砂石垫层在地基处理中的应用

内蒙古科技大学

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姓名：章昌保

专业：建筑与土木工程

学号：201202380

摘要：中小城市特别是县区工程体量较小，对于中小型建筑物采用砂石垫层处理比较普遍，实践证明这种方法效果很好。这种方法施工工艺简单，经济，可就地取材，当建筑物基础持力层较弱又不太厚时，不能满足上部结构对地基承载力及变形的要求，采用砂石垫层置换部分软弱土层以提高基础下部地基的承载力，以减少地基沉降量和不均匀变形，这是常见的做法。此外，砂石垫层可以加速软弱土层的排水固结，提高其强度，避免地基土塑性破坏；在膨胀土中，砂石垫层可以调整甚至消除膨胀土的胀缩作用，以控制建筑物的变形从而控制墙体裂缝的出现。本文通过对采用不同材料进行浅层地基处理机理的分析，并结合工程实例，介绍了砂石垫层法的技术特点，并对砂石垫层的设计过程进行了分析计算，阐述了砂石垫层的施工过程。实践表明，砂石垫层法在软弱地基处理中的应用效果良好，进行了大面积砂石垫层的设计和施工，效果检测表明，地基沉降均匀稳定，经济效益显著，同时经济效益也得到了提高。

关键词: 砂石垫层法；地基处理；承载力；设计；检测

砂石垫层地基处理技术

若天然地基较为软弱，不能满足地基强度、变形和稳定分析时，则事先要经过人工处理后再建造基础。在地基处理( GroundImprov ement) 中最常见的是浅层地基处理，这种地基处理方法在我国的大部分地区都十分常见。

浅层地基处理现在常用的有垫层法、强夯法、预压法。其中垫层法中又有灰土垫层( 三七灰土和二八灰土) 、三灰垫层、素填土垫层、碎石(卵砾石) 垫层和砂石垫层等。灰土垫层在我国的运用已有千余年的历史，如北京城墙地基、苏州古塔的地基、陕西三原县清龙桥护堤等。这些灰土迄今还很坚硬，强度较高。目前，国内采用灰土垫层作为地基的多层建筑已高达六七层，素土垫层由于质量不易控制、粘性土不易压密等原因不常使用。而砂石垫层虽说在国外使用较为普遍，但在我国由于成本较高( 与灰土垫层相比) 、施工难度较大等原因，使用情况并不普。

一、砂石垫层概论

1、作用机理

砂石垫层作为在浅层地基处理中的一种柔性垫层，其作用机理与刚性的灰土垫层、半刚性的素土垫层有一定的区别。砂石垫层除具有刚性垫层的提高承载力、减少沉降量、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩作用外，还有加速软弱土的固结作用、调节不均匀沉降等作用。从土质分类方面来分析，砂石垫层为缺少中间组分的粗粒土，即级配很差的粗粒土。在这种情况下，粒径较大的部分在整个垫层中起骨架作用，而粒径较小的部分存在于较粗颗粒的孔隙之间，在一定的条件下可以在较粗颗粒的孔隙间移动，可起到平衡变形的作用。如包兰铁路在沿线未进行绿化前，铁轨逐渐抬高，就是因为砂粒在火车的来往振动下逐渐进入道渣中间，使其不断抬高所致。另外，砂石垫层作为粗粒土，其比表面积远较粘性土和灰土(细粒土) 为小，其化学成分也较简单，表面电荷很少，基本上无极性。因此，粗粒土孔隙度虽说远远小于粘性土，但其对水的吸附及结合作用较小，渗透性系数却往往比细粒土高2～5个数量级，可以在垫层与地基土的接触面上形成一个良好的水流通道，加速软弱土的排水固结过程。以上两种作用，是其它垫层所没有的。

