換填墊層法軟土地基處理應用

劉福生

(黑龍江省收費公路管理局牡丹江處)

1 作用機理

砂石墊層作為在淺層地基處理中的一種柔性墊層,其作用機理與剛性的灰土墊層、半剛性的素土墊層有一定的區別。砂石墊層除具有剛性墊層的提高承載力、減少沉降量、防止凍脹、消除膨脹土的脹縮作用外,還有加速軟弱土的固結作用、調節不均勻沉降等作用。從土質分類方面來分析,砂石墊層為缺少中間組分的粗粒土,即級配很差的粗粒土。在這種情況下,粒徑較大的部分在整個墊層中起骨架作用,而粒徑較小的部分存在于較粗顆粒的孔隙之間,在一定的條件下可以在較粗顆粒的孔隙間移動,可起到平衡變形的作用。如包蘭鐵路在沿線未進行綠化前,鐵軌逐漸抬高,就是因為砂粒在火車的來往振動下逐漸進入道渣中間,使其不斷抬高所致。另外,砂石墊層作為粗粒土,其比表面積遠較粘性土和灰土(細粒土)為小,其化學成分也較簡單,表面電荷很少,基本上無極性。因此,粗粒土孔隙度雖說遠遠小于粘性土,但其對水的吸附及結合作用較小,滲透性系數卻往往比細粒土高 2～5個數量級,可以在墊層與地基土的接觸面上形成一個良好的水流通道,加速軟弱土的排水固結過程。

2 適用范圍

砂石墊層多用于中、小型建筑工程的濱、塘溝等的局部處理,也常用于較大基坑或較大回填量的較弱地基土。適用于一般飽和與非飽和軟弱土、半土半巖地區及水下黃土處理(不宜用于濕陷性黃土地基)。可有條件地用于膨脹土地基,但不宜用于動力基礎下及大面積堆載下的軟弱地基,也不宜用于地下水流速快、水力坡度大且涌水量大的地基處理。與灰土墊層相比,砂石墊層最大的好外是可用于飽和土及水下施工,以及可以在一定范圍內適用于經淺層處理后仍有可能產生不均勻沉降的場地,而灰土則無法在這幾種情況下使用。因此,在山前沖洪積扇、山前丘陵地帶、水網密集區和地下水水位較淺的地區,砂石墊層的使用范圍遠較灰土墊層為廣。尤其是在地下水埋深較淺城市的老城區改造中,場地狹小,無法或不宜進行大面積降水(否則將嚴重威脅到相鄰近建筑物的安全)或是涌水量大但水力坡度不太大的地區。

3 墊層設計

3.1 墊層的厚度

墊層厚度 z應根據下臥層的承載力確定,滿足 pz+pcZ≤fz。墊層底面附加應力pz可按壓力擴散角方法簡化計算。

3.2 墊層的寬度

墊層的寬度應滿足基礎底面應力擴散的要求,可按下式計算:b′≥b+2ztanθ,式中:b′為墊層底面寬度;應力擴散角θ:當 z/b＜0.25時取 0°;z/b為 0.25時取 20°;z/b＞0.50時取 30°;在 0.25和 0.50之間用內插法求出。

3.3 墊層的承載力

對于小型、輕型或對沉降要求不高的工程,當壓實系數為 0.94～0.97時,承載力標準值可取 200～250 kPa。

4 墊層施工

墊層施工一般應分層鋪填、分層壓實、分層質量檢驗。砂石墊層應先確定適當的配比后,再進行施工。一般規范要求的砂石配比為(6～7)∶(3～4)(體積比),但在實際情況中由于砂的成本約為碎石的 4倍左右,所以可以根據當地經驗或實際級配試驗求得。以直徑 2～4 cm的碎石為例,由于其空隙度約在 36%左右,因此最低的用量不應少于此值,可以控制在 40%～45%之間,也就是砂石比在 1∶(2.0～2.2)之間。砂子一般可使用中細砂,要求不含有機雜質,含泥量≤5%(當有排水要求時≤3%),碎石最大顆徑應≤5 cm。

施工方法,一般有平振法、插振法、水撼法、夯實法及碾壓法等。但在實際施工中,最常用的是平振法。插振法、夯實法和碾壓法對下臥層的擾動較大,尤其是在軟弱地基或飽和土地基上施工時,易造成地基土大面積破壞或液化,而水撼法在使用時易受到場地條件的限制,且在原地基土含水量較低時,反而可能對地基土造成不利的影響,在施工階段使地基土強度急劇下降。砂石料拌勻后即可施工。平振法在施工時可在墊層表面灑少量的水,但禁止使用水龍或膠管直接沖刷。一般每層虛鋪砂石 25 cm左右,采用平板振動器振實 3～5遍,厚度為 20 cm左右,基本上可滿足規范要求。當下臥土特別軟弱時,第一層虛鋪厚度可增加到 30 cm。

5 質量檢驗

在墊層施工中必須嚴格控制墊層的質量,質量檢驗應采用分層檢驗法,在每一步均應有純砂檢驗點。檢驗方法有環刀取樣法和鋼筋貫入法。環刀取樣法的優點是可以與規范直接結合,易于判別,但由于砂為散體材料,不易取樣,且在運輸、實驗中極易擾動和破壞,在實際生產中較少用。常用的方法為鋼筋貫入法,此法取材簡單,測試方便,易于掌握。鋼筋貫入工具為直徑 20mm,長為 1 250mm的平頭鋼筋。在純砂檢驗點上,先將表層刮去 3 cm,用準備好的鋼筋,以 700mm的高度自由落下,測定其貫入深度,若≤5 cm即為滿足要求。

6 注意事項

(1)用于處理膨脹土地基時,對于平坦場地上的 I、II級膨脹土,墊層厚度應≥300 mm,寬度不應小于基底寬度,且做好防水處理。

(2)在半土半巖地基上以處理不均勻沉降為主時,墊層厚度應≥500mm。

(3)復合地基承載力的使用,應用修正后的地基土的承載力而不能用砂石墊層的承載力,而者之間往往有較大的差距。

(4)在地下水位以下或附近施工時,由于作法為基本平整的基槽表面先平鋪一到兩層直徑為 20～30cm的毛石,用人工夯逐個夯擊,至毛石大部分接觸硬地基為止,要求淤泥不能浸沒毛石。石縫用純砂灌實。

(5)用料量的計算,在采用砂石比為 1∶(2.0～2.2)時,由于砂子均存在于碎石的孔隙之間,基本上不占整個墊層的體積,因此在計算用料量時只用算出碎石的用量,再按比例求出砂子用量即可。