換填法在電廠廠房地基處理中的應(yīng)用

田恒星 王鋒杰 劉昊軒

(化學(xué)工業(yè)巖土工程有限公司，江蘇南京 210044)

隨著各類建筑物的大力修建，通常會(huì)遇到越來(lái)越多的軟土地基，這類軟土地基或不良地基往往對(duì)工程的建設(shè)帶來(lái)極大的危害，而對(duì)軟土地基進(jìn)行處理，往往是一個(gè)工程項(xiàng)目首先要解決的問題。換填法就是地基處理中的一種常用的方法，該方法具有經(jīng)濟(jì)、有效的優(yōu)點(diǎn)，我們選擇換填法時(shí)，考慮的主要是軟土地基的承載力以及其變形的大小能否滿足建筑物設(shè)計(jì)的承載力和變形值，如果無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，且軟土地基或不良地基的厚度較小時(shí)，就可以選擇使用換填法將軟弱地基土體進(jìn)行部分或全部置換，將承載力及強(qiáng)度較大的碎石、砂、粉煤灰等材料替換原有軟弱土體，并對(duì)其進(jìn)行夯實(shí)、振密，最終達(dá)到地基設(shè)計(jì)強(qiáng)度及承載力的要求。

1 換填法的適用性

JGJ 79-2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范中規(guī)定［1］:換填法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基及暗塘等的淺層處理，其適用范圍如表1所示［2］。

2 換填壓實(shí)原理

事實(shí)上，在對(duì)軟弱地基進(jìn)行處理時(shí)，換填是方法，壓實(shí)是手段，如果壓實(shí)這一步?jīng)]有做好，那換填的效果基本上就大打折扣。土體的壓實(shí)程度是與土體的物理力學(xué)特性緊密相關(guān)的，比如土體的顆粒組成，含水量等等。其中，土體的含水量對(duì)壓實(shí)效果影響最為明顯，土體的壓實(shí)原理可以描述為:對(duì)于含水量大的土體，進(jìn)行壓實(shí)過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象［3］，土體結(jié)構(gòu)內(nèi)部的結(jié)合水膜隨著含水量的增大而變厚，導(dǎo)致土體顆粒之間的引力降低，能夠在同樣的壓實(shí)能的條件下，土體趨于密實(shí)，產(chǎn)生較好的壓實(shí)效果。但含水量繼續(xù)增加，超過(guò)臨界含水量后，或者說(shuō)超過(guò)最優(yōu)含水量后，結(jié)合水膜持續(xù)變厚，土體變軟，土體孔隙中充填了自由水。自由水的存在，直接阻止了壓實(shí)作用下土體顆粒之間的運(yùn)動(dòng)，使得壓實(shí)效果較差，也就是前面所說(shuō)的“橡皮土”現(xiàn)象。反過(guò)來(lái)，當(dāng)土體中的含水量很低時(shí)，土體顆粒間十分干燥，土顆粒間的結(jié)合水膜很薄，土顆粒之間的引力很大，該引力直接吸收了部分壓實(shí)過(guò)程中作用在土體上的壓實(shí)能，導(dǎo)致壓實(shí)效果降低。因此需要一個(gè)臨界含水量，也即工程中所說(shuō)的最優(yōu)含水量，才能得到較好的壓實(shí)效果。在對(duì)軟土地基進(jìn)行換填處理的過(guò)程中，確定壓實(shí)效果的標(biāo)準(zhǔn)就是對(duì)墊層進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，在擊實(shí)試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，以獲取墊層土的最大干密度ρdmax，用最大干密度來(lái)評(píng)價(jià)壓實(shí)效果。由于不同的土體其含水量不同，對(duì)其進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)時(shí)，會(huì)得到不同的最大干密度，這就能夠根據(jù)不同的含水量所一一對(duì)應(yīng)的干密度進(jìn)行曲線繪制。在干密度ρd與含水量ω的關(guān)系曲線上，每一類土體都會(huì)有相應(yīng)的干密度峰值，此處的干密度是最大的，稱之為最大干密度ρdmax，這個(gè)最大干密度所對(duì)應(yīng)的含水量，即我們進(jìn)行換填處理時(shí)的最優(yōu)含水量。峰值結(jié)果說(shuō)明，當(dāng)換填土體的含水量為最優(yōu)含水量時(shí)，土體能夠被擊實(shí)到最大的干密度，也即達(dá)到最好的壓實(shí)效果。因此，土體的最大干密度和最優(yōu)含水量，是換填壓實(shí)處理過(guò)程中最為重要的兩個(gè)指標(biāo)［4］。粗砂、粉質(zhì)粘土及粘土的ρd—ω關(guān)系曲線繪制如圖1所示，圖中Sr為ρd—ω關(guān)系理論曲線，理論曲線通常情況下會(huì)在實(shí)際曲線之上，因?yàn)槔碚撉€是基于土顆粒中的空氣被排出的假定之上的，但實(shí)際中的土體內(nèi)部的空氣是不可能全部被排出的，因此理論的干密度會(huì)比實(shí)際的大。