2、适用范围

砂石垫层多用于中、小型建筑工程的滨、塘沟等的局部处理，也常用于较大基坑或较大回填量的较弱地基土。适用于一般饱和与非饱和软弱土、半土半岩地区及水下黄土处理( 不宜用于湿陷性黄土地基) 。可有条件地用于膨胀土地基，但不宜用于动力基础下及大面积堆载下的软弱地基，也不宜用于地下水流速快、水力坡度大且涌水量大的地基处理。与灰土垫层相比，砂石垫层最大的好外是可用于饱和土及水下施工，以及可以在一定范围内适用于经浅层处理后仍有可能产生不均匀沉降的场地，而灰土则无法在这几种情况下使用。因此，在山前冲洪积扇、山前丘陵地带、水网密集区和地下水水位。较浅的地区，砂石垫层的使用范围远较灰土垫层为广。尤其是在地下水埋深较浅城市的老城区改造中，场地狭小，无法或不宜进行大面积降水( 否则将严重威胁到相邻近建筑物的安全) 或是涌水量大但水力坡度不太大的地区。

3、垫层设计

砂石垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且也应符合经济合理的原则。设计的内容主要是确定断面的合理厚度和宽度。对于不考虑排水的垫层来说，要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层和一定的宽度以防止垫层向两侧挤出；对于有排水要求的垫层来说，除满足上述的厚度和宽度要求外，还要形成一个排水面，促进软弱土的固结，提高其强度，以满足上部荷载的要求。砂石垫层的设计主要考虑以下几个方面的问题:

3.1、垫层的厚度

垫层厚度z 应根据下卧层的承载力确定，满足p z+p cz≦f z，垫层底面附加应力pz可按压力扩散角方法简化计算。

对于条形基础:

p z=b(p-p c)／(b+2ztgθ)

对于矩形基础:

p z=bL(p-p c)／[(b+2ztgθ)(L+ 2ztgθ)]

式中: p z——垫层底面附加应力；

p cz——垫层底面处的自重压力；

f z——垫层底面处下卧土层的地基承载力；

b——基础的宽度；

L——基础的长度；

p——基础底面处压力；

p c——基础底面处土的自重压力；

θ——垫层的压力扩散角；

另外，垫层的厚度应≦3m

3.2 垫层的宽度

垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式计算:

b′=b+ 2ztgθ

式中: b′为垫层底面宽度；应力扩散角θ:当z/b< 0.25 时取0°；z/b为0.25时取20°；z/b> 0.50时取30°；在0.25和0.50之间用内插法求出。垫层的顶面宽度每边应超出基础底面300mm，或从垫层两侧向上按当地基坑开挖经验要求放坡。

3.3垫层的承载力

对于小型、轻型或对沉降要求不高的工程，当压实系数为0.94~ 0.97时，承载力标准值可取200~ 250kPa。

4 垫层施工

垫层施工一般应分层铺填、分层压实、分层质量检验。砂石垫层应先确定适当的配比后，再进行施工。一般规范要求的砂石配比为( 6~ 7) :( 3~ 4)(体积比)，但在实际情况中由于砂的成本约为碎石的4倍左右，所以可以根据当地经验或实际级配试验求得。以直径2~ 4cm的碎石为例，由于其空隙度约在36%左右，因此最低的用量不应少于此值，可以控制在40%~ 45%之间，也就是砂石比在1:( 2. 0~ 2. 2)之间。砂子一般可使用中细砂，要求不含有机杂质，含泥量≦5%( 当有排水要求时≦3%) ，碎石最大颗径应≦5cm。

施工方法，一般有平振法、插振法、水撼法、夯实法及碾压法等。但在实际施工中，最常用的是平振法。插振法、夯实法和碾压法对下卧层的扰动较大，尤其是在软弱地基或饱和土地基上施工时，易造成地基土大面积破坏或液化，而水撼法在使用时易受到场地条件的限制，且在原地基土含水量较低时，反而可能对地基土造成不利的影响，在施工阶段使地基土强度急剧下降。

砂石料拌匀后即可施工。平振法在施工时可在垫层表面洒少量的水，但禁止