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摘要: 根据工程实例，介绍了软弱地基处理的换土垫层法的实际设计应用情况。
关键词：地基处理,换土垫层法,
前言
在进行建筑物的基础处理设计时，时常会碰到软弱地基问题。下面根据自己的一些工作实践经验，谈一下软弱地基如何处理和换土垫层法在万科棠越一期一号泵站机房基础设计中的应用情况。由于换填法施工工艺简单、工期短、成本低、处理效果显著,在地基处理中被广泛采用,所以掌握该方法的设计计算过程就很重要了。下面比较详细地阐述了换土垫层法的设计计算过程并以具体的实例来说明。
1设计计算内容
1.1垫层厚度的确定
垫层厚度z应根据垫层底面下卧软弱土层的承载力来确定,即要求作用在垫层底面出土的自重压力与附加压力之和不大于下卧软弱土层的地基承载力,应满足下式要求:
Pz+Pcz≤faz (1)
其中,Pz相应于荷载效应标准组合时,垫层底面处的附加压力,kPa;P Pcz为垫层底面处的自重压力,kPa; faz为垫层底面处经深度修正后的下卧土层地基承载力特征值,kPa。
垫层底面处的附加压力Pz,除了可用弹性理论的土中应力公式进行计算外,还可按压力扩散角的方法进行简化计算:
条形基础:
（2）
矩形基础:
（3）
其中,b为矩形基础或条形基础底面的宽度,m;L为矩形基础底面的长度,m;Pk相应于荷载标准组合时的基础底面压力,kPa;Pc为基础底面处土的自重压力,kPa;z为基础底面下垫层的厚度,m;θ为垫层的压力扩散角,宜按试验确定,当无试验资料时,可按表1确定。
1.2垫层宽度的确定
确定垫层宽度时,应满足基础底面压力扩散的要求,同时还应考虑到垫层应有足够的宽度及垫层侧面土的强度条件,以防止垫层材料向侧边挤出而增加垫层的竖向变形量。垫层的宽度可按下式压力扩散角的方法进行计算,或根据当地经验确定:
b′≥b+2ztanθ（4）
其中,b′为垫层底面宽度,m;θ为垫层压力扩散角,可按表1采用,但当z/b≥0.25时,仍按z/b=0.25取值。
1.3垫层承载力的确定
垫层的承载力取决于填筑材料的性质、施工机具能量的大小以及施工质量的优劣等因素。由于理论计算方法不够完善,同时还由于较难选取代表性的计算参数,因此目前还难以准确确定垫层的承载力,一般宜通过现场试验确定,亦可通过取土分析、标贯试验、动力触探等多种测试手段取得的资料进行综合分析后确定。
1.4地基变形计算
换土垫层后的建筑物地基沉降由垫层自身的变形量和下卧土层的变形量两部分所构成,即:
S =S1+S2 (5)
其中,S为基础沉降量,cm; S1为垫层自身变形量,cm; S2为压缩层厚度范围内自垫层底面算起的各土层压缩变形量之和,cm。
垫层自身的变形量S1可采用下式计算:
(6)
其中,Pk为基础底面压力,kPa;z为垫层厚度;Es为垫层压缩模量,宜通过静载荷试验确定,当无试验资料时,可选用15 MPa-25 MPa;α为压力扩散系数,可按下式计算:
条形基础:α=b/b+2ztanθ (7)
矩形基础:(8)
下卧土层的变形量S2可用分层总和法按下式计算:
(9)
其中,Ψ为沉降计算经验系数;Pz为垫层底面处的附加压力,kPa,可按式(2)或(3)计算;b′为垫层宽度,cm;δi,δi-1为垫层底面的计算点分别至第i层土和第i-1层土底面的沉降系数;Esi,1-2为垫层底面下第i层土在100 kPa-200 kPa压力作用时的压缩模量,kPa。
2换土垫层的设计应用
换土垫层就是将基础下面一定厚度的软弱土层挖除，然后以中砂、粗砂、砾石、碎石或卵石、灰土、粘性土以及其他性能稳定、无侵蚀性的材料。垫层应分层夯实，每层夯实后的密度应达到设计标准。
