砂石换填施工技术在软土地基加固处理中的应用

摘要：砂石换填加固施工因其施工方便、工期短、造价低在软土地基加固处理中得到广泛应用。本文结合笔多年建筑工程技术管理实践，分析介绍了砂石垫层加固处理软弱地基的适用范围和作用，对砂石垫层加固设计与施工要点及质量检测等方面进行了详细阐述；并结合工程应用实例，对其处理软弱地基效果进行了论证分析与评价。

关键词：砂石加固层；软土地基；换填法；加固处理；质量检测

1引 言

在建筑工程中,当地基持力层的承载力满足不了建筑物的要求，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，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰）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，即为换填加固法。砂石加固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，尤其在住宅楼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。

2 砂石换填加固层的适用范围和主要作用

2.1 砂石换填层的适用范围

砂石（砂砾、砂卵石）换填层主要适用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理；适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下地基处理；不宜用于地下水位较高，且地下水流速快、流量大的地基处理；不宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。

对于房屋建筑工程，此法适用于3m内的软弱、透水性强的粘性土层处理；加固层厚度一般在0.5～2.5m之间为宜，若超过3m，则费工费料，施工难度也较大，经济费用高；若小于0.5m，则不起作用。

2.2砂石换填层对于地基处理的主要作用

1)提高基础底面以下地基浅层的承载力。地基中的剪切破坏是从基础底面下边角处开始，随基底压力的增大而逐渐向纵深发展的，因此当基底面以下浅层范围内可能被剪切破坏的软弱土置换为强度较大的垫层材料置换后，可以提高地基承载能力；

2)减少沉降量。一般情况，基础下浅层的沉降量在总沉降量中所占比例较大。由于土体侧向变形引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大。以砂石换填层材料代替软弱土层，可大大减少这部分的沉降量；

3) 加速地基的排水固结。用砂石作为垫层材料，由于其透水层大，在地基受压后便是良好的排水面，可使基础下面的空隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，且可加速垫层下软弱土层的固结及其强度的提高。

3砂石层基础加固设计要点

3.1厚度的确定：

砂石换填层厚度Z应根据需要置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定（垫层内应力分布见图1），并应符合下式要求：

≤ (1)

式中：―相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力设计值（kPa）；

―垫层底面处土自重压力值（kPa）；

――经深度修正后垫层底面处的地基承载力特征值（kPa）。

Pz可根据基础不同形式按扩散角原理简化计算，公式如下：

条形基础：Pz=（2）

矩形基础：Pz=（3）

式中b――条形基础或矩形基础底面的宽度（m）

――矩形基础底面的长度（m）

P――基层底面压力（kPa）

Pc――基础底面处土的自重压力值（kPa）

Z――基础底面下垫层的厚度（m）

θ――垫层的压力扩散角

1-基础；2-砂石层；3-回填土

图1换填层内应力分布图

3.2换填层宽度的确定

换填层的宽度应满足基础底面应力扩散角的要求，可按公式：确定，其中θ为压力扩散角，b为条形基础或矩形基础底面的宽度。底面宽度确定后，再根据开挖基坑要求的坡度延伸至底面，即得到换填层的设计断面，并应满足加固层顶面每边超出基础底面不宜小于300mm。或从加固层底面两侧向上按当地经验要求放坡。大面积整片砂石换填层底面宽度，常按自然倾斜角控制适当加宽。（见图2）

1-柱基础；2-砂或砂石加固层；3-回填土；4-设备基础

a) 柱基础垫层;b) 设备基础垫层

图2砂或砂石垫层示意图

3.3砂石层沉降量验算

建筑物基础沉降量等于加固层自身的变形量和软弱下卧层的变形量，总和为s

（4）

其中：sc为加固层自身变形量，sp压缩层厚度范围内各土层压缩变形之和，a为基底压力扩散系数，δi为第i层土的平均压力系数与基础底到第i层底距离的乘积，为沉降计算经验系数，E1为垫层压缩模量，Esi为软弱下卧层的压缩模量。

4 砂石加固层施工技术与质量检测

4.1材料要求

在施工中一般采用级配良好的、质地坚硬的石屑、中砂、粗砂、跞砂、圆砂、角砾、卵石、碎石等材料，其颗粒的不均匀系数≥5，不含有植物残体、垃圾等杂质、且含泥量不应超过5%。为了保证基底土质良好渗透性，不宜使用含有淤泥杂质的土和砂。通常采用10～40的普通碎石，施工时，为防止含尘过多，可事先冲洗干净后，再与粗砂混合搅拌均匀使用。

