换填垫层法软土地基处理应用

刘福生

(黑龙江省收费公路管理局牡丹江处)

1 作用机理

砂石垫层作为在浅层地基处理中的一种柔性垫层,其作用机理与刚性的灰土垫层、半刚性的素土垫层有一定的区别。砂石垫层除具有刚性垫层的提高承载力、减少沉降量、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩作用外,还有加速软弱土的固结作用、调节不均匀沉降等作用。从土质分类方面来分析,砂石垫层为缺少中间组分的粗粒土,即级配很差的粗粒土。在这种情况下,粒径较大的部分在整个垫层中起骨架作用,而粒径较小的部分存在于较粗颗粒的孔隙之间,在一定的条件下可以在较粗颗粒的孔隙间移动,可起到平衡变形的作用。如包兰铁路在沿线未进行绿化前,铁轨逐渐抬高,就是因为砂粒在火车的来往振动下逐渐进入道渣中间,使其不断抬高所致。另外,砂石垫层作为粗粒土,其比表面积远较粘性土和灰土(细粒土)为小,其化学成分也较简单,表面电荷很少,基本上无极性。因此,粗粒土孔隙度虽说远远小于粘性土,但其对水的吸附及结合作用较小,渗透性系数却往往比细粒土高 2～5个数量级,可以在垫层与地基土的接触面上形成一个良好的水流通道,加速软弱土的排水固结过程。

2 适用范围

砂石垫层多用于中、小型建筑工程的滨、塘沟等的局部处理,也常用于较大基坑或较大回填量的较弱地基土。适用于一般饱和与非饱和软弱土、半土半岩地区及水下黄土处理(不宜用于湿陷性黄土地基)。可有条件地用于膨胀土地基,但不宜用于动力基础下及大面积堆载下的软弱地基,也不宜用于地下水流速快、水力坡度大且涌水量大的地基处理。与灰土垫层相比,砂石垫层最大的好外是可用于饱和土及水下施工,以及可以在一定范围内适用于经浅层处理后仍有可能产生不均匀沉降的场地,而灰土则无法在这几种情况下使用。因此,在山前冲洪积扇、山前丘陵地带、水网密集区和地下水水位较浅的地区,砂石垫层的使用范围远较灰土垫层为广。尤其是在地下水埋深较浅城市的老城区改造中,场地狭小,无法或不宜进行大面积降水(否则将严重威胁到相邻近建筑物的安全)或是涌水量大但水力坡度不太大的地区。

3 垫层设计

3.1 垫层的厚度

垫层厚度 z应根据下卧层的承载力确定,满足 pz+pcZ≤fz。垫层底面附加应力pz可按压力扩散角方法简化计算。

3.2 垫层的宽度

垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求,可按下式计算:b′≥b+2ztanθ,式中:b′为垫层底面宽度;应力扩散角θ:当 z/b＜0.25时取 0°;z/b为 0.25时取 20°;z/b＞0.50时取 30°;在 0.25和 0.50之间用内插法求出。

3.3 垫层的承载力

对于小型、轻型或对沉降要求不高的工程,当压实系数为 0.94～0.97时,承载力标准值可取 200～250 kPa。

4 垫层施工

垫层施工一般应分层铺填、分层压实、分层质量检验。砂石垫层应先确定适当的配比后,再进行施工。一般规范要求的砂石配比为(6～7)∶(3～4)(体积比),但在实际情况中由于砂的成本约为碎石的 4倍左右,所以可以根据当地经验或实际级配试验求得。以直径 2～4 cm的碎石为例,由于其空隙度约在 36%左右,因此最低的用量不应少于此值,可以控制在 40%～45%之间,也就是砂石比在 1∶(2.0～2.2)之间。砂子一般可使用中细砂,要求不含有机杂质,含泥量≤5%(当有排水要求时≤3%),碎石最大颗径应≤5 cm。

施工方法,一般有平振法、插振法、水撼法、夯实法及碾压法等。但在实际施工中,最常用的是平振法。插振法、夯实法和碾压法对下卧层的扰动较大,尤其是在软弱地基或饱和土地基上施工时,易造成地基土大面积破坏或液化,而水撼法在使用时易受到场地条件的限制,且在原地基土含水量较低时,反而可能对地基土造成不利的影响,在施工阶段使地基土强度急剧下降。砂石料拌匀后即可施工。平振法在施工时可在垫层表面洒少量的水,但禁止使用水龙或胶管直接冲刷。一般每层虚铺砂石 25 cm左右,采用平板振动器振实 3～5遍,厚度为 20 cm左右,基本上可满足规范要求。当下卧土特别软弱时,第一层虚铺厚度可增加到 30 cm。

5 质量检验

在垫层施工中必须严格控制垫层的质量,质量检验应采用分层检验法,在每一步均应有纯砂检验点。检验方法有环刀取样法和钢筋贯入法。环刀取样法的优点是可以与规范直接结合,易于判别,但由于砂为散体材料,不易取样,且在运输、实验中极易扰动和破坏,在实际生产中较少用。常用的方法为钢筋贯入法,此法取材简单,测试方便,易于掌握。钢筋贯入工具为直径 20mm,长为 1 250mm的平头钢筋。在纯砂检验点上,先将表层刮去 3 cm,用准备好的钢筋,以 700mm的高度自由落下,测定其贯入深度,若≤5 cm即为满足要求。

6 注意事项

(1)用于处理膨胀土地基时,对于平坦场地上的 I、II级膨胀土,垫层厚度应≥300 mm,宽度不应小于基底宽度,且做好防水处理。

(2)在半土半岩地基上以处理不均匀沉降为主时,垫层厚度应≥500mm。

(3)复合地基承载力的使用,应用修正后的地基土的承载力而不能用砂石垫层的承载力,而者之间往往有较大的差距。

(4)在地下水位以下或附近施工时,由于作法为基本平整的基槽表面先平铺一到两层直径为 20～30cm的毛石,用人工夯逐个夯击,至毛石大部分接触硬地基为止,要求淤泥不能浸没毛石。石缝用纯砂灌实。

(5)用料量的计算,在采用砂石比为 1∶(2.0～2.2)时,由于砂子均存在于碎石的孔隙之间,基本上不占整个垫层的体积,因此在计算用料量时只用算出碎石的用量,再按比例求出砂子用量即可。