浅谈砂石换填垫层法

浅谈砂石换填垫层法的垫层设计

摘要:介绍了砂石垫层法处理地基基础的优点，论述了砂石垫层的适用范围及主要作用，并着重对其处理湿陷性黄土的垫层设计要点进行分析。

关键词:砂石垫层设计地基要点

砂石垫层法是地基浅层处理的一种常用方法，是地基浅层处理的一种常用方法，属于换填法。其原理是先将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层换填强度较大的砂(碎石、素土、灰土、高炉下渣、粉煤灰)或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，再分层夯实，作为地基持力层。

砂石是良好的换填材料。砂石垫层材料宜选取碎石、卵石、砾砂、角砾、圆砾、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45%），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。对具有排水要求的砂垫层宜控制含泥量不大于3%。当使用粉细砂作换填材料时，应改善材料的级配状况，在掺入不少于总重30%的碎石或卵石使其颗粒不均匀系数小于5，并拌合均匀后，方可用于铺填垫层。砂石的最大粒径不宜大于50mm，并通过试验确定虚铺厚度、振捣遍数、振捣功率等技术参数。

一、砂石垫层的适用范围及主要作用

就换填材料的不同而言，砂石垫层是现实施工中最常用换填方法，应用范围广泛，主要适用于中小型建筑工程的塘、浜、沟等的局部处理及一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理，不宜用于地下水位较高，且地下水流量大、流速快的地基处理及大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。大量工程实践证明，各种换填材料经过压实换填后都可以提高地基承载力、减少沉降量、加速软弱土层的排水固结、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩等作用，是当前地基处理技术中比较经济可行的方法之一。

砂石垫层在浅层地基处理中比由桩体组成的复合地基更快捷、价廉，其作用主要体现在以下三个方面：(1)提高基础底面以下地基浅层的承载力。地基中的剪切破坏是从基础底面下边角处开始，随基底压力的增大而逐渐向纵深发展的，因此当基底面以下浅层范围内可能被剪切破坏的软弱土为强度较大的垫层材料置换后，可以提高承载能力；(2)减少沉降量。一般情况：基础下浅层的沉降量中所占得比例较大。由于土体侧向变形引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大。以垫层材料代替软弱土层，可大大减少这部分的沉降量；(3)加速地基的排水固结。用砂石作为垫层材料，由于其透水层大,在地基受压后便是良好的排水面，可使基础下面的空隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，且可加速垫层下软弱土层的固结及其强度的提高。

二、砂石垫层的设计与计算

1、垫层厚度的确定

根据《砂石垫层受力示意图》可知，其厚度Z 应根据地基承载力确定,即作用在垫层底面处土的自重压力(标准值)与附加压力(设计值)之和不能超过经修正后超挖深度处的地基承载能力。并符合式(3-1)的要求。

az cz z f p p ≤+ (13-)

式中：z p ——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处土的附加压力设计值（kPa ）；

cz p ——垫层底面处土的自重应力值（kPa ）；

az f ——垫层底面处软弱土层经深度修正后的地基承载力特征值（kPa ）。

垫层厚度不宜小于0.5米，也不宜小于3米。

垫层底面处土的附加压力值可按简化的压力扩散角法计算即假定压力按某一扩散角向下扩散，在作用范围内假定为均匀分布，则可按下式计算： 条形基础时： θ

tan 2)(z b p p b p c z +-= (23-) 矩形基础时： )

tan 21)(tan 2()(θθz z b p p bl p c z ++-=

(33-) 式中： b ——矩形基础或条形基础底面的宽度（m ）；

l ——矩形基础底面的长度（m ）；

p ——相应于荷载效应的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa ）； c p ——基础底面处土的自重应力值（kPa ）；

z ——基础底面下垫层的厚度（m ）；

θ——垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，也可查《建筑地基处理技术规范》。

备注：当b

z <0.25时，除灰土仍取θ=30°外，其余材料均取θ=0°； 计算时，一般先初步拟定一个垫层厚度，再用式（13-）验算。如不能满足要求，则重新假定一个厚度进行验算，直至满足要求为止。垫层厚度不宜大于m 3，太厚工程量大、不经济、施工较困难，而太薄（m 5.0<）则换土垫层的作用不显著、效果差。一般垫层厚度为m 2~1左右。

2、垫层宽度的确定

垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外，还应根据垫层侧面土的承载力，防止垫层向两边挤出。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。垫层宽度的计算，目前还缺乏可靠的理论方法，在工程实践中常按照地区的经验确定或按扩散角法计算。

根据《砂石垫层受力示意图》可知：基础垫层的宽度θtan 2'z b b +=，基础垫层的长度θtan 2'z l l +=而根据所在土质情况,施工时作业面最好超出基底300～500mm 。机械开挖深度大于m 2时还考虑宽度'b 、'l 长度上的放坡系数。 式中：

'b ——砂石垫层的设计宽度；

b ——钢筋混凝土筏板基础的设计宽度；

'l ——砂石垫层的设计长度；

l ——钢筋混凝土筏板基础的设计长度；

z ——砂石垫层的厚度；

θ——压力扩散角。

整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。

垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm 。

垫层底面宽度确定后，再根据基坑开挖所要求的坡度延伸至地面，即得垫层的设计断面。垫层断面确定后，对比较重要的建筑物还要验算基础的沉降，沉降值应小于建筑物的允许值。建筑物基础的沉降包括：一部分是垫层的沉降；另一部分是垫层底下压缩层范围内软弱土层的沉降。

垫层厚度变化的处理方法

由于土质的变化或为了调整沉降差时，各基础底部的垫层厚度并不相同，当垫层厚度的高差m h 1≤时，可做成梯形，其水平长度l 与垂直高差h 的比值为2:1，当相邻的基础一个采用天然基础，另一个采用砂石垫层时，仍应按上述比例做成阶梯形，或者在此两地基之间做一道砖砌或混凝土的隔墙。

3、垫层承载力的确定

经换填后处理的地基，由于理论计算方法尚不够完善，垫层的承载力宜通过