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超深砂卵石置换技术在工程中的应用
郑杰平、 陈富仲
( 中建五局三公司 邮编410004)
[提要] 本文主要介绍砂石置换技术的原理及在工程技术中的应用, 主要内容包括: 砂石垫层的原理、 砂石垫层的设计、 施工及应用实例。
[关键词] 地基、 软弱土层、 砂石、 置换、 原理、 设计、 施工
当建筑物或构筑物基础持力层软弱或不均匀, 不能满足上部荷载对地基的要求或可能导致结构物不均匀沉降时, 需对地基进行处理。本文仅就常见的地基处理方法——置换法的原理、 设计、 施工及应用进行简单的介绍。
1 砂石置换技术的原理
砂石置换法是将基础底下一定范围内的软弱土层挖去, 然后以强度较大的砂石进行置换并将砂石分层夯、 压或振动密实, 以期达到提高地基承载力、 减少沉降量、 加速软弱土层的排水固结、 防止冻胀的目的, 满足地基承载的要求。
砂石置换法的主要原理:
a、 提高基础底面以下地基的承载力: 地基的剪切破坏是从基础底面开始, 随着基底压力的增大而逐渐向纵深发展, 因此, 基础底面下可能被剪切破坏的软弱土层为强度较大的砂石置换后, 可避免破坏, 从而提高地基承载力。
b、 减少沉降量: 基础下浅层的沉降量在总沉降量中所占的比例较大, 以密实砂石代替软弱土层, 可大大减少这部分沉降量, 而且砂石垫层对地基中应力起着扩散作用, 使砂石垫层的下卧土层压力减小, 也相应地减少了下卧土层的沉降量。
c、 加速软弱土层的排水固结。由于砂石垫层透水性大, 基础承压时, 可使基础下面的孔隙水压力迅速消散, 避免地基地的塑性破坏, 且可加速砂石垫层下卧软弱土层的固结并提高其强度。
d、 防止冻胀: 砂石垫层材料颗粒较粗, 不会产生毛细现象, 因而防止冻结造成冻胀。
2 砂垫层的设计
砂石垫层的设计应紧密结合现场实际情况, 且符合经济合理的原则, 设计项目有砂石垫层厚度的确定、 砂石垫层宽度的确定、 砂石垫层配合比设计、 挡砂墙设计( 如有必要) 以及防止砂石漏失的措施等内容。
2.1 确定砂垫层的厚度
砂石垫层的厚度满足下式条件
QCZ ＋QZ≤fZ (1)
式中, fZ ——砂石垫层底面处软弱土层的地基承载力设计值( Kpa) ;
QCZ ——砂石垫层底面处的自重压力( Kpa) ;
QZ ——砂石垫层底面处的附加压力( Kpa) ;
对于QZ的计算, 由于砂垫层压缩模量比下弱土层的压缩模量大得多, 因此, 可对条形基础, 矩形基础QZ的计算可简化为:
对条形基础: QZ =b(p-rod)/b+2Ztgθ (2)
对矩形基础: QZ = b(p-rod)/(b+2ztgθ)(l+2Ztgθ) ( 3)
对于QCZ 的计算: QCZ= ro( d+z) (4)
式中b——基础底边宽度( m) ;
l——条形基础长度( m) ;
ro ——基底以上土方的加权平均重度( KN/m3) ;
θ——地基压力扩散角(度)。
将( 4) 和( 2) 或( 3) 式代入( 1) 式即可求得砂垫层的深度Z。
2.2确定砂垫层的宽度
确定砂石垫层宽度的实用方法是扩散角法, 即当砂石垫层厚度为Z, 则垫层按扩散度应不小于b+2Ztgθ,根据开挖基坑所要求的坡度延伸至地面, 即得砂石垫层设计截面。
2.3 确定是否需设置挡砂墙
当出现下列情况之一时, 必须设置挡砂墙。
a 当不能按开挖坡度延伸时;
b 根据扩散角计算, 场地受限制时;
c基坑四周的土太松散, 含水量太大易引起砂石被压进坑壁或砂粒易漏失时;
d 砂垫层的铺筑高度超出地面时;
2.4 砂石垫层配合设计
一般的砂石垫层在进行配合比设计时, 碎石或卵石掺量约占全重量的25%, 以增强砂垫石层的强度和透水性, 碎石或卵石粒径不得大于5cm。
砂石垫层的材料宜选用级配良好, 质地坚硬的砂料, 其颗粒的不均匀系数Cu=d60/d10≥10为最佳, 因此宜采用中粗砂, 且粗砂与中砂的比例应控制在1: 1.5左右。
因此砂卵石垫层的最佳配合比为: 2～4cm卵石( 碎石) : 粗砂( 0.5～2mm) : 中砂( 0.25～0.5mm) : 细砂( 0.075～0.25mm) =2.5: 2.5: 4: 1
