某高層建筑軟土地基換土墊層處理技術實例

何文熙

（廣東省廉江市建筑工程總公司，廣東 廉江 524000）

一、概述

在廣東省湛江市高層建筑的地基基礎設計與施工時，常常遇到軟土地基問題，軟弱土強度低、滲透性差、靈敏度高，不能直接作為建筑物的地基，因此要求對軟弱土地基進行處理。本文介紹換土墊層地基處理技術。

二、換土墊層法

換填墊層法是將基礎下一定深度范圍內的軟弱土層全部或部分挖除，然后分層回填并夯實砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高爐礦渣等強度較大、性能穩定和無侵蝕性的材料。

當軟弱地基的承載力和變形不能滿足建筑物要求且軟弱土層的厚度又不是很大時，換填墊層法是一種較為經濟、簡單的軟土地基淺層處理方法。換填墊層法的處理深度常控制在3-5m范圍以內。當然，若換填墊層太薄，則其作用不甚明顯，因此處理深度也不應小于0.5m。

換填墊層法的作用如下。

1提高淺層地基承載力。因地基中的剪切破壞從基礎底面開始，隨應力的增大而向縱深發展，故以抗剪強度較高的砂或其他建筑材料置換基礎下較弱的土層，可避免地基的破壞。

2減少沉降量。一般淺層地基的沉降量占總沉降量比例較大。加以密實砂或其他填筑材料代替上層軟弱土層，就可以減少這部分的沉降量。

3加速軟弱土層的排水固結。砂墊層和礫石墊層等墊層材料透水性強，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結和提高其強度，避免地基發生塑性破壞。

4防止凍脹。因為粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產生毛細管現象，防止凍脹。

5消除膨脹土的脹縮作用。

表1 第4層圓礫土層物理力學指標

三、工程實例

1工程概況

某大樓建筑面積8082.5㎡，地上15層，地下1層，總高度為51.5m。地層分為8層：①雜填土，覆蓋厚度為1.3m；②黏土層，濕潤，平均厚度為2.1m，承載力 k=100～200kPa；③粉質濕潤黏土，平均厚度為3.95m，承載力為 k=80～200kPa；④圓礫層，圓礫成分以礦巖、石英巖為主，粒徑為5～25mm，最大粒徑達到70mm，其中含有15%的黏土及細砂填充物，平均厚度為3.65m，承載力為 k=200～300kPa；⑤粉質黏土，顏色為灰褐色且夾有粉砂、細砂及黏土，且平均厚度在8m左右，承載力 k=100～200kPa；⑥圓礫層夾細砂，平均厚度為2.6m，承載力 k=200～300kPa；⑦黏土層且夾有少量礫石，平均厚度為7.8m，⑧巖石層，地下水位3.8m。

2地基處理方案優化設計

由于地下水位埋深較高，且在含水層內有3.95m的粉土細砂，巖層較深。如果采用人工挖孔樁，則在開挖過程中，由于初始靜力平衡遭到破壞，很可能會出現管涌現象，甚至會造成鄰房開裂。如果采用水泥幕墻擋水方式來解決高水位問題，其費用又較高，工期較長，所以人工挖孔樁基不適合該工程。

如果采用混凝土預制樁，則需要穿過平均厚度為3.65m的圓礫層，該圓礫層結構緊密，承載力較高，進樁十分困難，工期可能受到影響；而且預制樁穿過圓礫層后，還需繼續進樁18.8m才有可塑性黏土做持力層。該土層 k=200kPa，按摩擦樁設計，承載力顯示偏低，因此預制樁施工造價偏高，無明顯優勢。

考慮到本工程箱形基礎埋深為了－5.1m，處于③粉質黏土，而第4層為圓礫土，承載力達 250～300kPa，因此只要將第4層以上剩余的2.25m粉土換成優化配合比的砂礫土，使其承載力達到200kPa左右，與第4層緊密結合形成4.9m厚的砂礫持力層，這樣既增加了持力層的承載力，改善了壓縮變形性能，又增加持力層厚度，便于建造地下室，方便施工。初步估計工程造價降低100余萬元，工期縮短20余天，是一種較好的基礎處理方案。

