換填法處理工業建筑軟弱地基的研究

摘要：軟弱地基的施工是建筑施工中的重點也是難點，為了確保基坑施工質量和安全，保證基坑施工的順利進行，建筑行業歷經多年發展，產生了多種較為成熟的處理技術。換填法處理軟弱地基是工業建筑中應用較為廣泛的一種方法，筆者結合佛山三水分輸站消防水罐基礎工程實例，詳細介紹了換填法處理軟弱地基的施工方法及質量控制的方法，就其中的換填法處理軟弱地基做出簡要探究。

關鍵詞：軟弱地基；換填法；承載力

1建筑工程軟弱地基的特點

1.1 軟弱地基是指主要由淤泥、淤泥質土、雜填土或其它高壓縮性土構成的地基，這種地基天然含水量過大，承載力低，在荷載作用下極易產生滑動或固結沉降，而且沉降穩定時間比較長。由于軟弱土具有強度低、壓縮性高、透水性差、抗剪強度低等特點，且易發生變形，導致流土、管漏、液化，以至結構整體沉降或局部沉陷，導致結構的損壞，因此一定要注意軟土地基上建造的建筑物及構筑物的地基變形和穩定問題。

1.2 軟弱地基的壓縮性較高。一般正常固結的軟土層的壓縮系數約為0.5～1.5Mpa-1，最大可達到4.5Mpa-1；壓縮指數約為0.35～0.75。天然狀態的軟土層大多數屬于正常固結狀態，但也有部分是屬于超固結狀態，近代海岸灘涂沉積為欠固結狀態。欠固結狀態土在荷重作用下產生較大沉降。

1.3 軟土的滲透系數一般在1×10-6～1×10-8cm/s之間，所以在荷載作用下固結速度很慢。當地基中有機質含量較大時，土中可能產生氣泡，堵塞滲流通道而降低其滲透性。所以在軟土層上的建筑物基礎的沉降拖延很長時間才能穩定，同樣在荷載作用下地基土的強度增長也是及其緩慢的。

2 建筑工程軟弱地基處理的原則

對于新建工程，原則上首先應考慮利用天然地基，對于淤泥和淤泥質上利用其上覆較好上層作為地基持力層，當上覆土層較薄，應注意避免施工時對淤泥和淤泥質土的擾動：對于沖填、雜填建筑垃圾和性能穩定的工業廢料，當均勻性和密實度較好時，均可利用作為地基、持力層；對于有機質含量較多的生活垃圾和對基礎有腐蝕性的工業廢料等雜填土，未經處理不宜作為地基持力層。若地基軟弱不能滿足要求，根據工程情況及地基土質條件或組成的不同則需進行處理，地基處理的目的是：提高土的抗剪強度，使地基保持穩定；降低土的壓縮性，使地基的沉降和不均勻沉降至允許范圍內；改善土的動力性能、防止地基產生震陷變形或因土的震動液化而喪失穩定性；除去或減少土的沉陷性或脹縮性引起的地基變形，避免建筑物玻壞或影響其正常使用。

3換填法簡介及原理

3.1換填法簡介

換填法是處理淺表軟弱土層的一種傳統方法，是指當軟弱土地基的承載力和變形滿足不了建筑物的穩定性要求，而軟弱土層的厚度又太大時將基礎底面以下處理范圍內的軟弱土層部分或全部挖去，然后分層換填強度較高的骨料（中粗砂、碎石或卵石、素土、石屑、高爐干渣、粉煤灰、毛石）或其它性能穩定、無侵蝕性的材料，并壓（夯、振）實至能夠滿足承載力要求的密實度為止。換填法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理，換填墊層的厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3.0m。換填厚度太薄則作用不明顯，厚度太大則坑壁占地面積大或需要基坑支護，以及施工土方量大，棄土多，常使工程處理費用增高，工期延長，對環境的影響增大。

能夠用于換填法的原料種類很多，按換填材料的不同，墊層可分為：砂墊層、砂石墊層、碎石墊層、素土墊層、灰土墊層、二灰墊層、干渣墊層和粉煤灰墊層等。換填土采用不同材料作墊層時，其應力分布有差異，但其極限承載力還是比較接近的，故可將各種材料的墊層設計都近似地按砂墊層的計算方法進行計算。

