浅谈砂石换填垫层法

浅谈砂石换填垫层法的垫层设计摘要:介绍了砂石垫层法处理地基基础的优点，论述了砂石垫层的适用范围及主要作用，并着重对其处理湿陷性黄土的垫层设计要点进行分析。关键词:砂石垫层设计地基要点砂石垫层法是地基浅层处理的一种常用方法，是地基浅层处理的一种常用方法，属于换填法。其原理是先将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉下渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，再分层夯实，作为地基持力层。砂石是良好的换填材料。砂石垫层材料宜选取碎石、卵石、砾砂、角砾、圆砾、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45%），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。对具有排水要求的砂垫层宜控制含泥量不大于3%。当使用粉细砂作换填材料时，应改善材料的级配状况，在掺入不少于总重30%的碎石或卵石使其颗粒不均匀系数小于5,并拌合均匀后，方可用于铺填垫层。砂石的最大粒径不宜大于50mm，并通过试验确定虚铺厚度、振捣遍数、振捣功率等技术参数。一、砂石垫层的适用范围及主要作用就换填材料的不同而言，砂石垫层是现实施工中最常用换填方法，应用范围广泛，主要适用于中小型建筑工程的塘、浜、沟等的局部处理及一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理，不宜用于地下水位较高，且地下水流量大、流速快的地基处理及大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。大量工程实践证明，各种换填材料经过压实换填后都可以提高地基承载力、减少沉降量、加速软弱土层的排水固结、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩等作用，是当前地基处理技术中比较经济可行的方法之一。砂石垫层在浅层地基处理中比由桩体组成的复合地基更快捷、价廉，其作用主要体现在以下三个方面：（1）提高基础底面以下地基浅层的承载力。地基中的剪切破坏是从基础底面下边角处开始，随基底压力的增大而逐渐向纵深发展的，因此当基底面以下浅层范围内可能被剪切破坏的软弱土为强度较大的垫层材料置换后，可以提高承载能力；（2）减少沉降量。一般情况：基础下浅层的沉降量中所占得比例较大。由于土体侧向变形引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大。以垫层材料代替软弱土层，可大大减少这部分的沉降量；（3）加速地基的排水固结。用砂石作为垫层材料，由于其透水层大，在地基受压后便是良好的排水面，可使基础下面的空隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，且可加速垫层下软弱土层的固结及其强度的提高。

二、砂石垫层的设计与计算1、垫层厚度的确定根据《砂石垫层受力示意图》可知，其厚度Z应根据地基承载力确定，即作用在垫层底面处土的自重压力（标准值）与附加压力（设计值）之和不能超过经修正后超挖深度处的地基承载能力。并符合式（3-1）的要求。Pz+P以Vf^ （3-1）式中：p^——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处土的附加压力设计值（kPa）；p——垫层底面处土的自重应力值（kPa）；fC——垫层底面处软弱土层经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。垫层厚度不宜小于0.5米，也不宜小于3米。垫层底面处土的附加压力值可按简化的压力扩散角法计算即假定压力按某一扩散角向下扩散，在作用范围内假定为均匀分布，则可按下式计算：条形基础时：p=*-叩 (3-2)b+2ztan0矩形基础时:= b(P-Pc)矩形基础时:Pz (b+2ztan0)(1+2ztan0)式中：b——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；l——矩形基础底面的长度（m）；P——相应于荷载效应的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）；pc——基础底面处土的自重应力值（kPa）；z—基础底面下垫层的厚度（m）；0——垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，也可查《建筑地基处理技术规范》。备注：当zb<0.25时，除灰土仍取0=30°外，其余材料均取6=0°；计算时，一般先初步拟定一个垫层厚度，再用式（3-1）验算。如不能满足要求，则重新假定一个厚度进行验算，直至满足要求为止。垫层厚度不宜大于3m，太厚工程量大、不经济、施工较困难，而太薄（<0.5m）则换土垫层的作用不显著、效果差。一般垫层厚度为1~2m左右。2、 垫层宽度的确定垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外，还应根据垫层侧面土的承载力，防止垫层向两边挤出。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。垫层宽度的计算，目前还缺乏可靠的理论方法，在工程实践中常按照地区的经验确定或按扩散角法计算。根据《砂石垫层受力示意图》可知：基础垫层的宽度b'=b+2ztan6，基础垫层的长度l'=l+2ztan0而根据所在土质情况，施工时作业面最好超出基底300〜500mm。机械开挖深度大于2m时还考虑宽度b'、l'长度上的放坡系数。式中：b'——砂石垫层的设计宽度；b——钢筋混凝土筏板基础的设计宽度；l'——砂石垫层的设计长度；l——钢筋混凝土筏板基础的设计长度；z——砂石垫层的厚度；6——压力扩散角。整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。垫层底面宽度确定后，再根据基坑开挖所要求的坡度延伸全地面，即得垫层的设计断面。垫层断面确定后，对比较重要的建筑物还要验算基础的沉降，沉降值应小于建筑物的允许值。建筑物基础的沉降包括：一部分是垫层的沉降；另一部分是垫层底下压缩层范围内软弱土层的沉降。垫层厚度变化的处理方法由于土质的变化或为了调整沉降差时，各基础底部的垫层厚度并不相同，当垫层厚度的高差h<1m时，可做成梯形，其水平长度l与垂直高差h的比值为2:1，当相邻的基础一个采用天然基础，另一个采用砂石垫层时，仍应按上述比例做成阶梯形，或者在此两地基之间做一道砖砌或混凝土的隔墙。3、 垫层承载力的确定经换填后处理的地基，由于理论计算方法尚不够完善，垫层的承载力宜通过

