软土地基砂石垫层处理及施工要点

摘要:本文介绍了软土地基处理中砂石垫层置换的所起作用，置换垫层厚度和宽度的确定，以及施工方法及在施工中要注意的问题。

关键词:砂石垫层;承载力;质量检测

Abstract: This paper describes the role played by the treatment of Soft Soil Foundation Replacement sand-gravel cushion, determining cushion thickness and width, as well as the construction method and the construction should be pay attention to the problem.

Key words: gravel cushion; bearing capacity; quality inspection

中图分类号：TU472.2+1文献标识码：A文章编号：

换土垫层是一种直接置换地基持力层软弱土的处理方法。施工时将基底下一定深度的软弱土层挖除，分层回填砂、碎石等强度较大的材料，并加以夯实振密。回填材料有多种，但其作用和计算原理基本相同。换土垫层是一种较简易的浅层地基处理方法，并已得到广泛的应用，处理地基时，宜优先考虑此法。换土可用于单独的基坑、基槽，也可用以满堂整体置换。下面以软弱地基下进行砂石垫换填地基处理进行浅述。

砂石垫层的作用明确，设计方便，但其承载力在相当程度上取决于施工质量，因此必须精心施工。如设计要求合适，施工质量保证，地基承载力标准值可达150~180Kpa，甚至更高；而当设计不当或施工质量不理想时，则只能达到120 Kpa左右。

一、砂石垫层的作用

砂石垫层的承载力比原来的软弱地基高，其原因是：

1、用于置换软弱土层的材料，其抗剪强度指标较高；

2、垫层的压缩性较低，即压缩模量较大，故可减少基础的沉降量。一般来说，直接位于基础底面以下的土层的压缩性对基础沉降量的大小影响较大，如条形基础，在相当于基底宽度大小的深度范围内土的压缩量约占基础总沉降量的一半左右。此外，由于垫层的应力扩散作用，传递到垫层下方下卧层的压力减少，也会使下卧层的压缩量减少。

3、砂石垫层的透水性较大，可成为下卧饱和软土的排水面，使软土上部的孔隙水压力消散，从而加速软土的固结和软土抗剪强度的提高。

4、砂石垫层可以防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用。在季节性土地区，砂土一般没有冻胀性；而用砂垫层置换膨胀土，可以有效地避免土的胀缩。必须指出，砂垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基，因为砂垫层的良好透水性反而容易引起黄土产生湿陷。

二、砂石垫层的设计

砂石垫层的设计应满足建筑物对地基承载力和变形的要求。具体来说，设计内容包括选择垫层截面的厚度和宽度以及垫层的密实度。

1、垫层厚度的确定

根据《砂石垫层受力示意图》可知，其厚度Z应根据地基承载力确定，即作用在垫层底面处土的自重压力(标准值)与附加压力(设计值)之和不能超过经修正后超挖深度处的地基承载能力。并符合式(1)的要求。

Pz+Pcz≤Faz (1)

式中：Pz——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处土的附加压力设计值（kPa）；

Pcz——垫层底面处土的自重应力值（kPa）；

Faz——垫层底面处软弱土层经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。 垫层厚度不宜小于0.5米，也不宜大于3米。

垫层底面处土的附加压力值可按简化的压力扩散角法计算即假定压力按某一扩散角向下扩散，在作用范围内假定为均匀分布，则可按下式计算：

条形基础时：Pz = b(P-Pc)/(b+2z tanθ) (2)

矩形基础时：Pz = bl(P-Pc)/((b+2z tanθ)(1+2z tanθ ))(3)

式中： b——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；

l——矩形基础底面的长度（m）；

p——相应于荷载效应的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）； Pc——基础底面处土的自重应力值（kPa）；

z——基础底面下垫层的厚度（m）；

θ——垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，也可查《建筑地基处理技术规范》。

备注：当z/b

计算时，一般先初步拟定一个垫层厚度，再用式（1）验算。如不能满足要求，则重新假定一个厚度进行验算，直至满足要求为止。垫层厚度不宜大于3m，太厚工程量大、不经济、施工较困难，而太薄（

2、垫层宽度的确定

垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外，还应根据垫层侧面土的承载力，防止垫层向两边挤出。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。垫层宽度的计算，目前还缺乏可靠的理论方法，在工程实践中常按照地区的经验确定或按扩散角法计算。

根据《砂石垫层受力示意图》可知：基础垫层的宽度b'= b+2z tanθ，基础垫层的长度l'= l+2z tanθ，而根据所在土质情况，施工时作业面最好超出基底300～500mm。机械开挖深度大于2m时还考虑宽度b'、l'长度上的放坡系数。

