石粉墊層用于地基處理時的沉降規律分析

王 仁 剛

(青島市勘察測繪研究院，山東 青島 266033)

1 概述

近些年來隨著現代采石場機械化程度不斷增加，其作業量不斷提高，使得石粉產生堆積或堆填。為了防止石粉粉塵污染環境或堆填產生次生環境地質災害，1995年青島市首先將石粉以新型墊層材料引入了地基處理工程中，隨后在各類工程中廣泛應用。從地層上看，青島市整體坐落在花崗巖質基巖面上，總體穩定性好，建筑地基優良；但下伏的花崗巖層埋深不均勻，且部分地區的基巖面起伏較大，加之多年的人為改造，形成了包括堅硬的花崗巖以及厚度不一的第四系風化土層在內的性質不一的天然地基。

石粉是各類石料人為切割或粉碎的產物，然而石粉的粒徑范圍國內沒有統一規定。石粉作墊層使用的方法本質是地基處理方法中的換填墊層法，而石粉作墊層使用的特點就在于取代了傳統的高造價材料。使建筑廢料作為地基處理中的墊層，不但節約成本，而且也起到了保護環境的積極作用。國內對于石粉的研究多圍繞石粉本身特性以及石粉墊層的施工展開。肖朝昀等[1]對砂質粉土(ASTM標準)的花崗巖石粉進行固結不排水試驗，得出相對密度或者圍壓的增大會增強該類石粉的抗液化能力。張慧花[2]在控制粒徑配比的條件下，對花崗巖的石粉進行重型擊實試驗，得到該類石粉干密度與粗顆粒含量關系曲線呈駝峰形，且當擊實前粒徑大于2 mm的顆粒占31%時，干密度最大，分析認為在施工前須有抽檢石粉干密度以及石粉級配的環節，確保石粉作墊層使用時的穩定性；張敬志和閆韶兵[3]對花崗巖石粉作夯實處理，將夯填度作為變量控制，并進行平板靜力載荷試驗，得到夯填度、地基承載力標準值以及變形模量之間的關系，通過分析極限荷載與臨塑荷載比值，對石粉墊層的彈塑性進行了分析，認為該類石粉作墊層使用時屬于低壓縮性土。閆韶兵等[4]介紹了輕型動力觸探試驗對于石粉墊層的力學特性反映，分析得出墊層的厚度及上部荷載變化與承載力變化的相關性，認為在施工時要結合動力觸探試驗確定石粉墊層的承載力，且其承載力在厚度相同的條件下呈現正態分布。在施工時要控制石粉的含水量、夯填度等，防止類似“翻漿”現象的發生。王建軍[5]介紹了青島市浮山新區建設期間使用的石粉墊層施工，認為其對比大挖、大填而言節省了成本，提高了地基質量；來慶杰[6]對太原市某處住宅區進行了地基處理方法的選擇對比，綜合成本、效果等因素認為采用石粉墊層處理可以滿足要求，且不需考慮地基液化的影響；王天麗和張志華[7]對青島市李滄區某需要處理軟土地基處進行了換填石粉墊層，并計算了墊層厚度，對墊層的施工及檢測進行了分析，認為石粉墊層穩定性良好，取材方便，經濟合理。

本文結合青島市浮山北麓一住宅區工程實例，著重分析了石粉墊層用于地基處理時的沉降規律。

2 場區工程地質概況及地基處理方法的選擇

該住宅區位于青島市所轄市北區浮山地區的西北部，規劃占地面積約12.5 km2。所選典型樓座位于一、四、六小區，其中四小區、六小區南北毗鄰，一小區位于四小區的西北部，對一小區和四、六小區的工程地質概況分述如下：

一小區區域內部有一條南北向沖溝，本次進行沉降觀測的各樓座均位于其內及兩側。溝底土層由新近沉積、稍密的砂土及軟塑為主的粉質粘性土組成，沖溝兩側及下部為中密以上的砂土及上更新統的老黏土，下伏基巖為強風化的花崗巖。除去新填土外，第四系厚度均在8 m以下。由于一小區地基處理前新近堆填土的厚度變化較大，約1.5 m～7.9 m，且成分混雜，故擬在溝底進一步進行回填，擬回填土最大厚度應大于10 m。總體而言，一小區建設場地人為挖填改造較明顯，地基處理時應就場地內沖溝的無序性回填、地基土不均勻以及地基承載力低等存在的主要問題進行施工改造。

