粗砂地層局部軟弱地基換填處理的工程應(yīng)用

袁志仁，汝 劍

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林綠地興合建筑設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)春 130020)

粗砂地層局部軟弱地基換填處理的工程應(yīng)用

袁志仁1，汝 劍2

(1.長(zhǎng)春工程學(xué)院土木工程學(xué)院，長(zhǎng)春 130012； 2.吉林綠地興合建筑設(shè)計(jì)有限公司，長(zhǎng)春 130020)

通過(guò)對(duì)河道一級(jí)階地粗砂層局部軟弱地基進(jìn)行換填處理的工程實(shí)例的分析，總結(jié)了換填處理對(duì)該地層的經(jīng)濟(jì)實(shí)用性，拓寬了換填處理及天然地基的應(yīng)用范圍，克服了該類(lèi)場(chǎng)地樁基施工的難點(diǎn)，節(jié)省了工期和造價(jià)。同時(shí)積累了級(jí)配砂石換填處理的施工經(jīng)驗(yàn)。

換填處理；壓實(shí)系數(shù)；最大干密度；級(jí)配砂石

長(zhǎng)春市伊通河階地巖層埋深較淺，強(qiáng)風(fēng)化泥巖上方往往有粗砂、細(xì)砂夾泥、局部淤泥等不利地層。其中，粗砂層承載力比較高，在下部無(wú)軟弱層的前提下，是良好的天然地基。一般高層主體下均設(shè)置地下室，基底落到粗砂層時(shí)，該土層能滿(mǎn)足24層左右的高層住宅所需的承載力，不必采用樁基礎(chǔ)。若建筑基底有局部未落至粗砂層或底板下存在局部軟弱層時(shí)，因預(yù)制樁穿越砂層難度大，而灌注樁造價(jià)高，故采用換填法處理地基是優(yōu)選方案。換填時(shí)將建筑物基底下一定深度的軟弱土層挖除，然后回填強(qiáng)度較高、壓縮性較小、原料來(lái)源較豐富的換填料。本文通過(guò)闡述該類(lèi)地基采用換填法處理局部軟弱部位的工程實(shí)例來(lái)分析其的實(shí)際工程應(yīng)用。

1 工程概況

長(zhǎng)春市伊通河二級(jí)階地某高層住宅小區(qū)，設(shè)滿(mǎn)鋪的二層地下車(chē)庫(kù)，基底標(biāo)高為-9 m，地上有3棟6～8層的框架辦公樓，6棟11～27層不等的高層剪力墻住宅。該基坑開(kāi)挖深度至9 m時(shí)，大部分已落至中粗砂層(根據(jù)地勘報(bào)告，該層承載力特征值fak為270 kPa，壓縮模量Es=20 MPa)，部分區(qū)域落至夾泥粉細(xì)砂層(承載力特征值fak為150 kPa，壓縮模量Es=11 MPa)，均能滿(mǎn)足地下車(chē)庫(kù)所需的承載力。抗浮設(shè)計(jì)水位為-1.5 m，純地下車(chē)庫(kù)需進(jìn)行抗浮設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)在底板下采用錨桿抗浮，錨桿避開(kāi)柱下墩基礎(chǔ)布置于底板下，以減小底板因水浮力產(chǎn)生的內(nèi)力。

原設(shè)計(jì)各棟主樓及地庫(kù)均采用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土管樁，開(kāi)挖后根據(jù)實(shí)際地層情況，修改地基條件較好的多層框架及兩棟11層剪力墻住宅為天然地基上的筏板基礎(chǔ)。根據(jù)工程進(jìn)展，考慮工期因素及施工現(xiàn)場(chǎng)條件，后期又增加兩棟高層剪力墻住宅修改為天然地基上的筏板基礎(chǔ)方案。按照設(shè)計(jì)和勘察方的要求，在基底下1 m范圍內(nèi)的夾泥粉細(xì)砂層須全部挖除。驗(yàn)槽及釬探時(shí)發(fā)現(xiàn)，在一棟11層及后期增加的兩棟高層剪力墻住宅的基底下都存在面積大小不等的軟弱層，需進(jìn)行換填處理。經(jīng)與勘察方協(xié)商，僅對(duì)薄弱地基區(qū)域采用級(jí)配砂石進(jìn)行換填處理，要求換填后的地基與未換填的粗砂層具有相似的沉降特性，以避免不均勻沉降。

