換填墊層在地基處理中的應用原理淺析

摘要：淺層地基處理的方法有很多種，比如：灌漿法、擠密法、換填墊層法、強夯法或采用短樁處理等。筆者通過多個工程實踐經驗，總結出換填墊層法有施工工期短、原料豐富、造價低、質量易掌握等優勢。本文主要介紹換填墊層法的原理、適用范圍、設計及施工注意事項。

關鍵詞：軟土 地基處理 墊層

中圖分類號：TU753 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2012）09（c）-0062-02

隨著我國基礎建設蓬勃興起及人類活動增大，由地基土壓縮變形引起的沉降量過大或沉降不均勻對構筑物造成破壞或影響其正常使用的問題顯得尤為突出，故而軟弱土層中的地基處理格外重要。

軟弱地基是指主要由淤泥、淤泥質土、沖填土、雜填土或其他高壓縮性土構成的地基，具有壓縮性高、透水性差和強度低等特點。當不可避免要在軟土地基上建造建筑物時，必須進行有效地地基處理，以減小地基的變形、加強地基的穩定性。地基處理是采取有效的方法，如：碾壓及夯實、換填墊層、排水固結、振密擠入等，改善地基土的工程性質，使其滿足工程需要。

筆者通過對眾多工程實踐經驗進行分析，認識到換填墊層法能有效解決中小型工程的地基處理問題，主要在于其具有就地取材、施工方便，不需要特殊機械設備且工期短，能有效降低造價等優點。

1 換填墊層法的原理

換填墊層法是將基礎底面下一定范圍內的軟弱土層挖除，回填強度較大、壓縮性小、物料來源豐富、價格便宜的材料，然后經分層夯實后作為基礎的持力層。

1.1 墊層的作用

1.1.1 提高持力層的承載力

用抗剪強度較高的材料換置基礎下的軟弱土層，將使地基避免發生剪切破壞。此外，換置后的材料能很好地擴散基礎的附加應力從而使下臥土層能承受相應的荷載。

1.1.2 減小基礎的沉降

一方面換填的材料壓縮性較小，那持力層的變形和沉降將較換填前小很多；另一方面，通過墊層的應力擴散作用使下臥層頂面的應力減小，那下臥層的沉降也將減小。

1.1.3 加速軟土的固結

如墊層材料的透水性很強，當軟弱土層受壓后，墊層即是一個良好的排水通道，基礎下軟弱土層中的孔隙水將通過此通道快速消散排出，從而加快了下臥軟弱層固結和強度提高。

1.1.4 防止凍脹

采用的換填材料均是顆粒較大、透水性較強的材料，不容易產生毛細管現象，故而可以防止寒冷地區結冰而造成的凍脹現象。

1.2 墊層材料

換填材料必須具有無侵蝕性和低壓縮性，一般采用如中砂、粗砂、礫砂、圓礫、角礫、石屑、卵石、碎石、礦渣、粉質黏土、粉煤灰等。因墊層土類豐富，可依據當地的物料情況而選取相應的材料作為墊層。

2 換填墊層法的設計

2.1 墊層厚度的確定

墊層的厚度z應依據軟弱土層的厚度和下臥軟弱層的承載力確定，并應滿足公式（1）的要求：

式中pz為相應于荷載效應標準組合，墊層底面處土的附加壓力（kPa）；pcz為墊層底面處土的自重壓力（kPa）；faz為墊層地面處土層經深度修正后的承載力特征值（kPa）。

墊層底面處土的附加壓力pz可以按照圖1壓力擴散圖示來計算，即：

條形基礎時，

矩形基礎時，

公式中b為條形基礎或矩形基礎底面的寬度（m）；l為矩形基礎底面的長度（m）；pk為基礎底面處的平均壓力值（kPa）；pc為基礎底面處土的自重應力值（kPa）；z為基礎底面下墊層的厚度（m）；θ為墊層的壓力擴散角，按表1取值。

一般情況下墊層厚度不宜大于3m，否則施工較困難不經濟，而小于0.5m太薄換填墊層的作用不大。當軟弱土層的厚度h≤3m時，可以將其基底下的軟弱土層全部挖除換填墊層，取z=h，且z>0.5m，然后驗算滿足式（1）；當軟弱土層的厚度h>3m時，可以將其基底下的軟弱土層部分挖除換填墊層，取z≤3 m，且z>0.5 m然后驗算滿足公式（1）。

2.2 墊層寬度的確定

墊層的寬度除了要滿足應力擴散的要求外，還要防止墊層向兩側擠出，因為基礎荷載在墊層中引起的應力使墊層有側向擠出的趨勢，假設墊層寬度不足，周圍土又較為軟弱時，墊層可能被壓潰而擠入周圍軟土中去，從而基礎沉降增大。墊層底面寬度應依據式（4）及當地經驗確定。

b’≥b+2z …（4）

式中b’為墊層底面寬度（m）見圖1，其他符號意義同上。

墊層底面寬度確定后，再依據當地經驗要求和開挖基坑要求的坡度延伸至底面，從而得到墊層的設計斷面，同時應滿足墊層頂面每邊超出基礎底面不宜小于300mm。此外，若是大面積整片墊層，其底面寬度可按自然傾斜角控制適當加寬。

2.3 基礎的沉降量計算

基礎的沉降為墊層的沉降與下臥層的沉降之和。其具體計算見規范GB50007-2002建筑地基基礎設計規范。

3 墊層施工注意事項

3.1 開挖基坑鋪設墊層時，應避免坑底上層受擾動以破壞土的結構

當采用機械開挖，開挖至基底標高以上300mm左右時，應采用人工開挖，并在驗槽后應及時回填防止其暴露過久、被踐踏或浸水。當采用粒徑較大的墊層時，應在坑底先鋪一層砂墊層或鋪土工織物，以免軟弱土層表面的局部破壞。

3.2 雨季和冬季墊層的保護措施

如在雨季或冬季施工時，施工期間應采用相應的防雨或防凍措施，防止填料（土或灰土）受雨水淋濕或凍結，還應防止地面水流入已處理或未處理的基坑或基槽內。

3.3 墊層材料的選擇

墊層的料材必須級配連續和級配良好。若是人工級配的材料，需用機械拌和均勻。

3.4 墊層必須達到設計要求的密實度

常采用振動法、碾壓法等。這些要求均要嚴格控制含水量，最好能達到最優含水量，方可分層夯填，分層鋪設厚為200～300mm，逐層振密或壓實，如條件允許也可在分層處鋪設土工織物，以起到加筋作用。

墊層施工竣工驗收合格后，應及時對基礎進行施工及對基坑進行回填。此外，換填墊層法施工土方量大，棄土多，宜做好棄土的處理工作。

4 換填墊層法的適用范圍

進行軟土地基處理時，應依據工程的實際情況選取不同的處理方案。換填墊層法主要適用于中小型建筑工程的3m以內的軟弱地基處理，不宜用于大面積堆載、密集基礎和動力基礎或地下水位較高、水流速度較快且流量大的地基處理。

參考文獻

[1] GB50007-2002建筑地基基礎設計規范[S].

[2] JGJ79-2002建筑地基處理技術規范[S].

[3] 趙明華.土力學與基礎工程[M].武漢：武漢理工大學出版社，2010：324-331.