论地基处理换填垫层法设计的若干问题

摘要：换填垫层法是在工程中广泛采用的一种地基处理方法。根据《建筑地基处理技术规范》提出的设计原则，提出了一种简化的换填垫层设计方法，本文依据换填垫层与其周边软土处于极限平衡状态的基本假定,导出换填垫层承载力设计值与软土强度的关系,并从双层地基应力分布特点角度出发,全面论述换填垫层设计问题。

关键词：地基；换填法；设计；垫层施工

中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：

引言

换填垫层法在建筑工程中广泛应用．换填垫层法是挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法．换填垫层可依换填材料不同，分为碎石垫层，砂垫层，灰土垫层，粉煤灰垫层等．换填垫层施工简便，广泛应用于中小型工程浅层地基处理中。

1、换填垫层是将建筑物基底的软土挖去,代以人工回填的砂(或碎石)作为持力层主要用于荷载不大的软基处理。换填垫层主要作用有三:

(1)减少基础沉降量:沉降量是与地基的附加应力成正比的。紧靠基底区域内的附加应力大,沉降量也大,约60%～70%的沉降是由持力层引起的。换填垫层后,可大大减少基础的沉降量,并可调整地基的不均匀沉降。

(2)增加地基的稳定性:换填垫层实际上象个“船筏式”基础,使建筑物的荷载通过垫层均匀地扩散到垫层侧面及下卧软土上去,减少了软土所受的附加应力,对防止建筑物地基局部应力集中所引起的剪切破坏有一定的作用。

(3)加速软土地基的固结:铺在软土上的换填垫层(特别是砂垫层),一方面缩短了排水距离,另一方面它实际上又是排水层。压缩固结挤出的水分,通过砂垫层渗出,加速了地基的固结,促使地基中由于固结产生的抗剪强度较快地增长,从而提高了地基的稳定性。因此在荷载不大的工业与民用建筑软弱地基处理中,常常作为经济有效的处理办法。

2、换填垫层设计中存在的问题

目前换填垫层设计方法是假定垫层是基础的一部分。首先给定砂垫层厚度,把基底压力扩散到砂垫层底部,将砂垫层底部作为建筑物的“新基础”底面,底面处的附加压力值(以条形基础为例)(见图1)pz按下式计算:

(1)

图1.应力扩散图

垫层厚度Z应根据下卧层的承载力确定,并符合下式要求

(2)

式中:pk为相应于荷载标准组合时基础底面处平均压力值(kPa);pc为基础底面处土的自重压力值;基础底面处附加应力p0为:p0=pk-pc;pcz为垫层底面处土的自重压力;fz为垫层底面处地基承载力设计值;θ为垫层扩散角,对于中密砂垫层,当Z/b≥0.5时,θ=30°;当Z/b

3、换填垫层强度取值与基坑侧土强度关系分析

假定:(1)换填垫层与侧面软土在界面处破坏是由于软土强度不足所致;(2)基础下换填垫层侧面软土各向均质同性。

当换填垫层界面处某点应力等于土的抗剪强度时的临界状态称为极限平衡状态。由土的平面应力理论有

(3)

设中密砂土的φ=30°,代入(3)得

(4)

设换填垫层基坑坡角为β,则在垫层与基坑侧土接触界面上,正应力σs为

(5)

从上式可知:当β=0°时,σx对基坑侧面正应力无贡献,σs=σz+σcz;当β=90°时,σx对基坑侧面正应力贡献最大,σs=σx。

当界面处于极限平衡状态时,将(4)代入(5)式经整理得界面处正应力

(6)

对式(6)求最大值,可令:(σs)′|β=0,得β≈18.435°

即当换填垫层坡角满足β=18.435°时,σs最大,此时sinβ=0.3162,cosβ=0.9487

(7)

理论计算及实测表明,基底应力极限状态约位于基底下b/4处。设换填垫层下b/4与软土面交界处为微元体P,其软土强度为fs′,为保证垫层基坑侧土安全,微元体P接触面上正应力σs′必须满足

(8)

