石粉垫层用于地基处理时的沉降规律分析

王 仁 刚

(青岛市勘察测绘研究院，山东 青岛 266033)

1 概述

近些年来随着现代采石场机械化程度不断增加，其作业量不断提高，使得石粉产生堆积或堆填。为了防止石粉粉尘污染环境或堆填产生次生环境地质灾害，1995年青岛市首先将石粉以新型垫层材料引入了地基处理工程中，随后在各类工程中广泛应用。从地层上看，青岛市整体坐落在花岗岩质基岩面上，总体稳定性好，建筑地基优良；但下伏的花岗岩层埋深不均匀，且部分地区的基岩面起伏较大，加之多年的人为改造，形成了包括坚硬的花岗岩以及厚度不一的第四系风化土层在内的性质不一的天然地基。

石粉是各类石料人为切割或粉碎的产物，然而石粉的粒径范围国内没有统一规定。石粉作垫层使用的方法本质是地基处理方法中的换填垫层法，而石粉作垫层使用的特点就在于取代了传统的高造价材料。使建筑废料作为地基处理中的垫层，不但节约成本，而且也起到了保护环境的积极作用。国内对于石粉的研究多围绕石粉本身特性以及石粉垫层的施工展开。肖朝昀等[1]对砂质粉土(ASTM标准)的花岗岩石粉进行固结不排水试验，得出相对密度或者围压的增大会增强该类石粉的抗液化能力。张慧花[2]在控制粒径配比的条件下，对花岗岩的石粉进行重型击实试验，得到该类石粉干密度与粗颗粒含量关系曲线呈驼峰形，且当击实前粒径大于2 mm的颗粒占31%时，干密度最大，分析认为在施工前须有抽检石粉干密度以及石粉级配的环节，确保石粉作垫层使用时的稳定性；张敬志和闫韶兵[3]对花岗岩石粉作夯实处理，将夯填度作为变量控制，并进行平板静力载荷试验，得到夯填度、地基承载力标准值以及变形模量之间的关系，通过分析极限荷载与临塑荷载比值，对石粉垫层的弹塑性进行了分析，认为该类石粉作垫层使用时属于低压缩性土。闫韶兵等[4]介绍了轻型动力触探试验对于石粉垫层的力学特性反映，分析得出垫层的厚度及上部荷载变化与承载力变化的相关性，认为在施工时要结合动力触探试验确定石粉垫层的承载力，且其承载力在厚度相同的条件下呈现正态分布。在施工时要控制石粉的含水量、夯填度等，防止类似“翻浆”现象的发生。王建军[5]介绍了青岛市浮山新区建设期间使用的石粉垫层施工，认为其对比大挖、大填而言节省了成本，提高了地基质量；来庆杰[6]对太原市某处住宅区进行了地基处理方法的选择对比，综合成本、效果等因素认为采用石粉垫层处理可以满足要求，且不需考虑地基液化的影响；王天丽和张志华[7]对青岛市李沧区某需要处理软土地基处进行了换填石粉垫层，并计算了垫层厚度，对垫层的施工及检测进行了分析，认为石粉垫层稳定性良好，取材方便，经济合理。

本文结合青岛市浮山北麓一住宅区工程实例，着重分析了石粉垫层用于地基处理时的沉降规律。

2 场区工程地质概况及地基处理方法的选择

该住宅区位于青岛市所辖市北区浮山地区的西北部，规划占地面积约12.5 km2。所选典型楼座位于一、四、六小区，其中四小区、六小区南北毗邻，一小区位于四小区的西北部，对一小区和四、六小区的工程地质概况分述如下：

一小区区域内部有一条南北向冲沟，本次进行沉降观测的各楼座均位于其内及两侧。沟底土层由新近沉积、稍密的砂土及软塑为主的粉质粘性土组成，冲沟两侧及下部为中密以上的砂土及上更新统的老黏土，下伏基岩为强风化的花岗岩。除去新填土外，第四系厚度均在8 m以下。由于一小区地基处理前新近堆填土的厚度变化较大，约1.5 m～7.9 m，且成分混杂，故拟在沟底进一步进行回填，拟回填土最大厚度应大于10 m。总体而言，一小区建设场地人为挖填改造较明显，地基处理时应就场地内冲沟的无序性回填、地基土不均匀以及地基承载力低等存在的主要问题进行施工改造。