2.5 挡砂墙的设计
2.5.1挡砂墙的功能
a满足能够挡住砂的要求, 不倾覆不滑移, 有足够的稳定性, 即具备普通挡墙的功能。
b不能让砂漏失, 即不能让已填筑的砂粒透过挡砂墙漏失掉。
c在特殊情况下, 考虑挡砂墙必须具备透水不透砂的功能。
对于面积较大的整板基础, 当水头差产生的压力大于基底新增附加压力和砂垫层底面自重压力之和时, 砂石垫层以上的建( 构) 筑物将会被托起。即: ρh>p0+QcZ时, 要采取抗浮措施。
2.5.2挡砂墙的设计
挡砂墙设计时, 按照普通挡土墙的计算方法进行设计。
3 砂石垫层施工
3.1 施工工艺
3.1.1施工准备
a 原材料的选用
砂: 采用质坚硬的中粗砂, 含泥量不得大于1%;
石: 采用质地坚硬的2～4cm的卵石或碎石, 含泥量不大于3%,
b 主要机具
拌和机械: 轮胎式装载机
运输机械: 塔吊吊运、 装载机装运、 翻斗车转运
夯实机械: 木夯、 平板振动器、 小型压路机
c 工具
洒水壶、 喷水胶管、 2m靠尺、 小线
3.1.2作业条件
a 设置控制铺筑厚度的标志, 可在基坑中部设水平标准钢筋桩, 四周可在挡砂墙上弹线。
b 采取降排水措施: 可在最低处挖砖砌集水井, 用水泵排水。
c 铺筑前组织有关部门验槽, 清理基坑里的浮土和积水。
3.1.3操作工艺
a 工艺流程: 检查砂石质量 → 分层铺筑砂石 → 洒水湿润 → 压实 → 平板振实 → 找平验收 → 垫层封闭。
3.1.4 施工方法
a 分层铺筑砂石拌合物,每层厚度为250mm ;
b 砂石第一层宜铺设在同一标高上, 对于深度不同部位基土面, 必须挖成阶梯形, 搭接处注意压实, 施工时按先深后浅的顺序进行。
c 分段施工时, 接槎处作成斜坡, 每层接槎处的水平距离应错开0.5～1m , 并充分压实。
d 铺筑的砂石必须级配均匀, 发现砂窝或石子成堆现象, 必须将其挖出, 分别填入级配好的砂石。
e 控制含水量: 铺筑级配砂卵石前, 应根据其干湿程度和气候条件适当洒水, 次保持砂石的最佳含水率控制在12%左右。
f 夯实和振实: 施工过程中, 对于半角部位应采用木夯实, 木夯落距500mm。要一夯压半夯, 将边角压实; 对于中部地带, 条件允许可用小型压路机压实, 一般情况下可用大型平板振动器振实, 振实遍数不少于三遍。
3.1.5找平和验收
a 施工时, 分层找平夯压密实, 并设置纯砂检验点, 用200cm3环刀取样, 测定干砂的密度, 下层密实合格后, 方可进行上层施工。
b 用环刀取100×100×100mm的纯砂, 用干锅将水分蒸干用天平称出干砂质量, 待纯砂取出后, 将不透水的塑料袋放入水坑中, 注水平砂面, 测量纯砂的体积, 即可测得干砂的密度。
c 最后一层压实后, 表面应拉线找平, 直至设计标高。
d 检验合格后, 立即用混凝土垫层封闭。
3.1.6 现场试验
a 干砂密度测定:
用以上方法测定砂石的密度, 每铺筑一层测定一次, 用密度法检查铺筑的密实度,D实测>d设计即为合格。
b 检查挡砂墙透水不透砂功能
可在挡砂墙背的回填土内随机抽取10%点, 挖坑检验是否从挡砂墙中透水。
c 沉降观测
在结构施工时, 建立沉降观测点, 在结构施工的某些阶段进行沉降观测, 当所有荷载加上去后再每间隔一段时间观测一次, 沉降观测的选择在转角处至少设一个, 当回填砂石的深度不同时, 应根据沉降观测值检查是否有不均匀沉降。
4 工程实例
4.1工程概况
灰汤泳馆工程建筑面积8000m2,以游泳池大厅为中心, 泳池大厅长60m, 宽为21m, 净高17m, 内设六泳道游池一个, 泳池长50m, 宽16m, 浅水区深1.4m, 深水区水深4.1m, 相应的池底板厚度从250mm～450mm, 注满水后的总重量为3175t, 设计时, 游泳池基础暂未确定。游泳池两边为三层框架结构, 采用独立柱基。
由于该工程临时改变拟建场地, 临时勘测未作详勘, 因而游泳池基础设计时初步考虑三种方案: 一是采用桩基。二是采用砂桩挤密桩进行地基处理, 三是考虑采用砂石换土垫层。实际施工过程中, 考虑到施工工期及机械等原因, 最终确定采用施工较简单的砂石换土垫层进行游泳池地基处理。
4.2开挖后地基土质情况
