砂石垫层承载能力探讨

【摘 要】本文通过对砂石垫层的填料、施工工艺的控制，并从影响垫层承载力的因素方面进行分析，结合地区实践成果，对砂石垫层的承载能力进行印证，为工程建设中如何获得砂石垫层较高的承载力提供借鉴意义。

【关键词】砂石垫层承载力；影响因素；施工工艺

前言

洛阳新区所处的地貌单元大部分属伊洛河Ⅰ级阶地，地层具典型的二元结构，上部3～8m为河流冲洪积形成的黄土状粉质粘土、粉土及粉细砂，其下为卵石层，该卵石层均匀性差，分布不稳定，其中夹较多透镜体状中、粗砂及粉土（或粉质粘土），地基均匀性差。洛阳新区内已建的高层建筑，多采用砂卵石垫层对上部的黄土状粉质粘土、粉土及粉细砂进行换填处理，以下部的卵石层为下卧层，采用筏板基础设计。伴随着高层、超高层建筑的出现，对砂石垫层的承载力提出了更高的要求。因此从砂石垫层的填料、施工工艺的控制等方面入手，以最大潜能挖掘砂石垫层的承载力，对工程建设有着现实的经济效益和社会效应。

1、影响砂石垫层承载力的因素

砂石垫层的材料主要为卵石、圆砾及中粗砂按一定的比例均匀拌和而成。砂石垫层的承载能力主要通过其抗剪强度的大小来反映，土的抗剪强度是由两部分组成，即摩擦强度和粘聚强度，垫层拌和料属粗粒土，通常认为颗粒间没有粘聚强度。粗粒土的内摩擦涉及颗粒之间的相对移动，其物理过程包括如下两个组成部分：一是颗粒之间滑动时产生的滑动摩擦；另一是颗粒之间脱离咬合状态而移动所产生的咬合摩擦。

滑动摩擦是由于颗粒接触面粗糙不平所引起的，与颗粒的形状，矿物组成，级配等因素有关。土粒间的滑动摩擦可用滑动摩擦角фu表示，以石英砂为例，фu值与颗粒组成的关系如图1所示。图中曲线表明，随粒径增大，滑动摩擦角фu反而减小，其原因可能是粗颗粒的重心离剪切面远，受剪切作用，容易产生部分滚动摩擦的缘故。

咬合摩擦是指相邻颗粒对于相对移动的约束作用。当土体内沿某一剪切面产生剪切破坏时，相互咬合着的颗粒必须从原来的位置被抬起，跨越相邻颗粒，或者在尖角处将被颗粒剪断，然后才能移动。总之先要破坏原来的咬合状态，一般表现为体积胀大，即所谓“剪胀”现象，才能达到剪切破坏。剪胀需要消耗部分能量，这部分能量需要由剪切力做功来补偿，即表现为内摩擦角的增大。土愈密，磨圆度愈小，咬合作用愈强，则内摩擦角愈大。

砂石垫层填料母岩的岩性，拌和料的级配及垫层的压实程度都对垫层的抗剪强度产生直接的影响。

1.1填料的成分及级配的影响

采用换填法对地基土进行换填处理时，为节约工程造价，垫层材料应就地取材。卵砾石应采用母岩为硬质岩石的材料，以增强颗粒抵抗被剪断的能力。伊洛河的河漫滩和河道内储藏有大量的砂卵石，为理想的建筑材料，尤其作为换填材料，卵砾石成分主要为石英砂岩、安山岩及玄武岩等硬质岩石，岩块呈中等风化～微风化，单轴抗压强度大于30MPa，在重型机械碾压时不易被碾碎，粗细颗粒重新排列，趋于密实。

砂卵石垫层的材料主要为卵石、圆砾及中粗砂按一定的比例均匀拌和而成，试验表明级配良好的填料在压实后易获得较大的干密度和较好的压实效果。当填料中卵石、圆砾及中粗砂以不同的比例拌和时，即构成不同级配的混合料，当混合料的不均匀系数Cu≥5，且曲率系数Cc=1～3时，为级配良好。级配良好的填料，其中的细颗粒可充分填满粗颗粒的孔隙，填料在压实后可获得较大的干密度。

1.2垫层的均匀性及压实系数

垫层的均匀性包括垫层厚度的均匀性和垫层压实效果的均匀性。同一栋建筑物下的垫层厚度应尽量保持相同，对于厚度不同的垫层，应防止垫层厚度突变；在垫层较深部位施工时，应注意控制该部位的压实系数，以防止或减少由于地基处理厚度不同所引起的差异变形。

垫层的压实效果的均匀性可通过采样点的压实系数和现场原位测试指标的变异性来评价，通常认为变异系数小于0.3为变异性中等以下，为均匀性较好。

垫层的压实效果用压实系数来评价，压实系数为现场取样测定样品的干密度与室内击实试验测定的最大干密度的比值。压实系数愈大则表明垫层的压实效果愈好，垫层的密实度愈大，其内摩擦角愈大。

