论文部分内容阅读
摘要：笔者简要介绍了砂石换填加固层的应用范围和作用、设计要点、施工技术、质量检测。并结合工程实例，探讨了主要的施工要点，实践证明，砂石换填加固层在该工程软弱地基加固处理中取得了很好的效果。
关键词：软基；加固处理；砂石换填法；沉降量；质量检测；地基变形
对软地基进行处理，是使其沉降变得足够坚固，提高软地基的固结度和稳定性至设计的要求，而砂石换填法是处理软基的一种传统方法。适用于淤泥质土、松散素填土、杂填土、洪 填土以及已完成自重固结的冲填土等的处理与低洼区域的填筑，特别适合于中小型建筑工程的洪、塘、沟等的局部处理。砂石换填技术是一种比较简便的工艺技术地基处理方法，它耗费较少量的材料，能简单、快速和经济地处理地基软弱地层，能取得较好的技术经济效果。
1砂石换填加固层的适用范围和主要作用
1.1砂石换填层的适用范围
砂石（砂砾、砂卵石）换填层主要适用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理；适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下地基处理；不宜用于地下水位较高，且地下水流速快、流量大的地基处理；不宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。1.2砂石换填层对于地基处理的主要作用
⑴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置换为强度较大的垫层材料置换后，可以提高地基承载能力。
⑵减少沉降量。一般情况，基础下浅层的沉降量在总沉降量中所占比例较大。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。以砂石换填层材料代替软弱土层，可大大减少这部分的沉降量；
⑶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。
2砂石层基础加固设计要点
2.1厚度的确定
砂石换填层厚度Z应根据需要置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并应符合下式要求：
Pz+Pcz≤faz(式1)
式中：Pz—相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力设计值（kPa）；
Pcz—垫层底面处土自重压力值（kPa）；
faz—经深度修正后垫层底面处的地基承载力特征值（kPa）。
Pz可根据基础不同形式按扩散角原理简化计算，公式如下：
条形基础： （式2）
矩形基础：（式3）
式中：b—条形基础或矩形基础底面的宽度（m）；
l—矩形基础底面的长度（m）；
P—基层底面压力（kPa）；
Pc—基础底面处土的自重压力值（kPa）；
Z—基础底面下垫层的厚度（m）；
θ—垫层的压力扩散角。
2.2换填层宽度的确定
换填层的宽度应满足基础底面应力扩散角的要求，可按公式：确定，其中θ为压力扩散角，b为条形基础或矩形基础底面的宽度。
2.3砂石层沉降量验算
建筑物基础沉降量等于加固层自身的变形量和软弱下卧层的变形量，总和为s
3砂石加固层施工要点与质量检测
3.1材料要求
在施工中一般采用级配良好的、质地坚硬的石屑、中砂、粗砂、跞砂、圆砂、角砾、卵石、碎石等材料，其颗粒的不均匀系数≥5，不含有植物残体、垃圾等杂质、且含泥量不应超过5%。为了保证基底土质良好渗透性，不宜使用含有淤泥杂质的土和砂。通常采用10～40的普通碎石，施工时，为防止含尘过多，可事先冲洗干净后，再与粗砂混合搅拌均匀使用。
3.2施工要点
⑴砂石均需机械拌和均匀后方可分层夯填；
⑵施工前要统一放置标高及清除基层的杂草浮土，同时应严禁搅动下卧层及周边土层；
⑶为防止下雨造成边坡塌方，施工作业前应在基坑内及四周采取排水措施，从而确保边坡稳定；
⑷如基底尚存在较小厚度淤泥质土，为防止夯实或碾压时冒出泥浆或脱层，可在施工前往该处抛石挤密，或将基层压入置换再作底层；
⑸应分层分级夯铺，每层铺设厚度应小于300mm，如采用大型碾压机械，其铺设厚度可控制在500mm以内。
