某高層建筑軟土地基換土墊層處理技術(shù)實(shí)例

何文熙

（廣東省廉江市建筑工程總公司，廣東 廉江 524000）

一、概述

在廣東省湛江市高層建筑的地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)與施工時(shí)，常常遇到軟土地基問題，軟弱土強(qiáng)度低、滲透性差、靈敏度高，不能直接作為建筑物的地基，因此要求對軟弱土地基進(jìn)行處理。本文介紹換土墊層地基處理技術(shù)。

二、換土墊層法

換填墊層法是將基礎(chǔ)下一定深度范圍內(nèi)的軟弱土層全部或部分挖除，然后分層回填并夯實(shí)砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高爐礦渣等強(qiáng)度較大、性能穩(wěn)定和無侵蝕性的材料。

當(dāng)軟弱地基的承載力和變形不能滿足建筑物要求且軟弱土層的厚度又不是很大時(shí)，換填墊層法是一種較為經(jīng)濟(jì)、簡單的軟土地基淺層處理方法。換填墊層法的處理深度常控制在3-5m范圍以內(nèi)。當(dāng)然，若換填墊層太薄，則其作用不甚明顯，因此處理深度也不應(yīng)小于0.5m。

換填墊層法的作用如下。

1提高淺層地基承載力。因地基中的剪切破壞從基礎(chǔ)底面開始，隨應(yīng)力的增大而向縱深發(fā)展，故以抗剪強(qiáng)度較高的砂或其他建筑材料置換基礎(chǔ)下較弱的土層，可避免地基的破壞。

2減少沉降量。一般淺層地基的沉降量占總沉降量比例較大。加以密實(shí)砂或其他填筑材料代替上層軟弱土層，就可以減少這部分的沉降量。

3加速軟弱土層的排水固結(jié)。砂墊層和礫石墊層等墊層材料透水性強(qiáng)，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，使基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結(jié)和提高其強(qiáng)度，避免地基發(fā)生塑性破壞。

4防止凍脹。因?yàn)榇诸w粒的墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，防止凍脹。

5消除膨脹土的脹縮作用。

表1 第4層圓礫土層物理力學(xué)指標(biāo)

三、工程實(shí)例

1工程概況

某大樓建筑面積8082.5㎡，地上15層，地下1層，總高度為51.5m。地層分為8層：①雜填土，覆蓋厚度為1.3m；②黏土層，濕潤，平均厚度為2.1m，承載力 k=100～200kPa；③粉質(zhì)濕潤黏土，平均厚度為3.95m，承載力為 k=80～200kPa；④圓礫層，圓礫成分以礦巖、石英巖為主，粒徑為5～25mm，最大粒徑達(dá)到70mm，其中含有15%的黏土及細(xì)砂填充物，平均厚度為3.65m，承載力為 k=200～300kPa；⑤粉質(zhì)黏土，顏色為灰褐色且夾有粉砂、細(xì)砂及黏土，且平均厚度在8m左右，承載力 k=100～200kPa；⑥圓礫層夾細(xì)砂，平均厚度為2.6m，承載力 k=200～300kPa；⑦黏土層且夾有少量礫石，平均厚度為7.8m，⑧巖石層，地下水位3.8m。

2地基處理方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于地下水位埋深較高，且在含水層內(nèi)有3.95m的粉土細(xì)砂，巖層較深。如果采用人工挖孔樁，則在開挖過程中，由于初始靜力平衡遭到破壞，很可能會(huì)出現(xiàn)管涌現(xiàn)象，甚至?xí)斐舌彿块_裂。如果采用水泥幕墻擋水方式來解決高水位問題，其費(fèi)用又較高，工期較長，所以人工挖孔樁基不適合該工程。

如果采用混凝土預(yù)制樁，則需要穿過平均厚度為3.65m的圓礫層，該圓礫層結(jié)構(gòu)緊密，承載力較高，進(jìn)樁十分困難，工期可能受到影響；而且預(yù)制樁穿過圓礫層后，還需繼續(xù)進(jìn)樁18.8m才有可塑性黏土做持力層。該土層 k=200kPa，按摩擦樁設(shè)計(jì)，承載力顯示偏低，因此預(yù)制樁施工造價(jià)偏高，無明顯優(yōu)勢。

考慮到本工程箱形基礎(chǔ)埋深為了－5.1m，處于③粉質(zhì)黏土，而第4層為圓礫土，承載力達(dá) 250～300kPa，因此只要將第4層以上剩余的2.25m粉土換成優(yōu)化配合比的砂礫土，使其承載力達(dá)到200kPa左右，與第4層緊密結(jié)合形成4.9m厚的砂礫持力層，這樣既增加了持力層的承載力，改善了壓縮變形性能，又增加持力層厚度，便于建造地下室，方便施工。初步估計(jì)工程造價(jià)降低100余萬元，工期縮短20余天，是一種較好的基礎(chǔ)處理方案。

表2 砂礫土級配

表3 砂礫土擊實(shí)試驗(yàn)結(jié)果

表4 填土層質(zhì)量檢驗(yàn)

表5 填土層質(zhì)量檢驗(yàn)

3設(shè)計(jì)及施工要點(diǎn)

（1）換土層墊層設(shè)計(jì)