表1 換填法(墊層)的適用范圍

上述分析是對(duì)某一特定壓實(shí)功能而言的，如果改變壓實(shí)功能，則曲線的基本形態(tài)不變，但曲線位置卻發(fā)生移動(dòng)，如圖2所示，在加大壓實(shí)功能時(shí)，最大干密度增大，最優(yōu)含水量卻減小。亦即壓實(shí)功能越大，則越容易克服粒間引力，因此在較大含水量下可達(dá)更大的密實(shí)程度。

圖1 砂土和粘土的壓實(shí)曲線

圖2 土工試驗(yàn)與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的比較

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

香溪河電廠主廠房為鋼筋混凝土框架、排架結(jié)構(gòu)，邊柱基礎(chǔ)采用條形基礎(chǔ)，中柱兩框架柱基礎(chǔ)采用肋形整版基礎(chǔ)。鍋爐基礎(chǔ)采用橫向條形基礎(chǔ)。基礎(chǔ)埋置深度－2.5 m，混凝土強(qiáng)度等級(jí)C15。電廠一期工程裝機(jī)容量為2×1 500 kW，二期工程為600 kW。廠址位于香溪河河漫灘地，自然標(biāo)高126 m，地形平坦。東部及南部為山丘，土層為沖擊砂土和卵石、坡積粉質(zhì)粘土(含大塊碎石)和侏羅系下統(tǒng)香溪群砂巖。縱、橫向巖相變化大，物理力學(xué)性質(zhì)相似。粉、細(xì)砂和粉質(zhì)粘土層厚7 m～13 m。坡積層出露于東部坡腳，向西延伸，侏羅系下統(tǒng)香溪群砂巖巖石較為完整。土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表2。

表2 土層物理力學(xué)指標(biāo)

建筑群平面布置與地質(zhì)剖面圖如圖3所示。

圖3 建筑總平面圖

3.2 換填墊層設(shè)計(jì)

根據(jù)抗洪防洪需要，廠區(qū)設(shè)計(jì)地面標(biāo)高定為132.8 m，用砂卵石回填，并作為基礎(chǔ)持力層。設(shè)計(jì)條件和荷載為:回填砂卵石地基承載力設(shè)計(jì)值f=150 kPa，回填土重度取γ=20 kN/m3。

地基基礎(chǔ)沉降計(jì)算:變形計(jì)算公式采用《廠房填土地基設(shè)計(jì)施工暫行規(guī)程》，其計(jì)算公式為:

其中，Δ1為填土的變形值;Δ2為填土下面的天然土層的變形值。

根據(jù)規(guī)程要求:Δ1≤8 cm，Δ2≤20 cm。計(jì)算結(jié)果顯示除 B，C列柱的Δ2未能滿足要求外，其余均可滿足要求。考慮到砂性土沉降穩(wěn)定快的特點(diǎn)，在上部結(jié)構(gòu)施工完工前，絕大部分沉降已經(jīng)完成。因此，使用階段不會(huì)出現(xiàn)較大的沉降和沉降差。

3.3 換填墊層施工

填料用河漫灘砂卵石，卵石粒徑20 mm～40 mm，強(qiáng)度等級(jí)大于MU20，縫隙間用砂填充。施工前先用8 t混凝土滾子碾壓2遍，然后分2次鋪砂，每次鋪15 cm，采用中粗砂或粗砂，分層澆水，澆至不再下沉為止。再用混凝土滾子，每層碾壓4遍。然后分層鋪設(shè)砂卵石，每層厚20 cm。基礎(chǔ)混凝土強(qiáng)度達(dá)到70%后，再繼續(xù)往上鋪填碾壓至室外地面標(biāo)高。

3.4 質(zhì)量檢驗(yàn)

分層鋪填時(shí)，由質(zhì)檢人員檢查填料的質(zhì)量、粒徑、級(jí)配、鋪填厚度、碾壓遍數(shù)及填土干密度，干密度要求不小于20 kN/m3。每填2層抽查3處，檢測(cè)采用埋盒法。

根據(jù)最終的土層沉降觀測(cè)點(diǎn)的實(shí)測(cè)沉降曲線可知，廠房上部結(jié)構(gòu)施工前已經(jīng)完成大部分沉降，上部結(jié)構(gòu)完成后半年的沉降已經(jīng)基本穩(wěn)定，反映了本次換填壓實(shí)處理效果較為理想。

4 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)際工程，驗(yàn)證了本文換填處理軟土地基方法的效果，該換填壓實(shí)法顯著提高了香溪河電廠廠房軟土地基的強(qiáng)度與承載力，保證了地基的穩(wěn)定性，具備較高經(jīng)濟(jì)效應(yīng)，能夠?yàn)橥惞こ烫峁┮欢ǖ闹笇?dǎo)作用。

［1］JGJ 79-2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范［S］.

［2］林宗元.巖土工程治理手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2005.

［3］陳一平，張季超.地基處理新技術(shù)與工程實(shí)踐［M］.北京:科學(xué)出版社，2010.

［4］王 哲，李 俠.換填法處理軟弱地基在施工中應(yīng)注意的問題［J］.山西建筑，2009，35(17):76-77.