四、六小區位于浮山山脈正北部，地貌成因形態為山前剝蝕斜坡、剝蝕堆積緩坡及侵蝕堆積平原。其中山前剝蝕斜坡基巖呈裸露或半裸露狀態，第四系覆蓋厚度均小于3 m，地形緩降；剝蝕堆積緩坡地形相對平緩，第四系土層主要為上更新統的老黏土以及中密以上的砂土和碎石土，局部沉積有新近薄層沉積土，第四系覆蓋總厚度為3 m～ 9 m，局部基巖面起伏較大；侵蝕堆積平原則位于小河中下游兩岸區域，地形平坦，第四系覆蓋厚度一般大于7 m，最厚處約15 m，表層多為新近沉積土且人為改造明顯，故強度較低，下部上更新統的粘性土、砂土以及碎石土的強度較高，地層呈明顯的上軟下硬狀態，下伏基巖面起伏不大，相對平緩。總體來看，四、六小區地層結構較復雜，地形起伏較大，且規劃的室內外地坪與原有地面高差較大，地基處理時局部為大挖大填，故為淺層地基處理使用墊層創造了條件，調整地基的均勻性及變形協調性是地基處理的主要任務。

工程根據每棟樓座所處區域的下臥土層性質、基巖面起伏程度等具體特性，將石粉墊層分別與強夯法、粘性土組合使用。與強夯法的結合使用，使石粉墊層可以抑制面波的松動作用并可以防止粘錘現象，對于現行的強夯施工具有一定的積極意義，而其不足之處便在于夯擊過程中墊層本身也消耗了一部分夯擊能。與粘性土結合使用的地基中，粘性土以老黏土為主，性質穩定，承載力高，該類地基處理方法屬于淺層地基處理的范疇，主要是為了減少基礎的埋深，改善地基穩定性。

3 地基處理效果

石粉墊層結合強夯法應用的樓座中，石粉墊層的地基承載力范圍為250 kPa～350 kPa，壓縮層厚度范圍為0 m～2.5 m；強夯后地基承載力范圍為90 kPa～250 kPa，壓縮層厚度范圍為0 m～7.7 m。石粉墊層結合粘性土應用的樓座中，地基承載力范圍為250 kPa～320 kPa，壓縮層厚度范圍為0 m～3.1 m，見表1，表2。

表1 石粉墊層結合強夯法處理后效果表

表2 石粉墊層結合黏性土處理后效果表

4 沉降數據分析

石粉墊層結合強夯法的應用中，石粉墊層小部分是用來充當巖石褥墊，大部分是用來改善強夯地基的不均勻性，減少對夯填土強度及變形的要求，以及在最優級配含水量時具有良好的防粘錘功能。

石粉墊層與粘性土結合的地基，是由于下臥基巖埋深較大，且起伏不明顯，上部土層較厚，故將壓縮性較大的粘性土地基與壓縮性較小的石粉墊層結合使用，可以減少基礎埋深，協調地基穩定性，形成屬于淺層地基處理方法的石粉墊層與粘性土地基。

4.1 沉降量與時間的關系

1)采用強夯與石粉墊層組合地基的樓座，均采用了鋼筋混凝土板帶，基礎寬度一般為1.0 m～2.9 m，實際觀測的總沉降量為0.1 mm～29.8 mm，平均值為4.3 mm～18.4 mm，測點間的局部傾斜在2.3×10-6～9.0×10-4，小于2‰，滿足規范要求。末次沉降速率在0 mm/d～7.0×10-3mm/d，小于10-2mm/d，符合穩定標準要求，顯示末次觀測時建筑物已穩定。典型樓座的沉降量與時間的關系曲線如圖1所示。

2)石粉墊層與粘性土結合的地基，一般使用的石粉墊層小于3 m，承載力大于240 kPa。采用石粉墊層與粘性土組合地基的樓座基礎應用了毛石混凝土條基或獨立柱基，基礎寬度為0.6 m～1.4 m，柱基的柱尺寸為1.4 m×1.4 m～4.9×4.9 m。實際觀測的測點總沉降量為0.2 mm～10.7 mm，各樓座平均沉降量為0.5 mm～7.3 mm，測點間局部傾斜值在2.3×10-5～4.5×10-4之間，最大值小于2‰，滿足規范要求。末次沉降速率為0 mm/d～1.8×10-3mm/d，最大值小于10-2mm/d，符合穩定標準要求，顯示末次觀測時建筑物已處于穩定狀態。典型樓座的沉降量與時間的關系曲線如圖2所示。