根据文献[3]及洛阳地区实践经验，垫层的压实系数与压实遍数在一定遍数内呈增大趋势，当超过一定遍数后，压实系数趋于稳定。

1.3下卧层强度的影响

采用换填垫层法进行处理时，垫层的厚度通常控制在3m以内较为经济合理。在垫层厚度一定的情况下，垫层下卧层的强度影响垫层强度的发挥，当下卧层强度较低时，虽然垫层自身的承载能力较高，但受下卧层强度的影响，垫层的承载能力的发挥受到限制，垫层的承载力反而不高。当垫层下卧层的强度较高时，垫层的承载能力可充分发挥，实现较高的承载力。

垫层下卧层强度的验算可按《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002第4.2.1条进行，即下卧层强度应满足规范中式4.2.1-1。

2、提高砂石垫层承载力的实践

笔者根据近年来洛阳新区内数十项高层、超高层建筑采用砂卵石换填法的工程实践，从垫层的填料标准、施工工艺及垫层的质量控制等方面入手，对如何提高垫层的承载能力进行研究，以最大程度的挖掘砂石垫层的承载力。

2.1垫层的施工工艺

洛阳新区内的高层、超高层建筑采用砂卵石换填法对地基进行换填处理，对承载力要求较高时，均采用人工级配砂石。

根据室内、现场试验测试结果，并结合数十栋高层建筑采用砂石垫层进行地基处理的成功经验，砂石垫层在满足以下施工工艺参数的情况下，可实现较高的承载力，满足一般的高层、超高层建筑的工程需要。

（1）填料控制

为达到较好的压实效果，施工过程中应严格按照以下原则控制砂石填料质量：

①配合比采用碎石（2～5cm）：角砾（0.5～2cm）：粗砂（

②最大粒径不超过80mm；

③含泥量低于3%；

（2）施工参数

①使用设备自重18吨以上振动压路机；

②压路机行驶速度≤2km/h；

③每层虚铺厚度30～40cm；

④每层先静压1～2遍，再振压6～7遍

2.2垫层的质量控制

（1）垫层的压实系数

根据规范要求及工程经验，建议砂石垫层的压实系数不小于0.97。

每层垫层施工完成后，可采用埋砂法检测埋砂点试样的干密度。埋砂法试样击实试验试样为粗砂（过5 mm筛），仪器采用重型击实仪。

应分层检验砂石垫层的施工质量；检验点数量每50―100m不应少于1个。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层砂石。

（2）超重型动力触探试验

全部垫层施工完成后，建议采用超重型动力触探试验作为辅助手段对砂石垫层进行检测，监测点应均匀分布，检测深度应至垫层底部。根据数十栋高层建筑的成功经验，砂石垫层的超重型动力触探击数有如下规律：表层0.3m～0.4m为临界深度，在临界深度范围内锤击数随着贯入深度的增加而增大，超过临界深度后，锤击数趋于稳定值，增加速率显著减小。单个检测点的N120锤击数随深度增加而呈现出从上到下渐增的趋势。均匀性较好的垫层，在水平方向上各检测点在相同深度上的锤击数变异性低，单层碾压较为均匀，并且各检测点的平均锤击数变异性低。碾压合格的砂石垫层的密实状态达中密～密实。

（3）现场静载荷试验

全部垫层施工完成后，应采用现场静载荷试验检验垫层的承载力。依据规范要求，每个单体工程不宜少于3点。

在满足以上施工工艺及质量要求的条件下，根据数十栋高层建筑的成功经验，砂石垫层的承载力特征值多数大于500kPa；经砂石垫层处理后的建筑物封顶竣工时，沉降变形已基本完成，实测累计变形量一般为4～10mm，最大15mm。

3、结语

（1）砂石换填为传统工法，工艺成熟，施工质量易于检测和保证；换填碾压后，后期检测不会受龄期限制，手段简单，造价较低，节省工期；为洛阳新区内高层、超高层建筑首选的地基处理方案，对类似的工程有着尝试和借鉴意义。

（2）通过洛阳新区内数十栋高层建筑采用砂石垫层进行地基处理的成功经验，砂石垫层在满足特定施工工艺和质量要求的条件下，可实现较高的承载力，满足一般的高层、超高层建筑的工程需要。

（3）施工时应严格控制配合比及其它施工参数，为了方便施工可以把干质量比换算成体积比进行控制，填料应拌和均匀。建议用18吨以上振动压路机碾压8～10遍，砂石垫层的压实系数不小于0.97。

（4）根据大量采用砂石换填垫层法的成功工程实践，和现行的《建筑地基处理技术规范》有两点明显突破：首先是砂石垫层承载力特征值达到500kPa以上，超越了规范给出的特征值200～300kPa，而且数值上提高幅度较大，这是经过上百项工程经验积累，证明了完全可以超越现行规范；其次，碎石垫层最大厚度已超过5m，已经超越了现行规范中不宜超过3m的规定，施工检测证明，只要单层虚铺厚度严格按照碾压试验要求进行，保证垫层的压实系数，对垫层厚度的超越在实践中也是可行的。

参考文献：

[1] 中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）[s].北京：中国建筑工业出版社，2002.

[2] GB/T50123-1999土工试验方法标准.中国计划出版社，1999.

[3] 刘志伟，张希宏.砂砾石垫层的施工工艺试验研究[J].工程勘察，vol.39 No.6

[4] 赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2003.