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砂石垫层在地基处理中的应用 摘要
内 蒙 古 科 技 大 学

砂
石
垫
层
在
地
基
处
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中
的
应
用

姓 名：章 昌 保
专 业：建筑与土木工程
学 号：201202380
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砂石垫层在地基处理中的应用 正文
摘要：中小城市特别是县区工程体量较小，对于中小型建筑物采用砂石垫层处理比较普遍，实践证明这种方法效果很好。这种方法施工工艺简单，经济，可就地取材，当建筑物基础持力层较弱又不太厚时，不能满足上部结构对地基承载力及变形的要求，采用砂石垫层置换部分软弱土层以提高基础下部地基的承载力，以减少地基沉降量和不均匀变形，这是常见的做法。此外，砂石垫层可以加速软弱土层的排水固结，提高其强度，避免地基土塑性破坏；在膨胀土中，砂石垫层可以调整甚至消除膨胀土的胀缩作用，以控制建筑物的变形从而控制墙体裂缝的出现。本文通过对采用不同材料进行浅层地基处理机理的分析，并结合工程实例，介绍了砂石垫层法的技术特点，并对砂石垫层的设计过程进行了分析计算，阐述了砂石垫层的施工过程。实践表明，砂石垫层法在软弱地基处理中的应用效果良好，进行了大面积砂石垫层的设计和施工，效果检测表明，地基沉降均匀稳定，经济效益显著，同时经济效益也得到了提高。
关键词: 砂石垫层法；地基处理；承载力；设计；检测