3.3砂石换填加固层施工质量检测
砂石換填加固层的施工质量检验必须分层进行，即每夯压完一层，检验该层的平均压实系数。检验方法常用的有环刀法、贯入法、灌砂法、灌水法、静力试验等。当其干密度或压实系数符合设计要求后，才能铺填上一层。
4砂石换填法在住宅软基加固中的应用
某住宅楼设计采用墙下钢筋混凝土条形基础，作用与基础顶面荷载为FK=200kPa，基础埋深1.3m，地基形式为32m×12m矩形，土层分布情况是：第一层为粘性素填土，厚1.3m，=18KN/m3；第二层为淤泥质土，厚10m，γ=17KN/m3，fak=80KPa；第三层为粉土，厚6m，γ=19KN/m3，fak=180Kpa。rG取20KN/m3,我们采取换填砂石法使地基承载力达到设计要求（设砂石层fak=150KPa）。
⑴确定基础宽度利用公式：b=Fk／(fa-rG·d)计算基础宽度
其中：fa=fak+ηd·rm(d-0.5)=150+18×（1.3-0.5）=164.4
基础宽度：b=200／164.4-20×1.3=1.445≈1.45m
⑵计算垫层底面宽度b′
设砂石层厚度为1.0m,z/b=0.69＞0.50,查表得θ=30°，tgθ=0.58
则b＇=b+ztgθ=1.45+2×1.0×0.58=2.61m
⑶验算能否满足Pz+Pcz≤faz
基底处土的自重压力Pc=18×1.3=23.4kPa所以：层底面处的附加压力：
pk=(200+1.45×1.3×200)／1.45=164kPa，于是Pz=b-(pk-pc)／(b+2ztgθ)=1.45×(164-23.40)／2.61=78.1KPa。又Pcz=18×1.3+17×1.0=40.4KPa，而faz=80+（18×1.3+17×1.0）／2.3×（2.3-0.5）=80+31.6=111.6KPa，Pz+Pcz=78.1+40.4=118.5KPa﹥faz=111.6kPa
故：加固层厚度为1.0m，不能满足下卧层承载力要求。
这样就需要重新假设加固层厚度Z，再重复以上2）、3）步计算，直到满足下卧层承载力要求，据此便算得最小层厚度Zmin=1.20m，对应的层宽度b′=2.85m。为了便于施工，我们取基础宽度b=1.5m，层宽度b′=3.0m，层厚度Z=1.20m。
⑷加固层的几何尺寸确定后，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）要求，该住宅楼地基应作变形（沉降）计算，由于本加固层换填材料-砂石为粗粒换填材料，所以在地基变形计算中，可忽略加固层自身部分的变形值，该住宅荷载作用下地基变形即为压缩层厚度范围内各土层压缩变形之和。
该住宅为砌体结构，其地基变形特征为基础的局部倾斜，变形允许值为：局部倾斜=0.002；根据该工程具体荷载情况选取1、2、3、4、5、1′、2′、3′、4′、5′十个点作为沉降计算点。
⑸地基基础设计完成后，选用中砂掺和粒径为20～40mm的普通碎石45%作为加固层铺设材料，施工前认真检查砂、石等材料质量及砂石拌和均匀程度；施工时加固层铺设材料的含水率严格控制在10%～12%，加固层分层铺设，每层铺设厚度为200mm，施工过程中及时检查并严格控制份层厚度、压实遍数、压实系数；采用重200kg的蛙式夯进行夯实，每层夯压5遍。该工程砂石加固层每层施工完毕后，对施工质量进行了检验，检验结果是压实系数均达到设计要求，整个砂石层施工完毕后，经载荷试验检验，地基承载力达到210KPa，满足设计要求，且在该住宅正常使用两年后进行沉降实测，其局部倾斜为：0.0005低于设计的局部倾斜最大值0.0009，显然满足规范规定的地基变形要求。实践证明：砂石换填加固层在该工程软弱地基加固处理中取得了很好的效果。
5结束语
随着工程建设行业的快速发展，砂石换填法的应用将越来越来普遍的，其施工简便、成本低、工期短，因此具有很大的经济效益和社会效益。但是需要主要注意的是，在施工过程中随时注意四周土体稳定情况，认真检查，发现问题及时处理，待消除隐患后再作业。
参考文献
[1] 付朝晖，地基砂石换填设计施工方法[J]冶金信息导刊，2004.04