換填砂石地基適于處理3.0m以內的軟弱、透水性強的粘性土地基，包括淤泥、淤泥質土；不宜用于加固濕陷性黃土地基及滲透系數小的粘性土地基。

對建在軟弱地基上的建筑物或構筑物進行地基處理前，應先進行工程地質或水文地質勘查，查明軟弱土層的組成、地質成因、分布范圍、均勻性、軟弱土層厚度、持力層位置及狀況以及地基土的物理和化學性質，編制詳盡的地基處理方案。

3.2換填法的技術原理

當粘性土的土樣含水量較小時，其粒徑間引力較大，在一定的外部壓實功能作用下，如果不能有效地克服引力而使土粒相對移動，這時壓實效果就比較差。當增大土樣含水量時，結合水膜逐漸增厚，減小了引力，土粒在相同壓實功能條件下易于移動而擠密，所以壓實效果較好。但當土樣含水量增大到一定程度后，孔隙中就出現了自由水，結合水膜的擴大作用就會減弱，因而引力作用就會顯著減小，此時自由水填充在孔隙中，從而產生了阻止土粒移動的作用，所以壓實效果又趨下降，因而設計時要選擇一個“最優含水量”，這就是土的壓實機理。

例如級配砂石換填法處理軟土地基，就是將基礎底面下一定范圍內不適宜作承載層的軟弱土層挖除，換填以無侵蝕性的壓縮性較低的天然或人工拌合級配砂石（3：7），經過分層碾壓至要求的密度為止，使其滿足上部結構對地基強度和穩定性的要求。

在實際施工過程中，對墊層碾壓質量的檢驗，要求能夠獲得填土的最大干密度ρd max，其最大干密度可通過委托試驗室進行擊實確定。委托送樣時，必須從施工現場的砂石料堆場隨機取樣進行送檢，不得自行調配送樣材料的粒徑、含水量。

4換填法處理軟土地基的技術要點

4.1軟弱土的開挖及基坑支護

南方沿海地區很多施工場地為填海造陸場地，表面看施工場地回填土料均勻密實，一旦開挖至地表下2～3m，原有地質情況就顯露出來，大量淤泥便出現在回填土料下方，地下水位較高的基坑淤泥呈飽和流塑狀態，穩定性極差。基坑開挖是大面積的卸荷過程，容易引起基坑周邊土體應力場變化及地面沉降。為保證基坑施工安全，禁止在基坑周圍隨意堆土及物料，增加基坑的周邊荷載，否則會增加支護后面的土壓力和滑動力矩，從而降低支護體系的安全等級；支護結構必須滿足強度、穩定性、變形性三方面的設計要求，確保邊坡穩定，防止邊坡土塌陷混入墊層中，如果坑壁土質為松散雜填土或墊層寬度不能滿足45。擴散角時，宜砌筑磚壁保護；南方地區雨水較多，還必須及時采取措施排除基坑內的降雨或施工用水，防止降低土體的強度和增加側壓力；必要時還應設置截水帷幕，防止水刷邊坡，造成基坑塌方；基坑采用機械開挖時，應避免擾動坑底土層，預留150～200mm厚土層采用人工開挖至設計標高；清除積水、浮土，組織驗槽；基底暴露后及時回填砂石墊層，防止地基土表層直接日曬或受雨水浸泡。

4.2換填墊層的設計

對面積較小、上部荷載較大、開挖深度較大的一般構筑物軟弱土基坑，可采用打松木樁的方法進行輔助處理。打入的木樁采用耐久性良好、質地堅實、形狀筆直，直徑為 10～15 cm，長度為2.5～4.5 m 經過防腐處理的紅松。開挖至預定深度后，立即在挖掘前沿位置人工打入木樁，以穩固基坑。木樁的最佳間距為50～60 cm，打入軟基深度至少為2.5 m，在基坑內均勻布置，也可在需要的局部增大布樁密度，木樁外露部分伸入上層換填層不少于100㎜。松木樁適宜在地下水位以下工作，而在地下水具有較強腐蝕性的沿海地區，不宜使用松木樁。