换土垫层设计包括决定垫层所应具有的最小宽度和厚度。
在垫层的宽度方面，根据建筑经验，垫层的顶宽一般采用较基础底边每边宽出200mm，垫层的底宽一般取基础同宽（如图1）。
垫层的厚度应根据作用在垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于软弱土层承载力的条件确定，同时厚度不小于500mm。
在万科棠越一期一号泵站机房的基础进行设计时，由钻探资料显示，该地基为很厚的软粘土层，其承载力标准值fk=80kN/m2，重度Υ=17kN/m3，IL=1.00，e=1.00。已知机房独立基础承受上部结构荷载设计值F=155kN，設计室内外高差为0.3m，室外基础埋深d=0.80m。从以上数据可知，该地基承载力和变形不能满足设计要求。
由于该泵站交通不便，重型机械无法进入（如打桩机等），为了减少工程投资，又能达到设计要求的目的，经几个方案比较，决定采用直接用人工就可施工的换土垫层法作为该泵站基础设计。在垫层材料方面，采用中砂作为垫层，其承载力设计值按f=180kN/m2计算（施工时砂垫层密度控制在中密程度），重度取=19.5 kN/m3。
按公式确定基底长度和宽度（独立柱正方形基础）。
式中：b——基础底面长和宽；
F——上部结构的荷载设计值；
f——换土垫层承载力；
T——基础及回填土平均重度，T一般取=20 kN/m3
h——基础自重计算高度。
，取1=b=1.0m
下面进行沙垫层厚度的计算：
在进行砂垫层厚度计算时，一般应满足Pcz+Pz≤fz
式中：Pcz－作用在垫层底面处土的自重应力（kN/m2）。
Pz－垫层底面处的附加应力设计值（kN/m2）;
fz－垫层底面处软弱土层承载力设计值（kN/m2）。
采用该式确定垫层厚度时，需要用试算法,即预先估计一个厚度，然后按上式校核，如不满足要求时，必须增加垫层厚度，直至满足要求为止。
为了减少计算工作量，设计该机房基础换土垫层的厚度时，采用了查曲线图的计算方法：曲线图见《建筑地基基础》1990.10：231。
首先，按下式计算出k1值
k1=[fk+ηbΥ软（b-3）+ηdΥ软（d-0.5）-Υ软d]×10/p0
其次，按下式计算出k2值k2=k1+15b（ηdΥ软-Υ垫)/p0
式中：p0——基础底面附加应力（kN/m2）;
fk——垫层底面处软弱土层的承载力标准值（kN/m2）;
ηb、ηd——分别为基础宽度和埋深的承载力修正系数；
d——基础埋置深度（m）；
Υ软、Υ垫——分别为软弱土层和垫层的重度（kN/m3）。
然后根据k1、k2和基础底面长边与短边的比值n=l/b，由曲线图查得m值。
最后算出垫层厚度z=mb。本基础：fk=80kN/m2、d=0.8m、软=17 kN/m3、Υ垫=19.5kN/m3、按表查得ηb=0、ηd=1.1。
另外，P0=（F+G）/b-Υd=（155+1×0.95×20）/1-17×0.8=160.4kN/m2
，代入上两式得：
k1=[fk+ηbΥ软（b-3）+ηdΥ软（d-0.5）-Υ软d]×10/p0
=[80+1.1×17×(0.8-0.5)-17×0.8]×10/160.4
=4.49
k2=k1+15b（ηdΥ软-Υ垫)/P0
=4.49+15×1×(1.1×17-19.5)/160.4
=4.42
根据k1=4.49、k2=4.42和n=1查曲线图得m=0.82。
则沙垫层厚度：z=bm=1.0×0.82=0.82 m，取z=0.85 m，如图2所示。
4结语
该泵站工程建成且连续安全运行已有两年多，经观测，机房基础沉降<2mm（基本无沉降），机房上部结构无任何异常情况，运行良好。因此采用“换土垫层法”处理软弱地基，满足规范和运行要求，是经济和安全的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：地基处理,换土垫层法,