[2] 宋功业，砂石换填处理地基工程实例[J]土工基础，2001.03
关键词：软基；加固处理；砂石换填法；沉降量；质量检测；地基变形
对软地基进行处理，是使其沉降变得足够坚固，提高软地基的固结度和稳定性至设计的要求，而砂石换填法是处理软基的一种传统方法。适用于淤泥质土、松散素填土、杂填土、洪 填土以及已完成自重固结的冲填土等的处理与低洼区域的填筑，特别适合于中小型建筑工程的洪、塘、沟等的局部处理。砂石换填技术是一种比较简便的工艺技术地基处理方法，它耗费较少量的材料，能简单、快速和经济地处理地基软弱地层，能取得较好的技术经济效果。
1砂石换填加固层的适用范围和主要作用
1.1砂石换填层的适用范围
砂石（砂砾、砂卵石）换填层主要适用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理；适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下地基处理；不宜用于地下水位较高，且地下水流速快、流量大的地基处理；不宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。1.2砂石换填层对于地基处理的主要作用
⑴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置换为强度较大的垫层材料置换后，可以提高地基承载能力。
⑵减少沉降量。一般情况，基础下浅层的沉降量在总沉降量中所占比例较大。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。以砂石换填层材料代替软弱土层，可大大减少这部分的沉降量；
⑶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。
2砂石层基础加固设计要点
2.1厚度的确定
砂石换填层厚度Z应根据需要置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并应符合下式要求：
Pz+Pcz≤faz(式1)
式中：Pz—相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力设计值（kPa）；
Pcz—垫层底面处土自重压力值（kPa）；
faz—经深度修正后垫层底面处的地基承载力特征值（kPa）。
Pz可根据基础不同形式按扩散角原理简化计算，公式如下：
条形基础： （式2）
矩形基础：（式3）
式中：b—条形基础或矩形基础底面的宽度（m）；
l—矩形基础底面的长度（m）；
P—基层底面压力（kPa）；
Pc—基础底面处土的自重压力值（kPa）；
Z—基础底面下垫层的厚度（m）；
θ—垫层的压力扩散角。
2.2换填层宽度的确定
换填层的宽度应满足基础底面应力扩散角的要求，可按公式：确定，其中θ为压力扩散角，b为条形基础或矩形基础底面的宽度。
2.3砂石层沉降量验算
建筑物基础沉降量等于加固层自身的变形量和软弱下卧层的变形量，总和为s
3砂石加固层施工要点与质量检测
3.1材料要求
在施工中一般采用级配良好的、质地坚硬的石屑、中砂、粗砂、跞砂、圆砂、角砾、卵石、碎石等材料，其颗粒的不均匀系数≥5，不含有植物残体、垃圾等杂质、且含泥量不应超过5%。为了保证基底土质良好渗透性，不宜使用含有淤泥杂质的土和砂。通常采用10～40的普通碎石，施工时，为防止含尘过多，可事先冲洗干净后，再与粗砂混合搅拌均匀使用。
3.2施工要点
⑴砂石均需机械拌和均匀后方可分层夯填；
⑵施工前要统一放置标高及清除基层的杂草浮土，同时应严禁搅动下卧层及周边土层；
⑶为防止下雨造成边坡塌方，施工作业前应在基坑内及四周采取排水措施，从而确保边坡稳定；
⑷如基底尚存在较小厚度淤泥质土，为防止夯实或碾压时冒出泥浆或脱层，可在施工前往该处抛石挤密，或将基层压入置换再作底层；
⑸应分层分级夯铺，每层铺设厚度应小于300mm，如采用大型碾压机械，其铺设厚度可控制在500mm以内。
3.3砂石换填加固层施工质量检测