砂石垫层地基处理技术
若天然地基较为软弱，不能满足地基强度、变形和稳定分析时，则事先要经过人工处理后再建造基础。在地基处理( GroundImprov ement) 中最常见的是浅层地基处理，这种地基处理方法在我国的大部分地区都十分常见。
浅层地基处理现在常用的有垫层法、强夯法、预压法。其中垫层法中又有灰土垫层( 三七灰土和二八灰土) 、三灰垫层、素填土垫层、碎石(卵砾石) 垫层和砂石垫层等。灰土垫层在我国的运用已有千余年的历史，如北京城墙地基、苏州古塔的地基、陕西三原县清龙桥护堤等。这些灰土迄今还很坚硬，强度较高。目前，国内采用灰土垫层作为地基的多层建筑已高达六七层，素土垫层由于质量不易控制、粘性土不易压密等原因不常使用。而砂石垫层虽说在国外使用较为普遍， 但在我国由于成本较高( 与灰土垫层相比) 、施工难度较大等原因，使用情况并不普。
一、砂石垫层概论
1、作用机理
砂石垫层作为在浅层地基处理中的一种柔性垫层，其作用机理与刚性的灰土垫层、半刚性的素土垫层有一定的区别。砂石垫层除具有刚性垫层的提高承载力、减少沉降量、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩作用外，还有加速软弱土的固结作用、调节不均匀沉降等作用。从土质分类方面来分析，砂石垫层为缺少中间组分的粗粒土，即级配很差的粗粒土。在这种情况下，粒径较大的部分在整个垫层中起骨架作用，而粒径较小的部分存在于较粗颗粒的孔隙之间，在一定的条件下可以在较粗颗粒的孔隙间移动，可起到平衡变形的作用。如包兰铁路在沿线未进行绿化前，铁轨逐渐抬高，就是因为砂粒在火车的来往振动下逐渐进入道渣中间，使其不断抬高所致。另外，砂石垫层作为粗粒土，其比表面积远较粘性土和灰土(细粒土) 为小，其化学成分也较简单，表面电荷很少，基本上无极性。因此，粗粒土孔隙度虽说远远小于粘性土，但其对水的吸附及结合作用较小，渗透性系数却往往比细粒土高2～5个数量级，可以在垫层与地基土的接触面上形成一个良好的水流通道，加速软弱土的排水固结过程。以上两种作用，是其它垫层所没有的。
2、适用范围
砂石垫层多用于中、小型建筑工程的滨、塘沟等的局部处理，也常用于较大基坑或较大回填量的较弱地基土。适用于一般饱和与非饱和软弱土、半土半岩地区及水下黄土处理( 不宜用于湿陷性黄土地基) 。可有条件地用于膨胀土地基， 但不宜用于动力基础下及大面积堆载下的软弱地基， 也不宜用于地下水流速快、水力坡度大且涌水量大的地基处理。与灰土垫层相比，砂石垫层最大的好外是可用于饱和土及水下施工，以及可以在一定范围内适用于经浅层处理后仍有可能产生不均匀沉降的场地，而灰土则无法在这几种情况下使用。因此，在山前冲洪积扇、山前丘陵地带、水网密集区和地下水水位。较浅的地区，砂石垫层的使用范围远较灰土垫层为广。尤其是在地下水埋深较浅城市的老城区改造中，场地狭小， 无法或不宜进行大面积降水( 否则将严重威胁到相邻近建筑物的安全) 或是涌水量大但水力坡度不太大的地区。
3、垫层设计
砂石垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且也应符合经济合理的原则。设计的内容主要是确定断面的合理厚度和宽度。对于不考虑排水的垫层来说，要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层和一定的宽度以防止垫层向两侧挤出；对于有排水要求的垫层来说，除满足上述的厚度和宽度要求外，还要形成一个排水面，促进软弱土的固结，提高其强度，以满足上部荷载的要求。砂石垫层的设计主要考虑以下几个方面的问题:
3.1、垫层的厚度
垫层厚度z 应根据下卧层的承载力确定，满足pz+pcz≦fz，垫层底面附加应力pz可按压力扩散角方法简化计算。
对于条形基础:
pz=b(p-pc)／(b+2ztgθ) 对于矩形基础:
pz=bL(p-pc)／[(b+2ztgθ)(L+ 2ztgθ)]
式中: pz——垫层底面附加应力；
pcz——垫层底面处的自重压力；
fz——垫层底面处下卧土层的地基承载力；
b——基础的宽度；
L——基础的长度；
p——基础底面处压力；
pc——基础底面处土的自重压力；
θ——垫层的压力扩散角；
另外， 垫层的厚度应≦3m
3.2 垫层的宽度
垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求， 可按下式计算:
b′=b+ 2ztgθ
式中: b′为垫层底面宽度；应力扩散角θ:当z/b< 0.25 时取0°；z/b为0.25时取20°；z/b> 0.50时取30°；在0.25和0.50之间用内插法求出。垫层的顶面宽度每边应超出基础底面300mm，或从垫层两侧向上按当地基坑开挖经验要求放坡。
3.3 垫层的承载力
对于小型、轻型或对沉降要求不高的工程，当压实系数为0.94~ 0.97时，承载力标准值可取200~ 250kPa。
4 垫层施工
垫层施工一般应分层铺填、分层压实、分层质量检验。砂石垫层应先确定适当的配比后， 再进行施工。一般规范要求的砂石配比为( 6~ 7) :( 3~ 4)(体积比)，但在实际情况中由于砂的成本约为碎石的4倍左右，所以可以根据当地经验或实际级配试验求得。以直径2~ 4cm 的碎石为例， 由于其空隙度约在36%左右， 因此最低的用量不应少于此值， 可以控制在40%~ 45%之间，也就是砂石比在1:( 2. 0~ 2. 2) 之间。砂子一般可使用中细砂，要求不含有机杂质，含泥量≦5%( 当有排水要求时≦3%) ，碎石最大颗径应≦5cm。
施工方法，一般有平振法、插振法、水撼法、夯实法及碾压法等。但在实际施工中， 最常用的是平振法。插振法、夯实法和碾压法对下卧层的扰动较大，尤其是在软弱地基或饱和土地基上施工时，易造成地基土大面积破坏或液化，而水撼法在使用时易受到场地条件的限制，且在原地基土含水量较低时，反而可能对地基土造成不利的影响，在施工阶段使地基土强度急剧下降。
砂石料拌匀后即可施工。平振法在施工时可在垫层表面洒少量的水，但禁止使用水龙或胶管直接冲刷。
一般每步虚铺砂石25cm 左右，采用平板振动器振实3~ 5遍，厚度为20cm 左右，基本上可满足规范要求。当下卧土特别软弱时，第一层虚铺厚度可增加到30cm。
5 质量检验
在垫层施工中必须严格控制垫层的质量，质量检验应采用分层检验法，在每一步均应有纯砂检验点。检验方法有环刀取样法和钢筋贯入法。环刀取样法的优点是可以与规范直接结合，易于判别，但由于砂为散体材料，不易取样，且在运输、实验中极易扰动和破坏，在实际生产中较少用。常用的方法为钢筋贯入法， 此法取材简单，测试方便，易于掌握。
钢筋贯入工具为直径20mm，长为1250mm的平头钢筋。在纯砂检验点上，先将表层刮去3cm，用准备好的钢筋，以700mm的高度自由落下，测定其贯入深度，若≦5cm 即为满足要求。
6 注意事项
(1) 用于处理膨胀土地基时，对于平坦场地上的Ñ 、Ò 级膨胀土，垫层厚度应≧300mm，宽度不应小于基底宽度，且做好防水处理。
(2) 在半土半岩地基上以处理不均匀沉降为主时，垫层厚度应≧500mm。
(3) 复合地基承载力的使用，应用修正后的地基土的承载力而不能用砂石垫层的承载力，而者之间往往有较大的差距。
(4) 在地下水位以下或附近施工时，由于作法为基本平整的基槽表面先平铺一到两层直径为20~ 30cm 的毛石，用人工夯逐个夯击，至毛石大部分接触硬地基为止，要求淤泥不能浸没毛石。石缝用纯砂灌实。
(5) 用料量的计算，在采用砂石比为1:( 2. 0~ 2. 2) 时，由于砂子均存在于碎石的孔隙之间，基本上不占整个垫层的体积，因此在计算用料量时只用算出碎石的用量，再按比例求出砂子用量即可。
二、工程实例分析
兖矿科澳公司电解铝厂电解车间结构安全等级为一级，面积33523.2m2，排架结构，杯口基础，工程地质条件2层土为粘土，平均厚度1.25m，承载力标准值为145kPa，压缩模量5.8MPa； 3层土为粉质粘土，平均厚度3. 03m，承载力标准值为130kPa，压缩模量4.5MPa；4层土为粘性土夹砂，平均厚度3.73m承载力标准值为200kPa，压缩模量8.5MPa，地下水位实测- 4.5m，不能满足承载力要求， 需要对地基处理。
1、砂石垫层设计
1. 1 地质基本概况
地基土成因为冲洪积类型， 自上而下分层， 相关物理力学性质指标见表1。场地地下水位平均为- 4.50m。
表1 各土层主要物理力学性质指标

