軟弱地基級配碎石墊層換填處理的設計與施工

王強 劉偉華 殷尚偉 詹祥杰

中建五局土木工程有限公司 湖南 長沙 410004

引言

軟弱地基是工程項目施工過程中，最常見的問題。因為地基為軟弱地基，若處理不當，地基承載力不滿足設計要求，就會導致不均勻沉降問題的發生，一旦不均勻沉降發生，就會給工程項目帶來影響，能引起構筑物發生裂隙，或是傾覆的風險。基于此，本文對軟弱級配碎石墊層換填處理的設計和施工進行研究，結合具體的工程案例，體現技術的優勢，推動軟弱地基的處理效果，確保施工和使用的安全[1]。

1 工程概況

九江市八里湖區九龍學校項目由3棟多層建筑，3棟門樓和地下室組成；總用地面積約為42618㎡，總建筑面積約為38043㎡。本項目存在大面積（約10607m2左右）的淤泥質粉質黏土，集中在地下室及1#樓、2#樓區域，且平均深度為3m左右；淤泥質粉質黏土在場地內部分分布，流塑～軟塑，工程性質差，強度低，為高壓縮性土，工程性質差，不能作為天然地基基礎持力層。

2 地基處理方法的選擇

2.1 常見淺層地基處理方法

表1 常見的淺層地基處理辦法及使用范圍分析

2.2 本項目地基處理的方法的選擇

由于本項目換填區域主要為淤泥質粉質黏土，且換填后需作為地基基礎持力層，建筑物對地基承載力要求較高。

級配碎石換填弱軟土地基，以提高地基承載力，良好的地基處理作業實施，對于工程的施工質量控制以及工程施工中的安全性控制能發揮重要的作用，也有利于加快施工速度。

級配碎石換填是將基礎底面以下不太深的處理范圍內的軟弱土層挖除，然后以質地堅硬、強度較高、性能穩定性好、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、礦渣等材料分層填筑，同時用人工或機械方法進行表層壓、夯、振動、沖擊等密實措施處理至滿足工程要求的全過程。實踐證明，以這種方法處理后的地基能夠提高地基承載力、減少或防比不均勻沉降、加速軟弱土層的排水固結、調整不均勻地基的強度、防比凍脹、消除膨脹土的脹縮作用，達到降低造價的目的[2]。

本工程實際的施工中，選擇以級配碎石墊層換填的方式，進行施工，從而保證工程的質量，降低安全隱患。如下表2所示，為本工程在工程期間所用到的設備情況。

表2 本工程在工程期間所用到的設備情況

3 地基地質條件

為了進一步對工程進行研究，需要率先清楚地基的地質條件，通過查找相應的文獻資料，發現本工程的地層較為簡單，主要是第一層的雜填土，下面是淤泥質粉質黏土，之后是粉質黏土，之后還是卵石和粉質黏土，再之后是全風化泥質粉砂巖，再后來是強風化泥質粉砂巖，最后的中等風化泥質粉砂巖，通過測定，發現淤泥質粉質黏土厚度為3.0m，雜填土厚度為3.5m。同時，全風化泥質粉砂巖厚度為3.2m。

4 具體的墊層換填設計研究

為實現對軟弱地基的處理，做好對地基的處置工作，有效地進行基礎施工，結合地基處理的方法的選擇，所以在實際的施工中，本工程就采取級配碎石換填的方法進行施工[3]。

4.1 厚度的確定

為保證墊層換填的效果，需要對厚度進行確定。為了確定實際的厚度，需要根據墊層底部土層的承載力來確定，進而能夠得到如下公式（1）的基本情況。

上述公式中，σcz是用于描述，墊層底面處上的自重應力，而σz則是用來描述墊層底面處的附加應力，而fa則是用來描述，墊層底面處土層的承載力特征值。

結合本工程的實際數據，確認建筑物基礎地面設計的標高是多少，再按照標準高程進行相應的換算，從而得到確認的高程情況。之后再獲取地面高程。而墊層換填的厚度，則與這兩個數據有關系，結合巖土工程勘查獲取的資料，了解到地下部分，具有較好承受能力的層為卵石層，卵石層的承載力特征值為240KPa，設計地基的承載能力的特征值為180kPa，若換填厚度為3.2m時，按照公式，能夠計算得出：σcz=35.3kPa所以將所有數據帶入到公式（1）中，發現35.3kPa+180kPa=215.3kPa＜240kPa，由此可見，通過計算是符合相關要求和標準的。

4.2 寬度的確定

寬度同樣是墊層換填處理中的重要內容，如果寬度不合理，就會給地基基礎帶來影響，而且這部分影響還是負面影響。所以，級配碎石墊層的寬度應該根據墊層側面土的承載力來確定，因為基礎荷載在墊層中引起的應力使得墊層具有側向擠出的趨勢，如果實際的施工中，對墊層的寬度設置不合理，而且四周的土還比較軟弱，這樣墊層可能會被壓縮，擠入四周的軟土中去，從而導致地基的承載力又一次下降。所以，寬度的設計，必須做好合理的規劃，如此才能保證地基處理的效果，進而有效控制軟土地基的影響。