表2 砂礫土級配

表3 砂礫土擊實試驗結果

表4 填土層質量檢驗

表5 填土層質量檢驗

3設計及施工要點

（1）換土層墊層設計

為了使換土層與第4層圓礫土層結合形成性質相近的箱基持力層，根據土力學原理，擬設一種砂礫土為換土層，并對砂礫土的組成結構進行研究。砂礫土中的礫石、碎石、粗集料起骨架作用，承受外力產生彈性變形和抗力；粗、細砂和細集料起填充作用，增加土體密實性，減少壓縮變形，組成一種新的砂礫土結構，其性質接近第4層圓礫層結構。任何一種土體的力學性能均取決于土體顆粒級配及礦物成分，如在砂土中摻入礫石、碎石，當其含量≤30%時，僅起填充作用；逐漸增加礫石、碎石含量到某一臨界值，如60%時，礫石、碎石之間有可能出現彼此接觸、相互支承的情況，此時的礫石、碎石開始起骨架作用，使砂土性質產生變化；當其含量達到或超過70%時，骨架作用占主導地位，土體性質就由礫石、碎石的性質及含量決定。人工設計的砂礫土性質，以第4層圓礫土層的力學性能為依據，兩者力學指標越接近，相似效果就越好，所構成的箱基持力層受力變形性能越是趨于一致，就能充分利用天然圓礫土層的潛在承載力，減少持力層壓縮變形。對第4層圓礫土層組成結構進行試驗分析，試驗結果見表1。

為此參照第4層土的組成情況設計了砂礫土的級配方案，見表2。

根據表2的級配方案進行壓縮試驗，分級加載，其壓實結果見表3判斷顆粒級配好壞的指標是不均勻系數Cu和曲率系數Cc，不均勻系數Cc反映，大、小顆粒級配情況，曲率系數Cc反映大小、小顆粒分布范圍。按土工試驗規程規定，Cu＞5和Cc=1～3時，顆粒級配良好。該工程采用第⑥組級配方案施工，經計算得Cu=13.46，Cc=1.72，可見級配方案⑥的級配在規程規定的良好組配范圍內。

（2）換土墊層施工

按建筑地基基礎設計規范進行換土墊層的設計及施工。

1）按設計要求將箱基底板以下至圓礫土層頂面以上的粉質黏土層全部挖除，換填為符合級配方案要求及經人工拌勻的砂礫土墊層，分層回填，分層振動碾壓密實。

2）基坑開挖前，采用井點降水法，設兩個磚砌沉井，將地下水位由地表以下3.8m降低至開挖坑底以下0.5m，即地表以下7.85m。基坑開挖時避免擾動圓礫土層原狀土結構，基坑周邊按1：1.5放坡，基坑開挖完畢后立即進行填土施工。

3）采用質地堅硬的礫石、碎石和中粗砂作為回填土料，礫石、碎石粒徑不得大于50mm，砂中不得含有有機物雜質，含泥量及可溶性鹽不得超過3%。

4）分層鋪土、分層碾壓、分層檢測，合格后方可進行新一層填土施工。基坑開挖至驗槽后先行找平，對找平層和回填土的邊端部位用8～12t光輪靜碾壓路機碾壓，振實力300KN，鋪土厚度250mm。對大面積鋪土碾壓，采用Qz100-50振動碾，振實力500KN，每層鋪土厚度為500mm，共4層，平均厚度2.0m，填土面積700㎡，8d完成施工任務。每層碾壓均按單向行車碾壓，嚴禁漏壓，碾壓時每次重疊3/4個碾輥，碾壓遍數3-6遍，一般碾壓3遍已能滿足要求。每層碾壓結束，即進行壓實檢驗及重度檢測，符合規定后則可進行新一層填土施工。

（3）填土質量檢驗 對第2、3、4層換填土和回填土，選9個測試點，現場沒定砂礫土壓實層干重度最小值 γd=20.6KN/m3。測試結果見表4。設計要求填土干重度γd=22.1kN/m3，可見施工回填砂礫土干重度滿足設計要求。施工驗收規范要求壓實系數 λc=0.995～1.245，滿足施工驗收規范要求。

此外，現場另選取了10個測點，進行土工試驗和標準貫入試驗，測出與換土層有關的物理力學指標，平均指標見表5。

從表一與表五比較來看，換土持力層的力學性能與原第4層圓礫層非常接近。這樣兩層土體結合，較好地改善了持力層的受力變形性能，滿足了設計需要。

結語

該工程自投入使用到現在，使用情況良好，無明顯沉降和其他變形。這說明在條件成熟的情況下，采用換土墊層和箱基共同協調工作的方式是解決軟土地基承載力不足的有效途徑。本工程換土中，采用砂子和礫石，能否加入其他一些材料使地基處理更為經濟，更加有效，將仍是需研究的課題。

[1]GB50007-2011,建筑地基基礎設計規范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑樁基技術規范[S].