1. 2 柱基垫层厚度Z值计算：
基础平面尺寸4. 9m×4. 1m，设置在- 4. 50m地下水位线以上， 第3层粉质粘土层内（见图1）。垫层厚度Z值根据下卧土层的实际承载力值确定:
pz+pcz≦faz
pz=bLp0／[(b+2ztgθ)(L+ 2ztgθ)]
式中: pcz——垫层底标高处土的自重压力，经计算得
pcz = 89. 10kN/m2
pz——垫层底面附加应力；
L、b——基础的长度和宽度；
Po——基础底面处压力；
θ——垫层的压力扩散角，取θ=28°
faz 取1. 1 fk = 143kN/m2
faz与Po基本相等， z值很小， 按照地基沉降确定z值。经多次验算， 取z= 2. 4m。沉降影响深度: zn = b( 2. 5- 0. 4Inb) = 7. 94m；沉降值: S=Ψs∑Po /Esi (ziai – zi-1ai-1 )，计标值见表2
根据经验， 取Ψs = 1，沉降值为62. 95mm， 砂石垫层取2. 4m是适宜的。
1. 3 垫层横向铺设形式确定
经计算， 电解槽部分的垫层厚度须保证1. 0m，方可满足该部分地耐力180kPa 的设计要求，因此将车间内部的电解槽基础设置在- 2. 10m垫层上。比较各种垫层截面形式，确定为整体满堂铺设， 垫层铺设形式见图2。

