砂石垫层法在地基处理中的设计与应用

砂石垫层法在地基处理中的设计与应用前言我国从上世纪50年代中期至今，在建筑、公路、铁路、水利及市政工程中，用砂石换土垫层处理软土地基较为广泛，砂石垫层是一种直接用一定比例的砂石直接置换地基持力层软弱土的处理方法，施工时将基底下一定深度的软弱土挖除，分层回填砂、碎石等强度较大的材料，并加以夯实振密，由于以下原因，砂石垫层的承载力比原来的软弱地基高：（1）用于置换软弱土层的砂石等材料，其抗剪强度指标较高；（2）垫层的压缩性较低，即压缩模量较大，故可减少沉降量；（3）砂石垫层的透水性较大，可以成为下卧饱和软土的排水面，使软土上部的孔隙水压力消散，从而加速软土的固结和软土抗剪强度的提高。此外砂石垫层可以防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用，在季节性土地区，砂石一般没有冻胀性；而用砂石垫层置换膨胀土，可以有效的避免土的胀缩，但是，砂石垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基，因为砂石垫层的良好透水性反而容易引起黄土产生湿陷。大量工程实践证明，砂石材料经过压实换填后可以有效提高地基承载力，减少沉降量、加速软土层的排水固结、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩等作用，在换填材料丰富、土层勘察明确的地区，砂石换填软弱地基的施工方法具有施工简便、成本低、工期短、受天气影响小等特点，是当前地基处理技术中比较经济可行和常用的方法之一。工程概况某小区地下车库工程，建筑面积5500平方米，条形基础，剪力墙结构，长度72米，宽度76米，拟建场地属于河流侵蚀堆积地貌，地势平坦，原为耕作地，勘察结果显示：场地地基土主要以第四纪沼泽沉积淤泥质土为主，上部覆盖少量素填土。第一层素填土，第二层填土呈松散、流塑、软塑状，地基土具有高压缩性，承载力低，属于地基软弱土，不宜作为建筑、构筑物的持力层，而第三层中粗砂，第四层粉质粘土以下的土层呈硬塑状，具有低压缩性，承载力高的特点，是勘察场地内建筑、构筑物良好的持力层，换填部分软弱土可以有效的提高地基的承载力从而达到设计要求，该工程原设计为换填3：7灰土，但是由于基坑开挖时间过长，导致该部分灰土换填施工处于雨季施工，施工无法正常进行，故调整回填材料，将3：7灰土回填变为3：7砂石回填。3砂石垫层的设计计算根据设计要求，处理后的地基承载力特征值必须达到150kpa。采用钢筋混凝土条形基础，作用在基础顶面的荷载Fk=200KN/m，基础宽度1.20m，埋深1.3m。3.1砂石垫层厚度的确定垫层厚度一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于相应截面软弱土的承载力设计值确定。即：pcz+pz≤faz。式中：fz——基层底面处软弱土层的承载力设计值，kpa；pcz——垫层底面处土的自重应力，kpa；pz——垫层底面处土的附加应力，kpa。根据《施工手册》对于条形基础pz=【（p-pc）b】/（b+2Ztanθ），假设垫层厚度Z=1.0m，压力扩散角θ取值如下：换填材料z/b中砂、粗砂、砾砾砂、圆砾砾、角砾、卵卵石、碎石石粘性土和粉土（8＜Ip＜14）灰土0.25＞0.5203062330当z/b＜0.25时，除灰土外仍旧取θ=30o，其余材料均取θ=0o。当0.25＜z/b＜0.5时，θ可内插求得。本工程z/b=1/1.2＞0.5，θ取θ=30o。