砂夹石换填地基处理的设计与应用

摘要：随着科技进步和工程建设事业的不断发展，砂夹石换填地基处理已经得到了越来越广泛的普及和应用，换填垫层与原状软土相比，具有承载力高、刚度大、变形小等优点而且造价低廉，施工简单方便。砂夹石换填属于换填垫层法其中一种，本文从换填垫层法原理、砂夹石换填垫层的应用、砂夹石换填垫层工程实例设计、施工质量检验等方面对砂夹石换填地基处理进行了重点论述。

关键词：换填垫层；应用；设计方法；质量检测

中图分类号：TU2 文献标识码： A

一、换填垫层的原理

在建筑工程中，当建筑物基础下持力层比较软弱，不能满足设计荷载或变形的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，可将基础底面以下一定范围的软弱土层部分全部挖去，然后分层置换成强度较高、透水性强的砂、碎石、石渣、矿渣、粉煤灰以及灰土及素土，或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求的密实度，即为换填垫层法。砂夹石垫层实际上是换填法的一种，是现实施工中常用的换填方法，应用范围广泛，尤其在多层建筑施工中的地基换填及道路路基换填，它具有施工简易、工期短、造价低等优点，但对于体型复杂、整体刚度差、或对差异沉降敏感的建筑，均不得采用浅层换填局部置换的处理方法。

二、砂夹石换填垫层的应用

换填法是将基础底面天然的或后天形成的软弱土层挖去或部分挖去，分层回填强度高、压缩性低且无腐蚀性的砂石、素土、灰土、工业废料等材料，压实后作为基础持力层，常见的有换填砂卵石和灰土法。其中砂夹石主要应用表现为以下几个方面：①砂夹石换填材料属于强度较高的垫层材料，可以有效地提高地基的承载力。②砂夹石换填属于压缩性较低的材料，可减少建筑物的沉降量。③换填透水性较大的材料（砂夹石），可使基础下面的孔隙水压力迅速消散，避免基土的塑性破坏，并可加速垫层下软弱土层的固结及其强度提高。另外换填砂石等材料，因其颗粒粗大、孔隙大、无毛细水现象，可以防止材料受冻而造成的冻胀，如很多建筑物的散水和台阶以及道路的面层下均铺一定厚度的砂石，就是这个道理。④换填法除能满足上述要求外，在对环保要求较高的现代社会，它基本对周边环境不构成噪声、水质污染、大气污染、地面泥浆污染等，只有一定的振动感，但波及范围较小。总而言之，砂夹石垫层可有效提高地基承载力，均化应力分布，调整不均匀沉降，减少部分沉降值，固一般应用于处理基础尺寸不是很大的建筑物基础。

三、砂夹石换填垫层的设计方法

1.砂夹石换填垫层材料的选择

砂石，宜选用级配良好的碎石、软石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，且不含植物残体、垃圾等杂质，当使用粉细砂或石粉时，应掺入不少于总重量30%的碎石或卵石，砂石的最大粒径不得超过50mm，粒径小于2mm的部分不超过总重的9%。

2.换填垫层厚度的确定

置换厚度内垫层的砂石料应具有足够的抗剪强度，能承受设计荷载不产生剪切破坏。所以在设计时着重验算荷载通过一定厚度的垫层后，应力扩散至软土层表面的附加应力与垫层自重之和是否满足下卧层地基承载的要求，即P+ p< f

3.换填垫层宽度的确定

宽度一方面要满足应力扩散的要求，另一方面要防止垫层向两侧挤出，常用经验的扩散角法来确定，即底面宽度b′=b+2ztanθ。地面宽度确定以后，再根据开挖基础所需的坡度延伸至地面，即得到砂垫层的设计剖面。

4.基础沉降的计算

砂夹石垫层剖面确定后，对于比较重要的建筑物还需进行基础沉降的验算，以满足最终沉降量小于设计建筑物的允许沉降值。验算时因换填垫层自身变形非常小可不予考虑，仅按常规的沉降公式计算下卧土层引起的基础沉降。

四、工程设计实例

换填垫层地基处理的设计的主要内容是确定垫层的合理厚度和宽度，并验算地基承载力与稳定性及沉降，既要求垫层具有足够的宽度和厚度以置换可能被剪切破坏的部分软弱土层，并避免垫层两侧挤出，又要求设计荷载通过垫层扩散至下卧软土层的附加应力，满足软土层承载力与稳定性和沉降的要求。以下就某医院综合办公楼工程实例对“砂夹石换填地基处理”设计进行概述。

1.工程概况

某工程场地面积为640O，建筑总面积为1200O，使用功能为综合办公楼，无地下室，地面以上3层，建筑檐口高度12.800m，本工程±0.000绝对高程为3.400，室内外地坪高差为0.30m，基础形式为柱下独立基础，基础截面长度 l=3.2m，宽度 b=3.2m，高度0.8m，基础埋深 H=1.3m，基础底绝对高程为1.800m，基础下20m无地下水，标准组合作用下上部结构传至基础顶面的竖向最大轴力F=2700kN，弯矩M=150KN・m；因相邻基础的距离 D=3.1m>2H（H为相邻基础高差1m）=2m。固不考虑相邻基础对本基础设计的影响。