图1 柱基与垫层剖面图
表2 柱基垫层Z值表

2 施工技术指标确定
2. 1 原材料选取
要求砂石材料不含有机杂物，含泥量< 3%，碎石最大粒径≦50mm。本工程选用邹城市田黄一带细度模数M=3. 1~3. 3的河砂和郭里镇一带粒径规格20mm~ 40mm及5mm~20mm的碎石，并按照试验配合比拌制成级配混合料。
2. 2 压实系数λc确定
根据《建筑地基处理技术规范》( JGJ79—91) 中对砂夹石材料的要求，将2.40m 厚垫层分10层碾压完成，预定第1~ 5层压实系数λc≧0. 96，第9~ 10 层λc≧0. 97，现场密实度检验采用环刀法。
3 垫层施工
3. 1 工艺与设备选用
（1）工艺: 采用振动碾压法施工工艺, 分段摊铺碾压, 要求每层厚度≦300mm, 上下层错缝搭接距在2000mm 以上。砂石混合料含水量为8%~12%, 否则应洒水或晾干。
（2）设备：配备2部ZJ- 50型铲车作为料场混合料拌制设备，选用5辆自卸车运输混合料到基坑作业面上，使用1台T150 型推土机进行混合料摊铺工作，使用1 部YZ12J 型振动压路机对垫层振动碾压。
3. 2 碾压遍数确定
压路机第一遍为静压，第二遍为低振幅碾压（激振力达到114.6kN），从第三遍起在高振幅状态下（激振力达到243.4kN）连续碾压。通过各层实验段测得，砂石垫层达到不同密实状态下所需最低碾压遍数的参数指标（见表5）。
表5 碾压遍数及相关指标

4 效果检测
砂石垫层施工质量及检验采取两种方式：（1）针对垫层回填质量使用重型动力触探试验方式，根据贯入一定深度的锤击数（N63.5），分析砂石垫层的密实性和均匀性，从获取的触探数据初步推算出垫层的承载力。（2）对处理后的地基进行静载荷试验，复核地基承载力，最终评价地基处理效果。
垫层回填质量检测，重型动力触探设备采用XY- 1型钻机，探杆长3.0m，探杆直径42mm，试验控制锤击数率15击/min~25 /min。垫层检测重点选在2.40m厚柱基回填区内，抽验频数为每两个排架柱基取一检测点。垫层承载力推算，当砂石地基动力触探锤击数N63.5≧7时，对应的地基基本承载力值可达到fk≧260kPa。触探锤击数N63.5通过现场试验锤击数获得，其关系校正式由:
N63. 5=α·N
式中: N——每贯入10cm的实测锤击数；
α——触探杆长度校正数，对杆长3m，取= 0.91。
通过对各触点检测数据统计表明，柱基部分的地基承载力的推算平均可达到540kPa，均可超过设计值的一倍。从检测数据统计看，砂石垫层的施工质量已达到密实程度，触探锤击数水平分布均匀，垫层回填质量良好。地基承载力评价，静载荷实验用相对沉降控制法。试验选用0. 5m2 承压板，检测数量为排架柱基的16%，标准加荷到250kN，各测点沉降量值均在S=3.39mm~4.08mm范围内，沉降较为稳定均匀，说明砂石垫层地基的承载力基本值fk>250kPa，已超过设计值的要求。
三、结论
大面积砂石垫层有利于机械化作业，可有效提高施工质量，降低工程造价。
四、参考文献:
[1] 赵明华.土力学与基础工程[M ] . 武汉：武汉工业大学出版社，2000.231.
[2] 王明芳.砂石垫层在软弱地基及膨胀土地基处理中的应用[J] . 阮西学院学报，2005( 2) : 84-85.
[3]《地基处理手册》，编写委员会. 地基处理手册[M] . 北京：中国
建筑工业出版社，1988. 17.
[4]《建筑地基处理技术规范》（JGJ79- 2002）北京：中国建筑工业出版社，1992
[5]《建筑施工手册》（第四版）北京：中国建筑工业出版社，2003

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