木樁打入基底后進行卵石或砂石的鋪設，卵石或塊石最大直徑約為不超過50 cm，大小應摻和使用。木樁之間必須充填滿卵石，以頂緊木樁，使木樁穩定。大塊卵石緊密鋪滿一層后，再用中砂填塞其空隙。碾壓前的鋪石厚度以能承載施工機械的最小厚度為宜，這樣不但滿足通行條件，而且易于振動碾壓密實。每層鋪石表面鋪填小石子，以便振動碾壓機械行進。如果換填材料為砂石，宜采用中砂 、粗砂、礫砂、碎石（卵石）、石屑，其中碎石占30%～50%，不含植物殘體、垃圾、腐殖質等雜質，黃砂宜用中粗砂，含泥量不超過5%；當采用細砂時，應同時摻入25%～35%的碎石或卵石；砂石攪拌要均勻，最好用攪拌機拌合60秒；墊層應分層鋪填，每層虛鋪厚度與碾壓方法緊密相關。第一層厚度宜為150～200mm（地下水位以上）或者為200～250mm（地下水位以下），應仔細夯實并防止擾動坑底原狀土，其余厚度取200～300mm。

壓實墊層可采用分層碾壓、夯實等，壓實機械宜采用平板振搗器或經過試驗確定的振動碾和振動打夯機，或者用用推土機推土板自坑槽一端垂直向下擠壓已鋪塊石，人工配合不斷向擠入淤泥部位補充塊石，直至塊石不再下沉。推土機鏈板兼顧碾壓和微振作用，擠淤壓實塊石之后往返碾壓 4～5 遍。推土機碾壓找平后使用振動碾，按照不振、弱振、強振、不振的順序再次碾壓，直至淤泥中的鋪石層不再下沉。在碾壓過程中，必須安排人工拋石，隨時補充碾壓下沉部位。第一層鋪石層碾壓完畢后，用同樣的方法攤鋪碾壓第二層石料及沙礫石找平層。為保證分層碾壓的質量，應控制機械碾壓的速度。施工過程中應檢查分層鋪設的厚度、分層施工時上下兩層的搭接長度、夯實時的加水量、夯擊變數，并在上層鋪設前檢測下層的壓實系數，合格后方可進行上層填料碾壓。換填及碾壓過程中必須對周圍的建筑物、管線等進行監測，發現異常情況應立即停止施工，找出原因并排除隱患后方可繼續施工。

4.3澆筑混凝土墊層

為穩定拋石層，增強地基的承載力和整體穩定性，在拋石層上澆筑素混凝土墊層。墊層之上現澆鋼筋混凝土基礎，其中配受力鋼筋和箍筋。

4.4工程實例

佛山三水分輸站為西氣東輸的一個站場，位于佛山市三水區樂平鎮，站場施工場地為回填土場地，回填過程中機械碾壓密實，站場設置1座2000m3消防水罐以供本站場及臨近佛山燃氣的消防水來源，罐基礎為直徑16米的圓環形鋼筋混凝土基礎。征地邊界處為魚塘，回填土料時未作處理。由于甲方要求基礎位置偏離原設計位置5米，剛好使得罐基礎沿圓周方向有一段長6.5米，寬1.2米的基槽坐落在塘泥上。現場開挖后測得塘泥深度為2.6米，采取換填法處理此段軟弱地基，換填材料為級配砂石（3：7），砂選用中粗砂，石料采用粒徑10～40mm的碎石，經驗算換填尺寸為沿圓周方向8.5米長，2.2米寬，3.1米深時方能滿足地基承載力要求。

結語：

我們在進行軟弱地基施工時必須高度重視，不斷提高深基坑處理的技術水平。將基礎底面下處理范圍內的軟弱土層挖去，然后分層換填砂、石、石灰、爐渣等建筑材料是一種行之有效的方法。而在進行砂石換填地基處理時，關鍵是要控制砂石墊層的配合比、壓實系數、地基承載力和變形，同時滿足基坑的穩定性要求。換填法是一種較簡單的淺層處理方法，適用于淺層地基處理，在軟弱土層較薄（一般小于4m），上部荷載又不太大的條件下處理軟基，宜優先考慮此法。工業建筑中有大量的設備基礎、管墩支座、管道支架等小型構筑物，常年承受交變荷載，基礎局部的軟弱地基必須予以處理，否則隨著時間的推移，基礎會因沉降幅度過大而導致無法使用，而換填法處理此類問題安全可靠、經濟合理、簡捷高效，尤其值得在工業建筑領域中推廣使用。

參考文獻

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