)行地基換填墊層時(shí)，可以將換填的厚度控制為1.2 m，以便在滿足工程施工質(zhì)量要求的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)工程施工成本與進(jìn)度的有效管控。

5.2.3 效果分析

為進(jìn)一步了解地基換填墊層的施工方法及對(duì)軟土地基濕陷性改良的效果，在該機(jī)場(chǎng)地基施工完成后對(duì)3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)域進(jìn)行自然沉降觀測(cè)，可發(fā)現(xiàn)：第一，3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)經(jīng)過(guò)地基處理后的起始觀測(cè)高程越高，換填深度越深；第二，第2 個(gè)和第3 個(gè)試驗(yàn)區(qū)的觀測(cè)點(diǎn)在第6 d 達(dá)到了最大沉降值，而第1 個(gè)試驗(yàn)區(qū)在第7 d 才達(dá)到最大沉降值，從中可以了解到，第1個(gè)試驗(yàn)區(qū)消除軟土地基濕陷性的效果相對(duì)較弱；第三，對(duì)擴(kuò)建后的機(jī)坪使用效果進(jìn)行分析后可了解到，地基換填墊層方法使用效果較好。

6 結(jié)論

在建設(shè)期間，地基換填墊層方法的應(yīng)用效果受到廣泛認(rèn)可，但現(xiàn)階段還存在計(jì)算工作量較大、錯(cuò)誤率較高的情況，而簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法、能妥善解決此類(lèi)問(wèn)題。簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)方法有效結(jié)合了計(jì)算曲線，能更加準(zhǔn)確地計(jì)算地基底層的尺寸和墊層的面積、厚度等數(shù)據(jù)，為建設(shè)人員提供更加充分的技術(shù)支持和數(shù)據(jù)支持。