4.2 各樓座平均沉降量的比較分析

圖3為采用兩種地基處理方法處理的各樓座的平均沉降量對比圖，對于石粉墊層與強夯組合的地基，其各樓座平均沉降量的平均值為11.511 mm，標準差為4.544，反映采用該種組合型式的地基各樓座的平均沉降量離散程度較高；對于石粉墊層與粘性土組合地基，其各樓座平均沉降量的平均值為4.819 mm，標準差為1.588，反映采用該種組合型式的地基各樓座的平均沉降量離散程度較低。對比兩種組合型式可以得出，采用石粉墊層與粘性土組合地基的樓座平均沉降量普遍較小，而采用石粉墊層與強夯組合的地基平均沉降量較大且沉降量不穩定，故說明在工程地質條件合適的情況下，優先采用石粉墊層與粘性土組合地基更為穩妥。

5 沉降規律以及基礎的調節作用

對于石粉墊層與強夯法共同使用的地基，應用的樓座下伏基巖一般呈起伏較緩的“二級階梯”狀，“階梯”高差一般約為2 m。土質為粗粒砂和含粘性土的砂質土，由于其起伏程度較緩，故使用石粉墊層，一方面作為巖石褥墊層，當處于密實狀態的石粉墊層厚度為1 m時，雖然石粉墊層的絕對沉降量僅為1.30 mm，但其調整沉降的作用并不明顯，說明石粉墊層的厚度對于調整沉降效果的影響仍需進一步研究。另一方面為強夯作墊層，調整強夯對夯填土強度及變形的要求，厚度為基礎寬度的0.25倍～0.50倍時，其擴散基底壓力作用明顯，能夠有效減少沉降量。從沉降量—時間曲線中可以看出，地基在基礎施工后450 d～540 d基本都達到穩定狀態，沉降速率約為0.002 mm/d～0.024 mm/d，認定其已穩定，且符合砂質土的沉降規律。在建筑施工完畢時，地基沉降量約為最終沉降量的84%～87%。且通過分析強夯法與石粉墊層組合地基的最終沉降量，2.30 m的基礎寬度相較于1.70 m的基礎寬度，沉降量可減少1/2左右。即說明了加大基礎寬度可有效減少地基沉降量。

對于石粉墊層與粘性土結合使用的地基，主要是為了減少基礎埋深，改善地基穩定性。從沉降量—時間曲線中可以看出，該種組合方式在本工程中總體沉降量及最大局部傾斜最小，地基強度及均勻性最好。地基在基礎施工后385 d～485 d基本都達到穩定狀態，沉降速率約為0.005 mm/d～0.009 mm/d，認定其已處于穩定狀態。在建筑施工完畢時，地基沉降量約為最終沉降量的65%～75%。

6 結語

在浮山新區住宅小區工程中創新性的使用石粉墊層，拓寬了青島市基巖起伏場地的地基處理的思路，分析認為對于青島市類似本工程的地基處理在嚴格論證其應用條件及適宜性的前提下，完全可以采用石粉墊層對地基進行處理，通過實際工程中的監測數據，可以得出以下結論：

1)石粉墊層具有壓縮性小、性質均勻、不易對周圍土體產生擾動等特點。

2)采用石粉墊層處理后的地基基礎采用剛性基礎為宜，其變形均勻性好。

3)強夯地基與石粉墊層搭配使用可以較好的調整基巖起伏場地地基的不均勻性，減弱差異沉降。此外，石粉墊層用作墊層強夯施工時，厚度應達到基礎寬度的0.25倍～0.50倍，此時可以明顯的調整基巖起伏場地地基總體穩定性、降低基底附加壓力。另外增加基礎寬度可以有效擴散基底壓力。

4)石粉墊層作巖石褥墊使用時，厚度小于0.5 m為宜，夯填度應據計算的沉降量控制，否則會適得其反。

參考文獻:

[1] 肖朝昀，陳志彬，常方強.石粉靜態液化特性試驗研究[J].土木工程學報，2015，48(Z2)：88-92.

[2] 張慧花.淺談石粉渣級配的影響分析[J].廣東建材，2012(4)：11-13.

[3] 張敬志，閆韶兵.石粉墊層的研究與應用[J].工程勘察，2000(1)：29-31.

[4] 閆韶兵，李主焱，張敬志.石粉墊層的施工與檢測[J].工程勘察，2001(1)：12-14.

[5] 王建軍.夯實雙層結構地基在多層住宅建筑中的應用[J].工程勘察，2000(6)：34，44-45.

[6] 來慶杰.翠馨苑小區地基處理[J].太原科技，2003(2)：46-47.

[7] 王天麗，張志華.石粉墊層的工程應用實例[J].青島建筑工程學院學報，2002，23(3)：98-100.