2 換填處理設(shè)計(jì)

2.1 確定換填深度和范圍

根據(jù)地勘報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)開(kāi)挖土層情況，換填深度為0.5～1.8 m，實(shí)際開(kāi)挖時(shí)發(fā)現(xiàn)挖至粗砂層后，粗砂層內(nèi)仍?shī)A透鏡體狀淤泥或粉細(xì)砂層，決定換掉該部分薄弱土層，最終4#樓確認(rèn)換填面積約40%，深度約1 m；而5#樓換填深度較大，換填面積超過(guò)60%，考慮到該樓層數(shù)達(dá)到22層，荷載大，最終全部地基均做換填處理。

換填的范圍根據(jù)如下原則確定:在主樓基礎(chǔ)范圍內(nèi)的夾泥細(xì)砂層須全部挖除;在基礎(chǔ)以外的砂層考慮到壓力擴(kuò)散角的影響，換填范圍自基礎(chǔ)外緣向外多放寬1倍的換填深度。

2.2 選擇換填材料

換填材料采用級(jí)配砂石，采用碎石和砂混合。碎石需外購(gòu)。由于整個(gè)基坑開(kāi)挖面積大、挖出大量的中粗砂，故不必外購(gòu)砂。在選擇換填材料時(shí)應(yīng)使用不含有機(jī)質(zhì)及黏土團(tuán)的砂，砂與碎石混合料中碎石的含量應(yīng)大于60%，碎石的最大粒徑應(yīng)不大于50 mm。

2.3 確定碾壓夯實(shí)參數(shù)

換填施工的主要工藝參數(shù)包括分層換填厚度、每層壓實(shí)遍數(shù)、壓實(shí)后的最大干密度和最優(yōu)含水量等。壓實(shí)系數(shù)取土的控制干密度與最大干密度的比值。

換填料壓實(shí)系數(shù)采用0.97。工程開(kāi)始之前首先在天然粗砂持力層中隨機(jī)取3個(gè)點(diǎn)做原狀土的最大干密度試驗(yàn)，以此確定施工時(shí)要求的最小干密度值。通過(guò)試驗(yàn)確定其干密度平均值為2.03 g/cm3，因此，換填后每層取樣的干密度值應(yīng)大于2.03 g/cm3。

3 施工及質(zhì)量控制

3.1 選擇施工機(jī)械

施工機(jī)械應(yīng)根據(jù)換填材料選擇，針對(duì)級(jí)配砂石的換填，本工程選用自重16 t的振動(dòng)碾，使用挖掘機(jī)倒運(yùn)回填級(jí)配砂石，砂石的現(xiàn)場(chǎng)攪拌最初采用旋轉(zhuǎn)攪拌機(jī)，因每次攪拌的量太少，極費(fèi)工時(shí)，延誤工期，最終采用挖掘機(jī)配合人工進(jìn)行攪拌。

3.2 施工要點(diǎn)

鋪填級(jí)配砂石前應(yīng)先驗(yàn)槽，驗(yàn)槽除目測(cè)基層是否已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)持力層外，還有必要采用鋼管進(jìn)行簡(jiǎn)易釬探，以判別基層下是否存在軟弱下臥層，如果有軟夾層，且厚度大于15 cm，仍需繼續(xù)下挖以清理軟夾層。