砂石換填加固层的施工质量检验必须分层进行，即每夯压完一层，检验该层的平均压实系数。检验方法常用的有环刀法、贯入法、灌砂法、灌水法、静力试验等。当其干密度或压实系数符合设计要求后，才能铺填上一层。
4砂石换填法在住宅软基加固中的应用
某住宅楼设计采用墙下钢筋混凝土条形基础，作用与基础顶面荷载为FK=200kPa，基础埋深1.3m，地基形式为32m×12m矩形，土层分布情况是：第一层为粘性素填土，厚1.3m，=18KN/m3；第二层为淤泥质土，厚10m，γ=17KN/m3，fak=80KPa；第三层为粉土，厚6m，γ=19KN/m3，fak=180Kpa。rG取20KN/m3,我们采取换填砂石法使地基承载力达到设计要求（设砂石层fak=150KPa）。
⑴确定基础宽度利用公式：b=Fk／(fa-rG·d)计算基础宽度
其中：fa=fak+ηd·rm(d-0.5)=150+18×（1.3-0.5）=164.4
基础宽度：b=200／164.4-20×1.3=1.445≈1.45m
⑵计算垫层底面宽度b′
设砂石层厚度为1.0m,z/b=0.69＞0.50,查表得θ=30°，tgθ=0.58
则b＇=b+ztgθ=1.45+2×1.0×0.58=2.61m
⑶验算能否满足Pz+Pcz≤faz
基底处土的自重压力Pc=18×1.3=23.4kPa所以：层底面处的附加压力：
pk=(200+1.45×1.3×200)／1.45=164kPa，于是Pz=b-(pk-pc)／(b+2ztgθ)=1.45×(164-23.40)／2.61=78.1KPa。又Pcz=18×1.3+17×1.0=40.4KPa，而faz=80+（18×1.3+17×1.0）／2.3×（2.3-0.5）=80+31.6=111.6KPa，Pz+Pcz=78.1+40.4=118.5KPa﹥faz=111.6kPa
故：加固层厚度为1.0m，不能满足下卧层承载力要求。
这样就需要重新假设加固层厚度Z，再重复以上2）、3）步计算，直到满足下卧层承载力要求，据此便算得最小层厚度Zmin=1.20m，对应的层宽度b′=2.85m。为了便于施工，我们取基础宽度b=1.5m，层宽度b′=3.0m，层厚度Z=1.20m。
⑷加固层的几何尺寸确定后，根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）要求，该住宅楼地基应作变形（沉降）计算，由于本加固层换填材料-砂石为粗粒换填材料，所以在地基变形计算中，可忽略加固层自身部分的变形值，该住宅荷载作用下地基变形即为压缩层厚度范围内各土层压缩变形之和。
该住宅为砌体结构，其地基变形特征为基础的局部倾斜，变形允许值为：局部倾斜=0.002；根据该工程具体荷载情况选取1、2、3、4、5、1′、2′、3′、4′、5′十个点作为沉降计算点。
⑸地基基础设计完成后，选用中砂掺和粒径为20～40mm的普通碎石45%作为加固层铺设材料，施工前认真检查砂、石等材料质量及砂石拌和均匀程度；施工时加固层铺设材料的含水率严格控制在10%～12%，加固层分层铺设，每层铺设厚度为200mm，施工过程中及时检查并严格控制份层厚度、压实遍数、压实系数；采用重200kg的蛙式夯进行夯实，每层夯压5遍。该工程砂石加固层每层施工完毕后，对施工质量进行了检验，检验结果是压实系数均达到设计要求，整个砂石层施工完毕后，经载荷试验检验，地基承载力达到210KPa，满足设计要求，且在该住宅正常使用两年后进行沉降实测，其局部倾斜为：0.0005低于设计的局部倾斜最大值0.0009，显然满足规范规定的地基变形要求。实践证明：砂石换填加固层在该工程软弱地基加固处理中取得了很好的效果。
5结束语
随着工程建设行业的快速发展，砂石换填法的应用将越来越来普遍的，其施工简便、成本低、工期短，因此具有很大的经济效益和社会效益。但是需要主要注意的是，在施工过程中随时注意四周土体稳定情况，认真检查，发现问题及时处理，待消除隐患后再作业。
参考文献
[1] 付朝晖，地基砂石换填设计施工方法[J]冶金信息导刊，2004.04
[2] 宋功业，砂石换填处理地基工程实例[J]土工基础，2001.03