四、六小区位于浮山山脉正北部，地貌成因形态为山前剥蚀斜坡、剥蚀堆积缓坡及侵蚀堆积平原。其中山前剥蚀斜坡基岩呈裸露或半裸露状态，第四系覆盖厚度均小于3 m，地形缓降；剥蚀堆积缓坡地形相对平缓，第四系土层主要为上更新统的老黏土以及中密以上的砂土和碎石土，局部沉积有新近薄层沉积土，第四系覆盖总厚度为3 m～ 9 m，局部基岩面起伏较大；侵蚀堆积平原则位于小河中下游两岸区域，地形平坦，第四系覆盖厚度一般大于7 m，最厚处约15 m，表层多为新近沉积土且人为改造明显，故强度较低，下部上更新统的粘性土、砂土以及碎石土的强度较高，地层呈明显的上软下硬状态，下伏基岩面起伏不大，相对平缓。总体来看，四、六小区地层结构较复杂，地形起伏较大，且规划的室内外地坪与原有地面高差较大，地基处理时局部为大挖大填，故为浅层地基处理使用垫层创造了条件，调整地基的均匀性及变形协调性是地基处理的主要任务。

工程根据每栋楼座所处区域的下卧土层性质、基岩面起伏程度等具体特性，将石粉垫层分别与强夯法、粘性土组合使用。与强夯法的结合使用，使石粉垫层可以抑制面波的松动作用并可以防止粘锤现象，对于现行的强夯施工具有一定的积极意义，而其不足之处便在于夯击过程中垫层本身也消耗了一部分夯击能。与粘性土结合使用的地基中，粘性土以老黏土为主，性质稳定，承载力高，该类地基处理方法属于浅层地基处理的范畴，主要是为了减少基础的埋深，改善地基稳定性。

3 地基处理效果

石粉垫层结合强夯法应用的楼座中，石粉垫层的地基承载力范围为250 kPa～350 kPa，压缩层厚度范围为0 m～2.5 m；强夯后地基承载力范围为90 kPa～250 kPa，压缩层厚度范围为0 m～7.7 m。石粉垫层结合粘性土应用的楼座中，地基承载力范围为250 kPa～320 kPa，压缩层厚度范围为0 m～3.1 m，见表1，表2。

表1 石粉垫层结合强夯法处理后效果表

表2 石粉垫层结合黏性土处理后效果表

4 沉降数据分析

石粉垫层结合强夯法的应用中，石粉垫层小部分是用来充当岩石褥垫，大部分是用来改善强夯地基的不均匀性，减少对夯填土强度及变形的要求，以及在最优级配含水量时具有良好的防粘锤功能。

石粉垫层与粘性土结合的地基，是由于下卧基岩埋深较大，且起伏不明显，上部土层较厚，故将压缩性较大的粘性土地基与压缩性较小的石粉垫层结合使用，可以减少基础埋深，协调地基稳定性，形成属于浅层地基处理方法的石粉垫层与粘性土地基。

4.1 沉降量与时间的关系

1)采用强夯与石粉垫层组合地基的楼座，均采用了钢筋混凝土板带，基础宽度一般为1.0 m～2.9 m，实际观测的总沉降量为0.1 mm～29.8 mm，平均值为4.3 mm～18.4 mm，测点间的局部倾斜在2.3×10-6～9.0×10-4，小于2‰，满足规范要求。末次沉降速率在0 mm/d～7.0×10-3mm/d，小于10-2mm/d，符合稳定标准要求，显示末次观测时建筑物已稳定。典型楼座的沉降量与时间的关系曲线如图1所示。

2)石粉垫层与粘性土结合的地基，一般使用的石粉垫层小于3 m，承载力大于240 kPa。采用石粉垫层与粘性土组合地基的楼座基础应用了毛石混凝土条基或独立柱基，基础宽度为0.6 m～1.4 m，柱基的柱尺寸为1.4 m×1.4 m～4.9×4.9 m。实际观测的测点总沉降量为0.2 mm～10.7 mm，各楼座平均沉降量为0.5 mm～7.3 mm，测点间局部倾斜值在2.3×10-5～4.5×10-4之间，最大值小于2‰，满足规范要求。末次沉降速率为0 mm/d～1.8×10-3mm/d，最大值小于10-2mm/d，符合稳定标准要求，显示末次观测时建筑物已处于稳定状态。典型楼座的沉降量与时间的关系曲线如图2所示。