2.换填垫层材料选择

本工程考虑承载力要求、砂石经济性效益以及施工工艺难易程度，固选取垫层材料为砂夹石，其中碎石、软石占全重的30%～50%，最大粒径不大于50mm，粒径小于2mm的部分不超过总重的9%，不含植物残体、垃圾等杂质，不应采用碳酸盐类材料，依据《建筑地基处理技术规范》条文说明4.25条表6及条文说明4.2.7条表七，可取砂夹石重度为17kN/m3，压缩模量20Mpa，换填垫层承载力特征值：200kPa。

3.砂夹石垫层计算

3.1岩土工程详细勘查报告

由勘查报告可知，本工程项目场地原始地貌为低台地，场地已平整，场地内自上而下分布有回填土、粉质粘土、全风华片岩。

序号 地层名称 层底高程/m 重度 特征值Fak/MPa 压缩模量Ei/MPa

──────────────────────────────────-――

1 回填土 0.800 18.8 60 5.10 ──────────────────────────────────-――

2 粉质粘土 -6.000 18.3 160 8.20

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3 全风化片岩 -9.760 25 300 28.0

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3.2荷载计算

已知=20KN、W=bh/6=5.46m，依据《建筑地基基础设计规范》式5.2.2-2，可得偏心荷载作用下基础底面的平均压力值：P=+=+=205.00kN/m2

P基础底面处土自重的压力值：P=γd=18.8×1.5≈28.20kN/m2。

3.3砂夹石换填垫层厚度计算

对于砂夹石垫层厚度的确定，可先假设一个垫层的厚度或者根据需要置换软弱土层的深度或下卧土层的承载力确定，然后再根据下卧层地基承载力，按公式进行验算，若不符合要求，则改变厚度，重新再验算，直到满足要求为止。

3.3.1砂夹石换填考虑进入稳定持力层500mm，即砂夹石换填至绝对标高0.300m，则选用砂夹石换垫层厚度 Z=1.5m，则Z/b=0.46：则由《建筑地基处理技术规范》表4.2.2，内插求得压力扩散角θ=28.4°，依据《建筑地基处理技术规范》式4.2.2-3：P=经过计算得p=3.2×3.2×（205.00-28.20）/[（3.2+2×1.5×tg28.4°）×（3.2+2×1.5×tg28.4°）]≈78kPa。

3.3.2垫层地面处土的自重压力值=基础顶回填土自重+基础自重+换填砂夹石垫层自重，则p=0.8×18.8+0.8x25+1.5×17≈80kPa。

3.3.3砂夹石换填垫层底修正后的承载力依据《建筑地基基础设计规范》中下式计算，f=f 式5.2.4

其中γ=p/（h+z）= 19.13kN/m3，γ =18.30kN/m3，砂夹石换填垫层底为粉质粘土则根据地勘报告取值为160kpa，同时依据《建筑地基处理规范》3.0.4第2款规定，宽度修正系数为0，深度修正系数为1，所以砂夹石换填垫层底修正后地基承载力为：

f=160+0×18.30×（3.2-3）+1×19.13×（1.6+1.5-0.5）≈ 210kPa

3.3.4依据《建筑地基处理规范》式4.2.2-1可知P+ p=158kpa

3.4垫层地面的宽度计算

3.4.1垫层底面宽度

依据《建筑地基处理规范》式4.2.3计算：b′b+2ztan，式中b为基础宽度，θ为压力扩散角，因Z/B=0.46则由《建筑地基处理技术规范》表4.2.2，内插求得压力扩散角θ=28°带入上式，求得砂夹石垫层最小底面宽度： b′=3.20+2×1.5×tg28.4°≈4.8m

3.4.2垫层顶面宽度

垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm，即b>3.2+0.3+0.3=3.8m，则本工程最小顶面宽度取值不应小于3.8m，但因为地面开挖宽度远大于顶面宽度，固按照底面宽度及放坡大小确定垫层上下开挖宽度。

3.4.3开挖方式

依据施工现场回填土质量，选择合适的坡度选取，或按当地经验制定。如左图所示为基础下换填垫层示意图。

3.5垫层压实标准

应分层、换填压实，每层夯填厚度200～300mm，依据《建筑地基处理技术规范》表4.2.4可得砂夹石压实系数≥0.97，压实系数为土的控制干密度与最大干密度的比值；碎石或软石的最大干密度可取2.1t/m?～2.2t/m?。

五、施工要点

1）砂石均需机械拌和均匀后方可分层夯填；

2）施工前要统一放置标高及清除基层的杂草浮土，同时应严禁搅动下卧层及周边土层；

3）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；

4）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，可在施工前往该处抛石挤密，或将基层压入置换再作底层；

5）应分层分级夯铺，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。

6）当垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘时，应根据建筑物对不均匀沉降的控制要求予以处理，并经检验合格后，方可铺填垫层。

7）垫层施工竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填以防止暴晒及雨水对垫层稳定性的不利影响。

六、施工质量检验

砂石换填加固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。垫层深度不同，底面不在同一标高时，基坑底土面应挖成阶梯状搭接，按先深后浅顺序进行施工，搭接处应夯压密实。分段施工时，接头处应做成斜坡，每层错开0.5m～1.0m，并应夯压密实。

砂夹石垫层施工完毕后，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荷载试验，检验数量，对大基坑每50m～100 m不应少于1个检验点或每100 m不少与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。

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。

参考文献：

[1]牛志荣主编《地基处理技术及工程应用》北京：中国建材工业出版社，2004

[2]《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[S]；北京：中国建筑工业出版社，2011。

[4]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012） 北京：中国建筑工业出版社，2012