確認(rèn)基底持力層后，將基底表面浮土、細(xì)砂、雜物清除干凈，兩側(cè)應(yīng)設(shè)一定坡度防止夯實(shí)時(shí)塌方；換填應(yīng)從最低處開(kāi)始，進(jìn)行整片分層夯填(或碾壓)；分層填料的厚度每層不大于30 cm、采用振動(dòng)碾分層壓實(shí)的遍數(shù)不少于3遍；壓實(shí)填土的施工縫各層應(yīng)錯(cuò)開(kāi)搭接，要適當(dāng)增加施工縫搭接處的壓實(shí)遍數(shù)；回填料太干時(shí)可澆水濕潤(rùn)，以保證最優(yōu)含水量控制在3%～5%；輪式振動(dòng)碾每次碾壓時(shí)輪跡應(yīng)與前次碾壓寬度重迭一半，機(jī)械碾壓不到之處，用小型蛙式夯機(jī)配合夯實(shí)。

施工中每個(gè)臺(tái)班所鋪平的換填料，必須當(dāng)班夯實(shí)(碾壓)完畢，應(yīng)消除表面泥漿、積水后才能繼續(xù)回填。

3.3 施工質(zhì)量控制

換填質(zhì)量主要檢測(cè)壓實(shí)系數(shù)，并應(yīng)分層檢驗(yàn)。具體做法是在每層表面下1/3厚度處取樣，測(cè)定回填級(jí)配砂石的干密度，以不小于最小要求干密度控制值為合格，如未達(dá)到要求，應(yīng)增加壓實(shí)遍數(shù)并重新碾壓。本工程每層取3個(gè)點(diǎn)。在現(xiàn)場(chǎng)使用灌水法相對(duì)灌砂法更容易準(zhǔn)確測(cè)定試驗(yàn)點(diǎn)的體積。由于實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)周期較長(zhǎng)，而施工工期很緊，不可能等每層的干密度試驗(yàn)結(jié)果出來(lái)后再繼續(xù)施工下一層，因此在施工現(xiàn)場(chǎng)可采用炒干法快速測(cè)定回填料的干密度值。采用此方法測(cè)定的干密度值與試驗(yàn)室結(jié)果相比誤差很小，不影響后續(xù)工作。因回填料的含水量較小，對(duì)東北的秋季來(lái)說(shuō)一般在3%附近，而現(xiàn)場(chǎng)測(cè)點(diǎn)試坑的體積測(cè)定也有一定的誤差，故可通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)直接取定的砂石估算干密度以加速檢測(cè)判斷。經(jīng)檢驗(yàn)，回填級(jí)配砂石干密度值范圍在2.05～2.15 g/cm3之間，均大于要求的最小干密度值。

換填施工完后各棟均針對(duì)換填區(qū)域進(jìn)行了靜載荷試驗(yàn)，并在天然地基上進(jìn)行對(duì)比載荷試驗(yàn)，以此評(píng)價(jià)地基的承載力和沉降差。從圖1所示的Q—S曲線可以看出，上述試驗(yàn)點(diǎn)當(dāng)荷載加至最大壓力值800 kPa時(shí)，均未出現(xiàn)明顯的比例極限和無(wú)明顯的拐點(diǎn)及陡降段，為一條完整連續(xù)的平緩、勻滑曲線。由此可知，天然地基上與換填上承載力特征值均大于400 kPa；換填區(qū)域與天然地基在400 kPa荷載作用下，最大差異沉降不足2 mm，符合設(shè)計(jì)要求。

施工上部結(jié)構(gòu)時(shí)，對(duì)地基沉降進(jìn)行觀測(cè)，目前換填的3棟主樓均已進(jìn)行了主體驗(yàn)收，觀測(cè)最大沉降值為23 mm，最小沉降值為16 mm，沉降量很小且未見(jiàn)明顯不均勻沉降，主體基礎(chǔ)與周邊地庫(kù)底板無(wú)沉降開(kāi)裂現(xiàn)象。

粗砂層基P—S曲線

換填地基P—S曲線圖1 天然地基及處理地基的靜載荷試驗(yàn)Q—S曲線

4 換填對(duì)比實(shí)例

該項(xiàng)目8#樓為11層的剪力墻住宅，基底大部分落至粗砂層，僅右側(cè)1/4單元的基底為夾泥的粉細(xì)砂層。解決方案是挖除厚度為0.5～2.5 m不等的夾泥粉細(xì)砂層，并采用粗砂分層夯填。