垫层厚度的验算，基础底面平均压力设计值为：P=（F+G）/b=184.7kpa基底处的自重应力为：pcz=γh=23.4kpa基础底面的附加应力值为：pz=【（p-pc）b】/（b+2Ztanθ）=80.2kpa垫层底面处的自重应力为：pcz=1.8×1.3+17×1.0=40.4kpapcz+pz=120.6kpa≤fz。=150kpa，满足强度要求，垫层厚度可以选定1.0m。3.2砂石垫层宽度b’的确定根据设计规范要求，b’≥b+2tanθ，其中θ仍旧按照上表中进行取值=2.354m，取b’=2.5m，照1：1.5进行放坡开挖。4砂石垫层的施工4.1施工工艺1）采用振动碾压法施工工艺，分段摊铺分层碾压，要求虚扑厚度不大于300mm，上下层错缝搭接宽度应大于2000mm，控制砂石混合料含水量在8%-12%，否则应该洒水或者晾干。2）碾压遍数的确定：控制压路机的工作运行速度，要求行驶速度不大于3km/h，第一遍静压，第二遍低振幅碾压，从第三遍开始在高振幅状态下连续碾压，碾压遍数在6-8遍。4.2施工中应注意的事项1）砂石材料：砂石垫层中的砂应采用粗砂或者中砂，不能采用细砂，碎石应该采用5-40mm的碎石，砂石含泥量应该控制在5%以下。2）基坑局部处理：基坑中局部淤泥、垃圾、杂填土应该清除，采用砂石垫层分层压实处理；对于挖除淤泥的局部深坑，四周应该挖成1：1-1：1.5的阶梯，每级高度控制在0.5m左右，在通过砂石垫层分层夯实，如因垫层下土质差异而是垫层底面标高不一致时，应该将基坑底部挖成阶梯形状，施工时按照先深后浅的顺序进行施工。3）在采用压路机压实，在地下水位以下施工时，应该先采取降低地下水位的措施，使基坑保持无水状态。4．3砂石垫层其他施工方式目前，砂石垫层施工方法有振实法、水撼法、夯实法、碾压法等多种，可以根据砂石材料、地质条件、施工设备等条件选用，具体见下表。砂石垫层施工方法及铺筑厚度、最佳含水率一览表序号捣实方法每层摊铺厚度（mm）施工时的最佳含含水率（%）施工说明备注1平振法200-250015-20用平板振动器往往复震动（宜宜用功率较较大者）。不宜使用细砂或或含泥量较较大的砂。2振捣法振捣器插入深度度饱和1用插入式振捣棒棒。2插入间距可根据据机械振幅幅大小决定定。3不应插入下卧粘粘土层。4插入振捣完毕后后，所留孔孔洞应用砂砂填实。不宜使用细砂或或含泥量较较大的砂。3水撼法250饱和1注水深度应超过过每次铺筑筑面层。2用钢叉摇撼捣实实，插点间间距为100mmm。湿陷性黄土不得得使用。4夯实法150-20008-121用机械夯实（如如蛙式打夯夯机）。2一夯压半夯，全全面夯实。无。5碾压法250-35008-12重量6-15t的压压路机往复复碾压，碾碾压遍数以以达到要求求密实度为为准，一般般为4-6遍，用振振动压实机机械，振动动3-5分钟。1适用于大面积砂砂石垫层。2不宜用于地下水水位以下砂砂石垫层。5质量控制5．1压实度检验1）环刀法：在每层已经压实后的砂石垫层上，进行环刀法分层取样，取样点位置应该在每层2/3压实厚度上，取样后测其密实度，取样频率按照以下要求：满堂基础每50m2取样一处，条形基础30m2取样一处，独立柱基础下垫层每个柱基下取一处。达到合格后方可进行下层施工。2）灌水法：在每层已经施工完毕的砂石垫层上，采用灌水法检验，首先由相关实验室做出砂石最佳级配最大干容重，现场实验人员将现场测定的砂石压实干容重与最大干容重相比进行比较，达到设计要求为合格。达到合格后方可进行下层施工。5．2结果检测1）静载试验：地基换填全部完成后，为确保碾压换填达到设计要求，在已经完成的垫层上，任意选取试验点进行试验进行检测。2）沉降观测：设立沉降观测点，定期进行观测，可每施工一层进行观测一次，进一步