4.2 各楼座平均沉降量的比较分析

图3为采用两种地基处理方法处理的各楼座的平均沉降量对比图，对于石粉垫层与强夯组合的地基，其各楼座平均沉降量的平均值为11.511 mm，标准差为4.544，反映采用该种组合型式的地基各楼座的平均沉降量离散程度较高；对于石粉垫层与粘性土组合地基，其各楼座平均沉降量的平均值为4.819 mm，标准差为1.588，反映采用该种组合型式的地基各楼座的平均沉降量离散程度较低。对比两种组合型式可以得出，采用石粉垫层与粘性土组合地基的楼座平均沉降量普遍较小，而采用石粉垫层与强夯组合的地基平均沉降量较大且沉降量不稳定，故说明在工程地质条件合适的情况下，优先采用石粉垫层与粘性土组合地基更为稳妥。

5 沉降规律以及基础的调节作用

对于石粉垫层与强夯法共同使用的地基，应用的楼座下伏基岩一般呈起伏较缓的“二级阶梯”状，“阶梯”高差一般约为2 m。土质为粗粒砂和含粘性土的砂质土，由于其起伏程度较缓，故使用石粉垫层，一方面作为岩石褥垫层，当处于密实状态的石粉垫层厚度为1 m时，虽然石粉垫层的绝对沉降量仅为1.30 mm，但其调整沉降的作用并不明显，说明石粉垫层的厚度对于调整沉降效果的影响仍需进一步研究。另一方面为强夯作垫层，调整强夯对夯填土强度及变形的要求，厚度为基础宽度的0.25倍～0.50倍时，其扩散基底压力作用明显，能够有效减少沉降量。从沉降量—时间曲线中可以看出，地基在基础施工后450 d～540 d基本都达到稳定状态，沉降速率约为0.002 mm/d～0.024 mm/d，认定其已稳定，且符合砂质土的沉降规律。在建筑施工完毕时，地基沉降量约为最终沉降量的84%～87%。且通过分析强夯法与石粉垫层组合地基的最终沉降量，2.30 m的基础宽度相较于1.70 m的基础宽度，沉降量可减少1/2左右。即说明了加大基础宽度可有效减少地基沉降量。

对于石粉垫层与粘性土结合使用的地基，主要是为了减少基础埋深，改善地基稳定性。从沉降量—时间曲线中可以看出，该种组合方式在本工程中总体沉降量及最大局部倾斜最小，地基强度及均匀性最好。地基在基础施工后385 d～485 d基本都达到稳定状态，沉降速率约为0.005 mm/d～0.009 mm/d，认定其已处于稳定状态。在建筑施工完毕时，地基沉降量约为最终沉降量的65%～75%。

6 结语

在浮山新区住宅小区工程中创新性的使用石粉垫层，拓宽了青岛市基岩起伏场地的地基处理的思路，分析认为对于青岛市类似本工程的地基处理在严格论证其应用条件及适宜性的前提下，完全可以采用石粉垫层对地基进行处理，通过实际工程中的监测数据，可以得出以下结论：

1)石粉垫层具有压缩性小、性质均匀、不易对周围土体产生扰动等特点。

2)采用石粉垫层处理后的地基基础采用刚性基础为宜，其变形均匀性好。

3)强夯地基与石粉垫层搭配使用可以较好的调整基岩起伏场地地基的不均匀性，减弱差异沉降。此外，石粉垫层用作垫层强夯施工时，厚度应达到基础宽度的0.25倍～0.50倍，此时可以明显的调整基岩起伏场地地基总体稳定性、降低基底附加压力。另外增加基础宽度可以有效扩散基底压力。

4)石粉垫层作岩石褥垫使用时，厚度小于0.5 m为宜，夯填度应据计算的沉降量控制，否则会适得其反。

参考文献:

[1] 肖朝昀，陈志彬，常方强.石粉静态液化特性试验研究[J].土木工程学报，2015，48(Z2)：88-92.

[2] 张慧花.浅谈石粉渣级配的影响分析[J].广东建材，2012(4)：11-13.

[3] 张敬志，闫韶兵.石粉垫层的研究与应用[J].工程勘察，2000(1)：29-31.

[4] 闫韶兵，李主焱，张敬志.石粉垫层的施工与检测[J].工程勘察，2001(1)：12-14.

[5] 王建军.夯实双层结构地基在多层住宅建筑中的应用[J].工程勘察，2000(6)：34，44-45.

[6] 来庆杰.翠馨苑小区地基处理[J].太原科技，2003(2)：46-47.

[7] 王天丽，张志华.石粉垫层的工程应用实例[J].青岛建筑工程学院学报，2002，23(3)：98-100.