換填時(shí)因施工方急于搶工期，導(dǎo)致施工存在諸多問(wèn)題：1)基坑降水深度偏小，挖到中粗砂層時(shí)地下水不能及時(shí)排除，不能保證干作業(yè)換填施工；2)未處理水下回填的粗砂，水下回填應(yīng)改用級(jí)配砂石；3)回填分層厚度大，且未認(rèn)真進(jìn)行夯實(shí)處理，回填后對(duì)地基進(jìn)行檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，原狀粗砂層釬探打入30 cm需要25～32擊，回填區(qū)域僅10～12擊，兩者差別巨大，故必須對(duì)換填區(qū)域進(jìn)行處理。

因地下水含量豐富，局部降水困難，故采取挖掉表層1的回填砂層，對(duì)剩余回填料進(jìn)行澆水振搗，振搗點(diǎn)位按500 mm間距的方陣進(jìn)行，采用混凝土振搗棒振搗，同時(shí)灌入碎石，碎石料隨振搗下落，振搗深度至回填下界，處理至碎石不再繼續(xù)下落為止。表層1 m再采用分層碾壓夯填的方式處理。處理之后再進(jìn)行釬探，每打入30 cm的貫入擊數(shù)為22～35擊，1 m以下填料夾大量碎石，貫入困難，表明密實(shí)度較均勻，且與原狀粗砂層相當(dāng)，不會(huì)導(dǎo)致明顯的不均勻沉降。

整個(gè)處理過(guò)程反復(fù)了若干次，從第一次換填到處理完成耗時(shí)20 d，耗費(fèi)了大量時(shí)間和人力、物力。事后總結(jié)，主要原因是施工方忽視了換填施工的難度和換填密實(shí)度的重要性，欲速則不達(dá)，如果從一開(kāi)始就認(rèn)真對(duì)待，反而是最經(jīng)濟(jì)且省時(shí)的方案。

5 結(jié)語(yǔ)

建筑地基換填處理因關(guān)系到基礎(chǔ)與上部結(jié)構(gòu)的安全，施工缺陷易造成極為嚴(yán)重的后果，且后續(xù)處理困難，故換填施工時(shí)參建各方須認(rèn)真對(duì)待，確保換填料的壓實(shí)系數(shù)。

換填時(shí)應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)和勘察的要求確定換填范圍和深度，排除基底軟弱下臥層。進(jìn)行換填處理前測(cè)定粗砂層的最大干密度，以此要求回填料碾壓后的最小干密度，以匹配換填地基與天然地基的密實(shí)性，避免地基產(chǎn)生不均勻沉降。

采用換填法處理粗砂層的局部薄弱地基，是該類(lèi)場(chǎng)地上可供選擇且較為經(jīng)濟(jì)的地基處理方案。

[1] 張浩.大體積砂卵石換填地基的應(yīng)用[J].中國(guó)西部科技，2011(4)：35-37.

[2] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2012.

[3] 中國(guó)建筑科學(xué)研究院.GB 50007—2011建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

The Application of Local Softer Foundation Replacing Treatment to Coarse Sandy Stratum

YUAN Zhi-ren，et al.

(SchoolofCivilEngineering，ChangchunInstituteofTechnology，Changchun130012，China)

Taking the construction of replacing treatment to local softer foundation in coarse sandy stratum in a first-class terrace，this article expresses that the replacing treatment is economic and practical to this stratum.The applied field of replacing treatment and natural foundation has been extended，and the difficult points of pile base construction have been avoided.The cost and construction time has been saved.This article also summarizes the construction experience on replacing treatment to gradated sand and stone.

replacing treatment；coefficient of compaction；maximum dry density；graded sand and stone

10.3969/j.issn.1009-8984.2016.04.003

2016-09-07

袁志仁(1974-)，男(漢)，長(zhǎng)春，碩士，講師 主要研究混凝土結(jié)構(gòu)。

TU472.2

A

1009-8984(2016)04-0008-03