碎石垫层在碎石桩复合地基中的作用

摘要：本文首先论述了碎石桩复合地基受力性状，进而论述了碎石垫层的工作机理，第三分析了碎石垫层在复合地基中的作用，最后阐述了碎石垫层的设计与施工，以供参考。

关键词：碎石垫层；振冲碎石桩；复合地基；作用

振冲碎石桩复合地基作为处理软弱地基的一项技术，具有机具简便、操作简单、质量易控制、成桩迅速、经济实用的优点，随着土木工程建设的迅速发展，碎石桩复合地基技术在软弱地基处理中得到广泛应用。采用振冲碎石桩处理软粘性土地基时，由于浅层松软土体不能满足建筑物的承载力和沉降要求，因此在工程中常采用碎石置换软土的垫层法（又称换土法），以形成高强度（相对软土）的桩柱体来提高承载力和减小沉降的。可以说，碎石垫层在碎石桩复合地基中是必不可少的，没有碎石垫层就不能称其为碎石桩复合地基。

1 碎石桩复合地基受力性状分析

复合地基提高承载里减少变形的作用是依靠桩土协调作用来实现的。复合地基按增强体材料分类可分为：散体材料桩复台地基和柔性桩复台地基。本文只针对散体材料桩进行分析与研究。

碎石桩是依靠桩间土的侧限阻力而成桩的，它既不传递摩擦力也不依靠端承力来承受荷载。散体材料桩承受的竖向荷载有一部分转化为由桩间土承受的水平荷载，使桩间软土的受力状态从原来单纯的垂直向受力状态改变为以水平向受力为主的空间应力状态，这是散体材料桩复台地基的一个重要特性。桩间土抵抗这种水平荷载的阻力随探度的增大而增大，深度为两个桩径范围内的侧向位移比较大，深度超过(2～3)D时，侧向位移可忽略不计。

碎石桩复合地基承载能力决定于两个因素四个方面，一个因素是碎石桩柱体，包括桩体自身的承载力和在荷载作用下及桩间土产生的围压对桩体承载力提高产生的影响两个方面；另一个因素是桩间士，包括桩间土对桩体的侧限能力和桩间土强度通过桩体得以改善的程度两个方面。

碎石桩复合地基变形的组成包括桩体的自身沉降和桩间土的变形两部分。桩体的自身沉降是以桩柱体在荷载作用下的压胀变形为主对于桩间土的变形则是压缩变形为主。复合地基置换率多为0.2-0.4，可近似认为桩、土变形均是由于压缩变形引起的，因此，在荷载作用下，碎石桩复合地基变形可近似认为由桩顶的变形和桩间土表面的变形构成。

2 碎石垫层的工作机理

我们知道，复合地基在竖向荷载作用下，由于桩体的压缩模量远远大于土的压缩模量，桩的变形要小于土的变形，因垫层能够起到协调这种变形的作用，桩体向垫层刺入，构成垫层的颗粒散体材料不断补充到桩间土表面，基础通过挤压垫层和桩间土，使得桩和桩间土始终参与工作，并使桩间土在桩体沉降不断增加的情况下不断发挥其承载力。