實際的設計時，需要以級配碎石墊層底部寬度為B，從而能夠得到公式（2），公式（2）具體情況如下所示。

上述公式中，B為級配碎石墊層底部寬度，b則是用于描述建筑物基礎的寬度，z是級配碎石墊層的厚度。最后一個θ是用于描述級配碎石墊層的壓力擴散角。

根據上述公式，可以理解到寬度與厚度之間還是有聯系的，所以在計算好厚度之后，才能對寬度進行計算。如下圖1所示，為級配碎石墊層示意圖。

圖1 級配碎石墊層示意圖

通過上圖中，可以發現具體的數據分布情況，所以實際的計算中，只需要根據公式中字母所代表的位置進行確認，如此一來，才能保證寬度的合理選擇。

本工程中，對b值進行取值，b值為2.2，z值則為級配碎石墊層的厚度，應為3.2m，θ是一個夾角，可以選擇30°，如此一來，就可以將具體的數值帶入到公式中，就能實現對B的計算，從而獲取實際的寬度值。

經過計算后，獲取到了實際的寬度值，所以實際的施工中，只需要按照這一數值進行施工就可以保證地基的穩定，就不會受到周邊軟弱土的影響。但是，實際的施工中，為了避免意外，需要適當的預留空檔，比如，本工程實際施工中，為了避免部分問題的發生，本工程在實際的寬度設計中，將寬度設置為6.5m，從而展開了施工，而在寬度確定之后，還要對寬度是否滿足設計要求進行檢測。另外，即使寬度計算結果相對較小時，級配碎石墊層頂部距離基礎外緣的距離也不該小于的300mm，從而保證施工能夠順利進行。

5 軟弱地基級配碎石墊層換填處理的施工研究

5.1 施工材料的準備工作

為了保證施工的質量，需要做好前期的材料準備工作，因為本工程選擇級配碎石用于墊層換填。所以首先，就要做好對碎石級配的檢查，采用配比為3∶7的級配碎石混合填筑于預定的位置，便能實現墊層換填處理。所以，必須做好級配控制，選用級配良好、質地堅硬的材料，且值得注意的是，碎石的最大粒徑不應該大于10cm，從而保證壓實度。砂與碎石材料的含泥量，也要有效地控制，要將具體的數值穩定在3%以內，如此，才能保證級配碎石墊層的可靠。同時，還要做好級配碎石墊層的外觀檢測，通過檢測工作，及時發現外觀中是否有質量問題，不得含有草根，樹葉、塑料袋等內容物，并且，還要對級配碎石進行相應的檢測工作，確認合格才能繼續施工。另外，還要對施工用的機械設備進行檢修，確保機械設備處于較好的工作狀態，可有效避免安全隱患。

5.2 開挖作業

由于墊層換填處理的方法相對比較簡單，所以實際開工中，主要選擇機械開挖的方式進行，由于開挖深度相對較深，所以要注意開挖基坑的控制，并避免出現邊坡塌方的問題，所以要結合實際情況和地質條件進行控制，按照規范進行開挖作業。除此之外，還要做好開挖基坑的邊坡防護工作，必要時采取有效的防護措施，避免給開挖人員帶來生命安全威脅。開挖基坑的過程中，是必須做好邊坡的防護，因為區域本就是軟弱地層，所以邊坡的強度也不是很高，如果不能對邊坡進行有效的防護，就可能導致邊坡塌方問題。施工期間，主要以機械開挖為主，人工起到輔佐的作用，進行級配碎石墊層施工的過程中，應做隨時做好邊坡的檢查工作，避免墊層時，引起邊坡的塌方。除此之外，還要注意基坑開挖的過程中，應在基坑底部預留200mm厚土層不挖，待級配碎石鋪填前再進行開挖，施工時，還要注意確保開挖的平整度，并且做好相應的排水措施，確保最后基坑內無積水殘留。

5.3 填筑、回填

級配碎石墊層運送到現場后，要按照計劃，一輛輛達到指定位置并于準確位置進行卸級配碎石，將這些級配碎石，全部投入到挖好的基坑中。施工時，實施分層鋪筑，分層壓實的方式，先壓實一部分，再填筑一部分，最后實現全部壓實。填筑時，應分層填筑，分層厚度應按50cm/層分層，再使用12t壓路機進行碾壓，每層需壓實4～6遍以上，同時，還要注意對施工含水量的控制，使之保持在8～12%，并且還要做好基坑內的排水工作。

填筑完成之后，需要對地基進行相應的密實度檢測，本工程經過檢測后，確認符合實際要求，確認施工基本符合要求。但是此時，還需要進一步做試驗檢測和建筑物基礎沉降的監測，配合灌砂法，從鋪筑和壓實層取樣，并進行有效的土工試驗，經過結果確認是符合施工要求的。另外，建筑物基礎沉降觀測中，確認沉降量與時間的關系，最后結果表明，經過墊層換填之后，本工程的建筑物地基沉降量很小，在規范允許范圍內，說明級配碎石換填完全符合要求。

6 結束語

本文對軟弱地基級配碎石墊層換填處理的設計與施工進行研究，以本工程為基礎，合理地對軟弱地基級配碎石墊層換填處理的設計與施工進行研究，先對工程情況進行介紹，再分析實際的深度和寬度設計，最后對施工進行合理控制，從而保證軟弱地基級配碎石墊層換填處理的質量，確保建筑物的安全與可靠，同時加快項目施工進度。