浅论砂石垫层在换填地基中的应用

浅论砂石垫层在换填地基中的应用
【摘要】文章论述了换填机制砂（砂石）垫层在地基处理中的应用，供业内人士参考。

【关键词】软土；砂石；垫层
砂和砂石地基（垫层）系采用砂或砂砾石（碎石）混合物，经分层夯（压）实，作为地基的持力层，提高基础下部地基的强度，并通过垫层的压力扩散作用，降低基础的压应力，减少变形量，同时底层可起到排水作用，地基土中孔隙水可以垫层快速排出，能加速下部土层的沉降与固结。

1、砂石垫层的适用范围和主要作用
2.1 砂石垫层的适用范围
砂或砂砾石（碎石）地基应用范围广，并在实际工程中得到了广泛的应用。

主要适用于：中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理；适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理；对于房屋建筑工程，此法适用于3.0m 内的软弱、透水性强的黏性土层地基，包括淤泥、淤泥质土；垫层厚度一般在0.5～2.5m 之间为宜，若超过3m，则费工费料，施工难度也较大，经济费用高；若小于0.5m，则不起作用。

不宜用于加固湿陷性黄土地基及渗透系数小的黏性土地基；地下水位较高，且地下水流速快、流量大的地基处理；不宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。

2.2 砂石垫层对于地基处理的主要作用
2.2.1 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置换为强度较大的垫层材料置换后，可以提高地基承载能力；
2.2.2 减少沉降量。

一般情况，基础下浅层的沉降量在总沉降量中所占比例较大。

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；
2.2.3 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。

2、砂石垫层设计要点
垫层厚度Z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定（垫层内应力分布见图1），并应符合下式要求：PZ+PCZ ≤faz，
式中PZ—相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；
PCZ—垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
faz—垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。

PZ可根据基础不同形式按扩散角原理简化计算，公式如下：
条形基础简化公式（1）如下：
矩形基础简化公式（2）如下：
式中b—条形基础或矩形基础底面的宽度（m）；
l—矩形基础底面的长度（m）；
p—基层底面压力（kpa）；
pc—基础底面处土的自重压力值（kpa）；
z¬—基础底面下垫层的厚度（m）；
θ—垫层的压力扩散角；
砂垫层底面处的附加应力，按压力扩散角θ的概念考虑，当垫层厚度不小于基础一半宽度（z/b≥0.5）时，对于砾、粗和中砂取θ=30º；其它颗粒较细的材料，可取θ=23º。

在按照上述公式（1）确定垫层厚度时，需要用试算法，即预先估算一个垫层的厚度，再按照公式（2）校核，如不能满足要求时，再增加垫层厚度，直到满足要求为止。

在工程实践中，一般取厚度z=1～2m(约0.5～1.0倍基础宽度),厚度太小时作用不大，厚度太大时（在3m以上时）费工费料，施工困难，也不够经济（特别是在地下水位较高时），最好根据计算及当地经验来选择垫层的厚度。

3、砂石垫层材料要求和施工要点
3.1 材料要求
3.1.1 砂。

宜采用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂或粗砂，当选用细砂、粉砂时，应掺加粒径20～50mm的卵石（或碎石），掺的碎石或卵石量不少于总重30%，且要分布均匀，施工时，为防止含尘过多，可事先冲洗干净后，再与粗砂混合搅拌均匀使用。

砂中有机质含量不超过5%，含泥量应小于5%，兼做排水垫层时，含泥量不得超过3%。

3.1.2 砂石。

用自然级配的砂砾石（或卵石、碎石）混合物，粒级应在50mm 以下，其含量应在50%以内，不得含有植物残体、垃圾等杂物，含泥量小于5%。

3.2 施工要点
3.2.1 基坑开挖时应避免坑底上层受扰动，可保留约200mm 厚的土层暂不挖去，侍铺填垫层前再挖至设计标高。

3.2.2 铺设垫层前应验槽，将基底表面浮土、淤泥、杂物清除干净。

两侧应设一定的坡度，防止振捣时塌方。

3.2.3 垫层底面标高不同时，土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序施工，搭接处应夯压密实。

分层铺设时，接头应做成斜坡或阶梯形搭接，每层错开0.5m～1.0m，并注意充分捣实。

3.2.4 人工级配的砂砾石，砂石均需机械拌和均匀后方可分层夯填，每层铺设厚度应小于300mm，如采用大型碾压机械，其铺设厚度可控制在500mm 以内。

3.2.5 换填垫层施工应注意基坑排水，除采用水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采用降低地下水位的措施。

同时为防止下雨造成边坡塌方，施工作业前应在基坑内及四周采取排水措施，从而确保边坡稳定；
3.2.6 垫层铺设时，严禁扰动垫层下的软弱土层，防止其被践踏、受冻或受水浸泡，降低其强度。

在碎石或卵石垫层底部宜设置150～300mm 厚的砂垫层或铺一层土工织物，以防止软弱土层表面的局部破坏，同时必须防止基坑边坡坍土混入垫层。

如基底尚存在较小厚度淤泥质土，为防止夯实或碾压时冒出泥浆或脱层，在碾压荷载下抛石能挤入该层底面时，采用抛石挤密挤淤处理，即在软弱土面上回填块石、片石等，然后将
其压入以置换和挤出软弱土，再做垫层；
3.2.7 垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。

4、砂石垫层施工质量检验
垫层的施工质量检验必须分层进行，即每夯压完一层，检验该层的平均压实系数。

检验方法常用的有环刀法、贯入法、灌砂法、灌水法、静力试验等。

当其干密度或压实系数符合设计要求后，才能铺填上一层。

垫层施工完毕后，除检验施工质量外，还须对地基强度或承载力进行检验，检验方法可选择贯入试验、静（动）力触探、十字板剪切强度和静载荷试验，检验数量，对大基坑每50㎡～100㎡不应少于1个检验点或每100㎡不少于2点；对基槽每10m～20m不应少于1个点；每单位工程不应少于3点；每一独立基础下至少应有1点。

5、结语
采用砂石垫层进行软土地基处理，应根据建筑物体型、结构特点、荷载性质和地质条件等综合分析，严格按国家有关专门规定进行换填材料选择、换填垫层设计（包括承载力和变形控制）及精心施工，这样才能使地基承载力得到较大的提高，使砂石垫层充分发挥它在工程软弱地基处理中的作用。

注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。