為了使換土層與第4層圓礫土層結(jié)合形成性質(zhì)相近的箱基持力層，根據(jù)土力學(xué)原理，擬設(shè)一種砂礫土為換土層，并對砂礫土的組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究。砂礫土中的礫石、碎石、粗集料起骨架作用，承受外力產(chǎn)生彈性變形和抗力；粗、細(xì)砂和細(xì)集料起填充作用，增加土體密實(shí)性，減少壓縮變形，組成一種新的砂礫土結(jié)構(gòu)，其性質(zhì)接近第4層圓礫層結(jié)構(gòu)。任何一種土體的力學(xué)性能均取決于土體顆粒級配及礦物成分，如在砂土中摻入礫石、碎石，當(dāng)其含量≤30%時(shí)，僅起填充作用；逐漸增加礫石、碎石含量到某一臨界值，如60%時(shí)，礫石、碎石之間有可能出現(xiàn)彼此接觸、相互支承的情況，此時(shí)的礫石、碎石開始起骨架作用，使砂土性質(zhì)產(chǎn)生變化；當(dāng)其含量達(dá)到或超過70%時(shí)，骨架作用占主導(dǎo)地位，土體性質(zhì)就由礫石、碎石的性質(zhì)及含量決定。人工設(shè)計(jì)的砂礫土性質(zhì)，以第4層圓礫土層的力學(xué)性能為依據(jù)，兩者力學(xué)指標(biāo)越接近，相似效果就越好，所構(gòu)成的箱基持力層受力變形性能越是趨于一致，就能充分利用天然圓礫土層的潛在承載力，減少持力層壓縮變形。對第4層圓礫土層組成結(jié)構(gòu)進(jìn)行試驗(yàn)分析，試驗(yàn)結(jié)果見表1。

為此參照第4層土的組成情況設(shè)計(jì)了砂礫土的級配方案，見表2。

根據(jù)表2的級配方案進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，分級加載，其壓實(shí)結(jié)果見表3判斷顆粒級配好壞的指標(biāo)是不均勻系數(shù)Cu和曲率系數(shù)Cc，不均勻系數(shù)Cc反映，大、小顆粒級配情況，曲率系數(shù)Cc反映大小、小顆粒分布范圍。按土工試驗(yàn)規(guī)程規(guī)定，Cu＞5和Cc=1～3時(shí)，顆粒級配良好。該工程采用第⑥組級配方案施工，經(jīng)計(jì)算得Cu=13.46，Cc=1.72，可見級配方案⑥的級配在規(guī)程規(guī)定的良好組配范圍內(nèi)。

（2）換土墊層施工

按建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行換土墊層的設(shè)計(jì)及施工。

1）按設(shè)計(jì)要求將箱基底板以下至圓礫土層頂面以上的粉質(zhì)黏土層全部挖除，換填為符合級配方案要求及經(jīng)人工拌勻的砂礫土墊層，分層回填，分層振動(dòng)碾壓密實(shí)。

2）基坑開挖前，采用井點(diǎn)降水法，設(shè)兩個(gè)磚砌沉井，將地下水位由地表以下3.8m降低至開挖坑底以下0.5m，即地表以下7.85m。基坑開挖時(shí)避免擾動(dòng)圓礫土層原狀土結(jié)構(gòu)，基坑周邊按1：1.5放坡，基坑開挖完畢后立即進(jìn)行填土施工。

3）采用質(zhì)地堅(jiān)硬的礫石、碎石和中粗砂作為回填土料，礫石、碎石粒徑不得大于50mm，砂中不得含有有機(jī)物雜質(zhì)，含泥量及可溶性鹽不得超過3%。

4）分層鋪土、分層碾壓、分層檢測，合格后方可進(jìn)行新一層填土施工。基坑開挖至驗(yàn)槽后先行找平，對找平層和回填土的邊端部位用8～12t光輪靜碾壓路機(jī)碾壓，振實(shí)力300KN，鋪土厚度250mm。對大面積鋪土碾壓，采用Qz100-50振動(dòng)碾，振實(shí)力500KN，每層鋪土厚度為500mm，共4層，平均厚度2.0m，填土面積700㎡，8d完成施工任務(wù)。每層碾壓均按單向行車碾壓，嚴(yán)禁漏壓，碾壓時(shí)每次重疊3/4個(gè)碾輥，碾壓遍數(shù)3-6遍，一般碾壓3遍已能滿足要求。每層碾壓結(jié)束，即進(jìn)行壓實(shí)檢驗(yàn)及重度檢測，符合規(guī)定后則可進(jìn)行新一層填土施工。

（3）填土質(zhì)量檢驗(yàn) 對第2、3、4層換填土和回填土，選9個(gè)測試點(diǎn)，現(xiàn)場沒定砂礫土壓實(shí)層干重度最小值 γd=20.6KN/m3。測試結(jié)果見表4。設(shè)計(jì)要求填土干重度γd=22.1kN/m3，可見施工回填砂礫土干重度滿足設(shè)計(jì)要求。施工驗(yàn)收規(guī)范要求壓實(shí)系數(shù) λc=0.995～1.245，滿足施工驗(yàn)收規(guī)范要求。

此外，現(xiàn)場另選取了10個(gè)測點(diǎn)，進(jìn)行土工試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)，測出與換土層有關(guān)的物理力學(xué)指標(biāo)，平均指標(biāo)見表5。

從表一與表五比較來看，換土持力層的力學(xué)性能與原第4層圓礫層非常接近。這樣兩層土體結(jié)合，較好地改善了持力層的受力變形性能，滿足了設(shè)計(jì)需要。

結(jié)語

該工程自投入使用到現(xiàn)在，使用情況良好，無明顯沉降和其他變形。這說明在條件成熟的情況下，采用換土墊層和箱基共同協(xié)調(diào)工作的方式是解決軟土地基承載力不足的有效途徑。本工程換土中，采用砂子和礫石，能否加入其他一些材料使地基處理更為經(jīng)濟(jì)，更加有效，將仍是需研究的課題。

[1]GB50007-2011,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[2]JGJ 94-2008,建筑樁基技術(shù)規(guī)范[S].