3 碎石垫层在复合地基中的作用

3.1垫层能产生卸载拱作用，使复合地基的应力向桩顶集中，荷载经卸载拱传向桩顶，从而使位于卸载拱下面的桩间土所受应力大大减小。

3.2垫层能有效地、合理地调整桩、土应力比，使桩、土应力趋于合理分配状态，从而使复合地基处于平稳状态。

3.3垫层可作为表土排水措施，加速表土的“壳”化，提高表土的强度。

3.4垫层可改善地基与基础的接触条件，使基础――复合地基协调工作，能避免因地基反力不均而造成“脱空”或基础倾斜。

3.5由于碎石垫层材料与桩体材料一致，使碎石桩复合地基工作是通过碎石垫层――碎石桩体――桩间土的协调工作来完成的。

3.6碎石垫层在碎石桩复合地基中是非常重要的，且存在一合理的厚度。试验证明，30-50cm的碎石垫层比较经济、技术合理。

4碎石垫层的设计与施工

4.1设计技术参数

1. 碎石垫层厚度：根据《建筑地基处理技术规范》的规定，振冲碎石桩桩顶应铺设一层20-50cm厚的碎石垫层。一般，垫层厚度应满足下式要求：

Pcx＋Pz≤ƒaz

式中：Pcx――垫层底面处土的自重压力标准值，kN/m2；

Pz――垫层底面处土的附加压力设计值，kN/m2；

ƒaz――垫层底面处土层修正后的容许承载力设计值，kN/m2。

2. 填料采用级配良好、质地坚硬的碎石及粗砂，碎石粒径宜为10-40mm、最大粒径为50mm，并掺入30％的粗砂，砂石的含泥量不大于5％，无杂物。

4.2 施工要点

1.铺筑垫层前，应先行验槽，清除浮土，然后铺设一层15～30mm的粗砂垫层作底层，并用木夯实（不得使用振捣器及其他振动的机具）后，再铺筑碎石垫层，以免坑底软弱土层发生局部破坏而使建筑物基础产生附加沉降。

2.垫层底面宜铺设在同一标高上，若地形高差、垫层厚度变化和深度不同时，地基面应挖成阶梯或斜坡搭接。

3.分段施工时，接头处应做成斜坡状（45°角），每层错开0.5-1.0m，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行；两垫层的厚度高差不得大于1.0m，同时阶梯须符合b小于2h的要求。

4.换填前，应先将碎石与粗砂拌和均匀后，再进行铺填夯实。

5.碎石垫层应采用分层铺筑、分层夯实的方法进行施工，垫层虚铺厚度宜为200-250 mm，铺设的每一个垫层应均匀、平整。然后采用平板振动器后机械式打夯机对虚铺的垫层进行夯实，一般夯实4～6遍，夯实至160mm～180mm，然后铺筑下一层。

6.待铺筑至设计标高后，宜采用6-10吨震动碾压机（振动荷载最大可达到28.5T）进行碾压，并确保其压实系数大于0.96，以提高场地的平整度、密实度。

7.垫层施工时应进行施工监测，对每一层垫层进行压实度测试，质量检验合格后，再往上铺设一层垫层，重复上述步骤，直至设计厚度为止。

8.垫层竣工后，应及时进行基础施工与基坑回填；若不能及时进行基础施工，应对垫层表面用水泥砂浆进行封闭。

9.碎石垫层完成后，垫层质量应进行质量检验，垫层的地基承载力宜根据《建筑地基基础设计规范》及《建筑地基处理技术规范》中有关地基承载力载荷试验的规定、要点进行试验确定。用贯入法测定质量时，用贯入仪、钢筋或钢叉等以贯入度进行检查，小于试验所确定的贯入度为合格。

5 结束语

综上所述，碎石垫层应用于碎石桩复合地基时，具有可产生卸载拱作用，可有效地、合理地调整桩、土应力比，可作为表土排水措施，可改善地基与基础的接触条件，可使复合地基工作是通过碎石垫层――碎石桩体――桩间土的协调工作来完成等作用。实践证明，碎石桩复合地基中桩顶碎石垫层可以非常有效地发挥桩、土的协调作用，减少地基沉降。在相同桩径、桩长及置换率下，有碎石垫层的复合地基的沉降量是无垫层的复合地基沉降量的1/4―1/3，因而要获得最佳经济和技术效果，碎石垫层是必不可少的。

参考文献：

[1]王德斌，常娟娟，银西达，黄质宏.碎石垫层处理软弱地基及其质量控制[J].贵州大学学报（自然科学版），2010，（5）.

[2]谭振宇，刘洪波.碎石垫层在振冲碎石桩复合地基中的应用[J].广东土木与建筑，2003，（3）.

[3]侯挺.振冲碎石桩工程质量因素的试验研究[J].建材技术与应用，2006，（4）.