现场载荷试验确定。当无资料时，按边数值选用，并应验算下卧层的承载力。可依据压实系数人，按下表进行选择。C换填材料 人 承载力特征值f^（kPa）碎石、卵石 0.94〜0.97 200~300中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾 150〜200备注：卵石或碎石的最大十密度可取20~22N/m3。4、 下卧层承载力验算换填后还应按上式验算垫层下的软弱下卧层承载力是否满足要求。5、 沉降验算对于沿海、沿湖、沿江软土地区，虽然基础持力层经换填后满足了承载力的要求，下卧层承载力经验算也符合要求，但由于存在软弱下卧层，建筑物往往会产生较大的沉降和差异沉降，为使建筑物正常使用，必须对地基沉降进行控制，因此垫层设计尚应进行沉降验算。垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。垫层自身变形垫层自身变形可按下式计算：p+ap z式中：Es-垫层压缩模量，宜由静荷载试验确定，无试验资料时可假定E1为15MPa〜25MPa；也可参照表选用E:砂20〜30碎石、卵石30〜50下卧层变形下卧层变形可用分层总和法按下式计算:SS=甲.p.b，切i=18-8—1 i—Es式中：中-沉降修正系数;8、8i1-沉降计算系数，可查相关规范。其余符号同前。作为粗颗粒的垫层材料与下卧层的较软土层相比较，其变形模量比值均接近或大于10，且回填材料的自身压缩，在建造期间几乎全部完成，因此垫层地基的变形计算可仅考虑其下卧层的变形。但对沉降要求严格的或垫层厚的建筑，应计算垫层的自身变形。三、垫层设计的要点处理湿陷性黄土1）垫层厚度主要目的是消除或减小湿陷量，垫层的厚度主要取决于工程对湿陷量消除的要求。①全部消除湿陷量。非自重湿陷性黄土：满足垫层底部总应力小于或等于下卧层黄土的失陷起始压力的要求。一般垫层厚度等于1.5倍基础宽度始时，可基本消除湿陷量。自重湿陷黄土：全部挖除，因而仅适用于厚度不大的自重湿陷性黄土。②部分消除湿陷量根据建筑物的重要性、基础形式和面积、基底压力大小及黄土湿陷类型、等级等因素综合考虑。2）垫层宽度垫层宽度的大小取决于工程的要求，垫层宽度包括整个建筑物平面时，可消除整个建筑物范围内的部分黄土层的湿陷性，可防止水从室内外渗入地基，保护垫层下未经处理的湿陷性黄土层不致受水侵湿，此时垫层宽度超出外墙基础边缘的距离至少应等于1倍垫层厚度，且不得小于1.5m。对于直接位于基础下的垫层，为防止基底下土层向外围挤出，垫层每边超出基础宽度应不小于垫层厚度的40%，并不小于0.5m。四、结论总之，砂石垫层所需要材料分布广泛，可以就地取材，且利用砂石垫层对地基处理，且有工期短、造价低、效果好等优点，值得推广。但我们同时也要注意施工中要根据建筑物的结果特点、体型、荷载性质和地质条件等综合分析，并严格按国家有关专