前言
在进行建筑物的基础处理设计时，时常会碰到软弱地基问题。下面根据自己的一些工作实践经验，谈一下软弱地基如何处理和换土垫层法在万科棠越一期一号泵站机房基础设计中的应用情况。由于换填法施工工艺简单、工期短、成本低、处理效果显著,在地基处理中被广泛采用,所以掌握该方法的设计计算过程就很重要了。下面比较详细地阐述了换土垫层法的设计计算过程并以具体的实例来说明。
1设计计算内容
1.1垫层厚度的确定
垫层厚度z应根据垫层底面下卧软弱土层的承载力来确定,即要求作用在垫层底面出土的自重压力与附加压力之和不大于下卧软弱土层的地基承载力,应满足下式要求:
Pz+Pcz≤faz (1)
其中,Pz相应于荷载效应标准组合时,垫层底面处的附加压力,kPa;P Pcz为垫层底面处的自重压力,kPa; faz为垫层底面处经深度修正后的下卧土层地基承载力特征值,kPa。
垫层底面处的附加压力Pz,除了可用弹性理论的土中应力公式进行计算外,还可按压力扩散角的方法进行简化计算:
条形基础:
（2）
矩形基础:
（3）
其中,b为矩形基础或条形基础底面的宽度,m;L为矩形基础底面的长度,m;Pk相应于荷载标准组合时的基础底面压力,kPa;Pc为基础底面处土的自重压力,kPa;z为基础底面下垫层的厚度,m;θ为垫层的压力扩散角,宜按试验确定,当无试验资料时,可按表1确定。
1.2垫层宽度的确定
确定垫层宽度时,应满足基础底面压力扩散的要求,同时还应考虑到垫层应有足够的宽度及垫层侧面土的强度条件,以防止垫层材料向侧边挤出而增加垫层的竖向变形量。垫层的宽度可按下式压力扩散角的方法进行计算,或根据当地经验确定:
b′≥b+2ztanθ（4）
其中,b′为垫层底面宽度,m;θ为垫层压力扩散角,可按表1采用,但当z/b≥0.25时,仍按z/b=0.25取值。
1.3垫层承载力的确定
垫层的承载力取决于填筑材料的性质、施工机具能量的大小以及施工质量的优劣等因素。由于理论计算方法不够完善,同时还由于较难选取代表性的计算参数,因此目前还难以准确确定垫层的承载力,一般宜通过现场试验确定,亦可通过取土分析、标贯试验、动力触探等多种测试手段取得的资料进行综合分析后确定。
1.4地基变形计算
换土垫层后的建筑物地基沉降由垫层自身的变形量和下卧土层的变形量两部分所构成,即:
S =S1+S2 (5)
其中,S为基础沉降量,cm; S1为垫层自身变形量,cm; S2为压缩层厚度范围内自垫层底面算起的各土层压缩变形量之和,cm。
垫层自身的变形量S1可采用下式计算:
(6)
其中,Pk为基础底面压力,kPa;z为垫层厚度;Es为垫层压缩模量,宜通过静载荷试验确定,当无试验资料时,可选用15 MPa-25 MPa;α为压力扩散系数,可按下式计算:
条形基础:α=b/b+2ztanθ (7)
矩形基础:(8)
下卧土层的变形量S2可用分层总和法按下式计算:
(9)
其中,Ψ为沉降计算经验系数;Pz为垫层底面处的附加压力,kPa,可按式(2)或(3)计算;b′为垫层宽度,cm;δi,δi-1为垫层底面的计算点分别至第i层土和第i-1层土底面的沉降系数;Esi,1-2为垫层底面下第i层土在100 kPa-200 kPa压力作用时的压缩模量,kPa。
2换土垫层的设计应用
换土垫层就是将基础下面一定厚度的软弱土层挖除，然后以中砂、粗砂、砾石、碎石或卵石、灰土、粘性土以及其他性能稳定、无侵蚀性的材料。垫层应分层夯实，每层夯实后的密度应达到设计标准。
换土垫层设计包括决定垫层所应具有的最小宽度和厚度。
在垫层的宽度方面，根据建筑经验，垫层的顶宽一般采用较基础底边每边宽出200mm，垫层的底宽一般取基础同宽（如图1）。