式中:σs′=1.054(σz′+σcz′)。

对于淤泥质软土,当覆盖杂填土时,γ0≈17kN/m3,ηd=1.0,σcz′=γz′,当基坑侧面软土任意一点土自重应力与竖向附加应力不小于砂垫层侧向压缩引起垂直向上应力时,该点强度可近似按各向同性考虑,即

(9)

将(9)、(10)代入(8)式并整理得

(10)

式中:fa为微元体P处基坑侧面软土修正后的地基承载力特征值;fak为基坑侧面软土承载力特征值。当微元体P在基础外边,且z′-d=0.25b时,可近似算得:σz′≈0.35p0,考虑到上硬下软双层地基中点应力分布特点:地基中点应力相应减少,边缘应力相应增大,应力分布总体相对均匀等因素,取σz′≈0.35p0×1.2,即当fak满足下式时

（11）

或

（12）

基坑侧面软土安全;否则就应加大基础宽度,降低p0值,直至满足基坑安全为止。

4、双层地基应力分布的特点

换填垫层属于典型的双层地基,持力层为较硬的砂垫层、砂石垫层、粉石垫层等,下卧层为软弱土层。现以换砂垫层为例来说明。条形均布荷载下地基基础中点下M处(如图2)应力σz的应力系数kE如表1。

图2条形均布荷载下双层地基

表1应力系数kE表

表1中ν为

（13）

式中:E01、E02分别为持力层与下卧层变形模量;μ1、μ2分别为持力层与下卧层的泊松比,对于淤泥质土,变形模量为2.5MPa左右,当其上硬层为中密砂垫层(相当于已分层夯实原砂垫层),且厚度Z不小于基础宽时,变形模量在26MPa以上,ν≥10;ν=5,相当于均质土状况;ν=1时为双层地基,从表1中可以看出:ν越大,应力扩散越明显。

若按扩散法计算砂垫层基底中点附加压力,其大小为(按基宽与砂垫层厚相等计算)θ=30°,pz=0.464p0,按双层地基应力系数法计算,其值为:pz=0.33p0,反算θ=44.6°,差别达40%以上。

由此可见,扩散角法与双层地基应力系数法确实存在一定的差异。

5换土垫层合理设计分析

综上所述,合理进行换土垫层设计,应按以下步骤考虑:

(1)换填垫层自身的强度,这主要通过施工质量与检测来保证。

(2)换填垫层承载力设计值:考虑垫层侧面软土强度作用,按式(12)确定换填垫层p0时,应与换填垫层自身的承载力(换填垫层自身的强度减除土体自重应力)相比较,取两者较小者为换填垫层承载力。此时换填垫层底宽可与基础宽一致,顶宽应根据当地软土基坑开挖放坡经验来确定;由于实际换填垫层坡角一般在70°以上,远大于18.435°,因此垫层侧面软土不仅相对安全,并有一定的有效侧限作用。

(3)换填垫层属于双层地基,其应力分布应考虑双层地基应力分布特点。当换填垫层按规范要求施工,压实系数在0.97以上时,垫层变形模量与下卧软土变形模量差别较大,即可达到E01/E02>10,对应于上表取ν=10.0应力系数值计算,并据此及式

(4)确定换填垫层的厚度。

当垫层厚度不小于基础宽度时,kE≤0.33,即近70%的基础沉降由垫层承担,对于荷载不大的工业与民用建筑(即丙级建筑),可不必进行沉降验算。

结束语

根据笔者多年工作经验及双层地基应力数值解,进行了多次探索与检测,并在理论上予以初步论述,其目的一方面是竭尽所能,完善换填垫层承载力计算理论;另一方面,在大力提倡创造节约型社会的今天,作为一名工程师有责任、有义务为工程建设提供更科学、更经济的设计概念与方法。

参考文献

[1]建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2002．

[2]建筑地基基础设计规范(GBB50007-2002)[S].北京:中国建筑工业出版社

[3]王恩远，吴迈．工程实用地基处理手册[M]．北京：中国建材工业出版社，2005．