砂石加固层是以置换有可能被剪切破坏的软弱地基土质，从而提高地基承载能力，所以它的构造要一定的厚度；同时还应有足够的宽度，以防止向加固垫层两侧挤出。

4.2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。

4.3砂石换填加固层施工质量检测

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。

加固层施工完毕后，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50m2～100m2不应少于1个检验点或每100m2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。

5砂石加固层在地基基础处理应用实例

湖南邵东某5层砖混结构住宅楼,设计等级为丙级，采用墙下钢筋混凝土条形基础，作用与基础顶面荷载为FK=200kPa，基础埋深1.3m，地基形式为32m×12m矩形，土层分布情况是：第一层为粘性素填土，厚1.3m，=18KN/m3；第二层为淤泥质土，厚10m，=17KN/m3，ak=80KPa；第三层为粉土，厚6m，=19KN/m3，ak=180Kpa

rG取20KN/ m3,我们采取换填砂石法使地基承载力达到设计要求（设砂石层ak=150KPa）。

1）确定基础宽度

3）验算能否满足

基底处土的自重压力=18×1.3=23.4kPa所以：层底面处的附加压力： =164kPa ，于是kPa，又=18×1.3+17×1.0=40.4kPa，而kPa =78.1+40.4=118.5KPa=111.6kPa

故：加固层厚度为1.0m，不能满足下卧层承载力要求。

这样就需要重新假设加固层厚度Z，再重复以上2）、3）步计算，直到满足下卧层承载力要求，据此便算得最小层厚度Zmin=1.20m，对应的层宽度b′=2.85m。为了便于施工，我们取基础宽度b=1.5m，层宽度b′=3.0m，层厚度Z=1.20m。

4）加固层的几何尺寸确定后，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）要求，该住宅楼地基应作变形（沉降）计算，由于本加固层换填材料-砂石为粗粒换填材料，所以在地基变形计算中，可忽略加固层自身部分的变形值，该住宅荷载作用下地基变形即为压缩层厚度范围内各土层压缩变形之和。于是可采用如下公式计算地基变形量：

其中：s为地基变形量；δi为第i层土的平均压力系数与基础底到第i层底距离的乘积，ψ为沉降计算经验系数，b为基础宽度，Esi为软弱下卧层的压缩模量。

该住宅为砌体结构，其地基变形特征为基础的局部倾斜，变形允许值为：局部倾斜=0.002；根据该工程具体荷载情况选取1、2、3、4、5、1′、2′、3′、4′、5′十个点作为沉降计算点。（详见下图3）

图3 基础沉降点布置示意图

我们把算出的计算点地基沉降值、相邻两计算点地基沉降差、局部倾斜等数据填入表1：

表1各基础沉降点计算取值

从计算结果可知：该住宅的局部倾斜最大值为0.0009，小于局部倾斜允许值0.002，即地基基础设计满足地基变形要求。

5）地基基础设计完成后，选用中砂掺和粒径为20mm～40mm的普通碎石45%作为加固层铺设材料，施工前认真检查砂、石等材料质量及砂石拌和均匀程度；施工时加固层铺设材料的含水率严格控制在10%-12%，加固层分层铺设，每层铺设厚度为200mm，施工过程中及时检查并严格控制份层厚度、压实遍数、压实系数；采用重200kg的蛙式夯进行夯实，每层夯压5遍。该工程砂石加固层每层施工完毕后，对施工质量进行了检验，检验结果是压实系数均达到设计要求，整个砂石层施工完毕后，经载荷试验检验，地基承载力达到210KPa，满足设计要求，且在该住宅正常使用两年后进行沉降实测，其局部倾斜为：0.0005低于设计的局部倾斜最大值0.0009，显然满足规范规定的地基变形要求。实践证明：砂石换填加固层在该工程软弱地基加固处理中取得了很好的效果。

6结束语

综上所述,采用砂石换填加固法进行软土地基处理，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，使砂石换填加固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》（GB50007-2002）[S]；北京：中国建筑工业出版社，2002。

[3]叶书麟主编《地基处理工程实例应用手册》北京：中国建筑工业出版社，1998。

[4]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）北京：中国建筑工业出版社，2002。

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。