垫层的厚度应根据作用在垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于软弱土层承载力的条件确定，同时厚度不小于500mm。
在万科棠越一期一号泵站机房的基础进行设计时，由钻探资料显示，该地基为很厚的软粘土层，其承载力标准值fk=80kN/m2，重度Υ=17kN/m3，IL=1.00，e=1.00。已知机房独立基础承受上部结构荷载设计值F=155kN，設计室内外高差为0.3m，室外基础埋深d=0.80m。从以上数据可知，该地基承载力和变形不能满足设计要求。
由于该泵站交通不便，重型机械无法进入（如打桩机等），为了减少工程投资，又能达到设计要求的目的，经几个方案比较，决定采用直接用人工就可施工的换土垫层法作为该泵站基础设计。在垫层材料方面，采用中砂作为垫层，其承载力设计值按f=180kN/m2计算（施工时砂垫层密度控制在中密程度），重度取=19.5 kN/m3。
按公式确定基底长度和宽度（独立柱正方形基础）。
式中：b——基础底面长和宽；
F——上部结构的荷载设计值；
f——换土垫层承载力；
T——基础及回填土平均重度，T一般取=20 kN/m3
h——基础自重计算高度。
，取1=b=1.0m
下面进行沙垫层厚度的计算：
在进行砂垫层厚度计算时，一般应满足Pcz+Pz≤fz
式中：Pcz－作用在垫层底面处土的自重应力（kN/m2）。
Pz－垫层底面处的附加应力设计值（kN/m2）;
fz－垫层底面处软弱土层承载力设计值（kN/m2）。
采用该式确定垫层厚度时，需要用试算法,即预先估计一个厚度，然后按上式校核，如不满足要求时，必须增加垫层厚度，直至满足要求为止。
为了减少计算工作量，设计该机房基础换土垫层的厚度时，采用了查曲线图的计算方法：曲线图见《建筑地基基础》1990.10：231。
首先，按下式计算出k1值
k1=[fk+ηbΥ软（b-3）+ηdΥ软（d-0.5）-Υ软d]×10/p0
其次，按下式计算出k2值k2=k1+15b（ηdΥ软-Υ垫)/p0
式中：p0——基础底面附加应力（kN/m2）;
fk——垫层底面处软弱土层的承载力标准值（kN/m2）;
ηb、ηd——分别为基础宽度和埋深的承载力修正系数；
d——基础埋置深度（m）；
Υ软、Υ垫——分别为软弱土层和垫层的重度（kN/m3）。
然后根据k1、k2和基础底面长边与短边的比值n=l/b，由曲线图查得m值。
最后算出垫层厚度z=mb。本基础：fk=80kN/m2、d=0.8m、软=17 kN/m3、Υ垫=19.5kN/m3、按表查得ηb=0、ηd=1.1。
另外，P0=（F+G）/b-Υd=（155+1×0.95×20）/1-17×0.8=160.4kN/m2
，代入上两式得：
k1=[fk+ηbΥ软（b-3）+ηdΥ软（d-0.5）-Υ软d]×10/p0
=[80+1.1×17×(0.8-0.5)-17×0.8]×10/160.4
=4.49
k2=k1+15b（ηdΥ软-Υ垫)/P0
=4.49+15×1×(1.1×17-19.5)/160.4
=4.42
根据k1=4.49、k2=4.42和n=1查曲线图得m=0.82。
则沙垫层厚度：z=bm=1.0×0.82=0.82 m，取z=0.85 m，如图2所示。
4结语
该泵站工程建成且连续安全运行已有两年多，经观测，机房基础沉降<2mm（基本无沉降），机房上部结构无任何异常情况，运行良好。因此采用“换土垫层法”处理软弱地基，满足规范和运行要求，是经济和安全的。
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。