本工程在游泳池基坑开挖过程中发现地基土层有风化岩层, 软粘土层, 淤泥质土, 淤泥等四种土质。具体分布情况如下。
a 出现的情况为: 浅水区地基承载力大( 基本为风化岩) 越往深水区, 土质越软。
b 基本沿池体纵向中心线为界, 一边为地基承载力较大的风化岩, 一边为地基承载力小的淤泥质土。

4.3确定各种土层的开挖深度
a对于风化岩部位考虑到砂卵石的置换深度不小于50cm, 故风化岩的开挖深度至底板垫层以下50cm处。
b对于软粘土与淤泥质土之间的土层, 以落差1m, 宽2m放阶开挖( 跌级开挖) 直至挖至淤泥质土。
c基坑开挖剖面图:

4.4 砂卵石置换地基设计
a 垫层厚度验算
开挖过程中, 对于深水区, 表层土为稻田耕植土( 淤泥) , 厚度约1m, 其下为软粘土( 夹杂淤泥) , 厚度约3.5m, 其下为淤泥质土。将淤泥质土表面挖除0.5m即作为砂卵石垫层的持力层, 砂卵石回填最深
部位为4m, 扩散角为23度, 验算是否满足要求。( 如图)

取砂垫层厚度为4m。垫层承载力应进行深度修正
查表知: ηd=1.1
则 fz=fk+ηdro(d+z-0.5)=80+1.1×(1+4 - 0.5)=166.13KPa
Qcz=17.4×(1+4)=87KPa
Qz=b(p – r0d)/b+2ztgθ=1.0×(145—17×1)/1+2×4×tg23=29Kpa
因此Qcz +Qz=87+29=116Kpa﹤fz=166.13kpa
故当最深处砂卵石垫层厚度取4m时, 满足承载力要求。
(2)挡砂墙设计及构造:
根椐挡土墙的设计原理, 计算挡砂墙。
经计算, 挡砂墙采用双层带肋砖砌夹墙, 内填粘土夯实, 之因此选用该种形式的的挡砂墙, 主要是考虑到挡砂墙的两种主要功能, 一是起档墙作用, 二是考虑到砂垫层中的水能自由地从砖砌挡砂墙中流出, 而砂粒不产生漏失, 挡砂墙为保证整体性, 设计三道钢筋砖带, 每5m一个构造柱。( 如图)

c防止不均匀沉降措施
本工程由于地层情况复杂, 游泳池基坑开挖后, 形成深浅不同的两个填层, 风化岩一边回填厚度化0.5m, 而淤泥质土一侧回填厚度为4m, 浅水区置换平均厚度约1m, 而荷载高大的深水区回填厚度得4m, 以上两种情形可引起不均匀沉降。
措施: 在底板下2m以下的范围内统一做稳定层, 使其与风化岩一边的强度相当, 试配稳定层强度取8N/m( 约与风化岩的抗压强度同)
①计算水灰比W/C=K1( fch+K1K2f) =0.48*1.13*42.5/
(8+0.48*0.61*42.5)=1.127
②确定用水量: 由于坍落度很小, 故取l60kg/m3
③水泥用量C0=W0/(W/C)=160/1.127=142kg
④确定砂率: 75%
⑤计算砂的用量:
C0+G0+S0+W0=2360Kg
故G0+S0=2058kg, S0=1543.5Kg; G0=514.5Kg
故拌合物的配合比为 160:514.5:1543.5e=1:3.2:9.6
施工配合比取 1: 3: 10( 干水泥、 卵石、 中粗砂)
稳定层由于采用干水泥与卵石、 粗砂拌合分层回填, 吸收空气水分, 逐渐硬化( 约2天后硬化) , 且强度相当于C8的砼, 内部透水性较好, 经过这一处理, 既满足了底板下砂石垫层厚度基本一致, 又保证了砂石垫层下的地基承载力基本相同。
稳定层以上仍按2.5:2.5:4:1拌和, ( 卵石、 粗砂、 中砂、 细砂)
5、 现场检测
( 1) 档砂墙透水性检测
砂石垫层铺筑后, 立即进行了砼垫层的施工。间隔三天在挡砂墙外侧随机挖坑检验, 共挖坑五个, 发现透水性很强, 每个集水坑需用一台管径80的水泵方能将水抽走, 且未发现砂粒从挡砂墙漏出。
( 2) 砂卵石密实度检测
本工程在深水区共填筑砂垫层20层, 每层用环刀取样, 采用干密度检验法测定砂垫层的密实度, 经检测干砂密度基本在1.70-1.75g/m3之间,大于设计要求的1.60g/m3的要求.
( 3) 沉降观测
在砂垫层施工完、 池底板施工完各进行了一次沉降观测, 沉降量在1-2mm之间, 说明砂石垫层的沉降量很小。在池体施工完15天后将池体注满水( 约2400T) , 再次进行沉降观测, 沉降量为4mm。随后每月进行一次几乎未出现沉降。