式中：

b'——砂石垫层的设计宽度；

b——钢筋混凝土筏板基础的设计宽度；

l '——砂石垫层的设计长度；

l——钢筋混凝土筏板基础的设计长度；

z——砂石垫层的厚度；

θ——压力扩散角

整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。

垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。

垫层底面宽度确定后，再根据基坑开挖所要求的坡度延伸至地面，即得垫层的设计断面。垫层断面确定后，对比较重要的建筑物还要验算基础的沉降，沉降值应小于建筑物的允许值。建筑物基础的沉降包括：一部分是垫层的沉降；另一部分是垫层底下压缩层范围内软弱土层的沉降。 垫层厚度变化的处理方法，由于土质的变化或为了调整沉降差时，各基础底部的垫层厚度并不相同，当垫层厚度的高差h≤1m时，可做成梯形，其水平长度l与垂直高差h的比值为2:1，当相邻的基础一个采用天然基础，另一个采用砂石垫层时，仍应按上述比例做成阶梯形，或者在此两地基之间做一道砖砌或混凝土的隔墙。

三、砂石垫层的施工要点

1、砂垫层的材料必须具有良好的振实加密性能。其颗粒级配的不均匀系数不能小于5，且宜采用在砾砂、粗砂和中砂。若只用细砂时，宜同时均匀掺入一定数量的碎石或卵石（粒径不宜大于50mm）。人工级配的砂石垫层，应先将砂石按比例拌和均匀后，再行铺填加密。砂和砂石垫层材料的含泥量不应超过5%。作为提供排水边界作用的砂垫层，其含泥量不宜超过3%。

2、在地下水位以下施工时，应采取降低地下水位的措施，使基坑保持无积水状态。如因垫层下方土质差异而使垫层而使垫层底面标高不一时，基坑（槽）底宜挖成阶梯形，施工时按先深后浅的顺序进行，并应注意搭接处的质量。

3、砂垫层施工的关键是将砂石材料振实加密到中密标准（即孔隙比不应小于0.65，干密度不应小于1.55~1.60g/cm3）。如要求进一步提高砂层的质量，宜加大机械的功率。目前，砂垫层的施工方法有振实法、水撼法、夯实法、碾压法等多种，可根据砂石材料、地质条件、施工设备等条件选用，参见附表。施工时应分层铺筑，在下层的密度经检验达到合格要求后，方可进行上层施工。砂垫层施工时的含水量对压实效果影响很大，含水量很低的砂土，碾压效果往往不好；对浸没于水中的砂，效果也差，而以润湿到接近饱和状态时效果最好。

4、砂和砂石垫层施工质量检查，可用环刀取样法和贯入测定法或轻便触探法进行。

（1）环刀取样法：在捣实后的砂垫层中用容积不小于200cm3的环刀取样，测定其干密度，并以不小于该砂料在中密状态时的干密度（单位体积干土的质量）为合格。中砂在中密状态时的干密度，一般可按1.55-1.6t/m3考虑。对砂石垫层的质量检查，取样时的容积应足够大，且其干密度应提高。如在砂石垫层中设置纯砂检查点，则在同样的施工条件下，可按上述砂垫层方法检测。

（2）贯入测定法：采用贯入仪、钢筋或钢叉的贯入度大小来检查砂层的质量时，应预先进行干密度和贯入度的对比试验。如检查测定的贯入度小于试验所确定的贯入度，则为合格。进行钢筋贯入测定时，将直径为20mm，长度1250mm以上的平头钢筋，在砂层面以上700 mm处自由下落，其贯入度应根据该砂的控制干密度试验确定。进行钢叉贯入测定时，用水撼法施工所使用的钢叉，在离砂层面0.5m的高处自由下落，并按试验所确定的贯入度作为控制标准。注意事项，采用环刀取样法和贯入度测定法时，都应将表层较松散的砂层挖除，以保证测定质量。

（3）轻便触探法：即用质量为10kg的穿心锤，使其以500mm的落距自由下落，把尖锥头竖直打入土中，每贯入300mm的锤击数以N10表示。

四、砂和砂石垫层地基承载力检验

根据规范要求，砂和砂石垫层地基施工完成后，应进行地基承载力试验。试验应由具有资质的勘察或质检检测单位进行。

五、 结束语

总之，砂石垫层所需要材料分布广泛，可以就地取材，且利用砂石垫层对地基处理，且有工期短、造价低、效果好等优点，值得推广。但我们同时也要注意施工中要根据建筑物的结果特点、体型、荷载性质和地质条件等综合分析，并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），如此才能更大地提高地基的承载力，充分发挥砂石垫层在工程地基处理中的作用。

参考文献

[1] 郑俊杰：地基处理技术 华中科技大学出版社，2002

[2] 叶书麟：地基处理工程实例应用手册 中国建筑工业出版社 1998