軟弱地基級(jí)配碎石墊層換填處理的設(shè)計(jì)與施工

王強(qiáng) 劉偉華 殷尚偉 詹祥杰

中建五局土木工程有限公司 湖南 長(zhǎng)沙 410004

引言

軟弱地基是工程項(xiàng)目施工過(guò)程中，最常見(jiàn)的問(wèn)題。因?yàn)榈鼗鶠檐浫醯鼗籼幚聿划?dāng)，地基承載力不滿足設(shè)計(jì)要求，就會(huì)導(dǎo)致不均勻沉降問(wèn)題的發(fā)生，一旦不均勻沉降發(fā)生，就會(huì)給工程項(xiàng)目帶來(lái)影響，能引起構(gòu)筑物發(fā)生裂隙，或是傾覆的風(fēng)險(xiǎn)。基于此，本文對(duì)軟弱級(jí)配碎石墊層換填處理的設(shè)計(jì)和施工進(jìn)行研究，結(jié)合具體的工程案例，體現(xiàn)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)，推動(dòng)軟弱地基的處理效果，確保施工和使用的安全[1]。

1 工程概況

九江市八里湖區(qū)九龍學(xué)校項(xiàng)目由3棟多層建筑，3棟門(mén)樓和地下室組成；總用地面積約為42618㎡，總建筑面積約為38043㎡。本項(xiàng)目存在大面積（約10607m2左右）的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，集中在地下室及1#樓、2#樓區(qū)域，且平均深度為3m左右；淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土在場(chǎng)地內(nèi)部分分布，流塑～軟塑，工程性質(zhì)差，強(qiáng)度低，為高壓縮性土，工程性質(zhì)差，不能作為天然地基基礎(chǔ)持力層。

2 地基處理方法的選擇

2.1 常見(jiàn)淺層地基處理方法

表1 常見(jiàn)的淺層地基處理辦法及使用范圍分析

2.2 本項(xiàng)目地基處理的方法的選擇

由于本項(xiàng)目換填區(qū)域主要為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，且換填后需作為地基基礎(chǔ)持力層，建筑物對(duì)地基承載力要求較高。

級(jí)配碎石換填弱軟土地基，以提高地基承載力，良好的地基處理作業(yè)實(shí)施，對(duì)于工程的施工質(zhì)量控制以及工程施工中的安全性控制能發(fā)揮重要的作用，也有利于加快施工速度。

級(jí)配碎石換填是將基礎(chǔ)底面以下不太深的處理范圍內(nèi)的軟弱土層挖除，然后以質(zhì)地堅(jiān)硬、強(qiáng)度較高、性能穩(wěn)定性好、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、礦渣等材料分層填筑，同時(shí)用人工或機(jī)械方法進(jìn)行表層壓、夯、振動(dòng)、沖擊等密實(shí)措施處理至滿足工程要求的全過(guò)程。實(shí)踐證明，以這種方法處理后的地基能夠提高地基承載力、減少或防比不均勻沉降、加速軟弱土層的排水固結(jié)、調(diào)整不均勻地基的強(qiáng)度、防比凍脹、消除膨脹土的脹縮作用，達(dá)到降低造價(jià)的目的[2]。

本工程實(shí)際的施工中，選擇以級(jí)配碎石墊層換填的方式，進(jìn)行施工，從而保證工程的質(zhì)量，降低安全隱患。如下表2所示，為本工程在工程期間所用到的設(shè)備情況。

表2 本工程在工程期間所用到的設(shè)備情況

3 地基地質(zhì)條件

為了進(jìn)一步對(duì)工程進(jìn)行研究，需要率先清楚地基的地質(zhì)條件，通過(guò)查找相應(yīng)的文獻(xiàn)資料，發(fā)現(xiàn)本工程的地層較為簡(jiǎn)單，主要是第一層的雜填土，下面是淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，之后是粉質(zhì)黏土，之后還是卵石和粉質(zhì)黏土，再之后是全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，再后來(lái)是強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，最后的中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，通過(guò)測(cè)定，發(fā)現(xiàn)淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土厚度為3.0m，雜填土厚度為3.5m。同時(shí)，全風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖厚度為3.2m。

4 具體的墊層換填設(shè)計(jì)研究

為實(shí)現(xiàn)對(duì)軟弱地基的處理，做好對(duì)地基的處置工作，有效地進(jìn)行基礎(chǔ)施工，結(jié)合地基處理的方法的選擇，所以在實(shí)際的施工中，本工程就采取級(jí)配碎石換填的方法進(jìn)行施工[3]。

4.1 厚度的確定

為保證墊層換填的效果，需要對(duì)厚度進(jìn)行確定。為了確定實(shí)際的厚度，需要根據(jù)墊層底部土層的承載力來(lái)確定，進(jìn)而能夠得到如下公式（1）的基本情況。

上述公式中，σcz是用于描述，墊層底面處上的自重應(yīng)力，而σz則是用來(lái)描述墊層底面處的附加應(yīng)力，而fa則是用來(lái)描述，墊層底面處土層的承載力特征值。

結(jié)合本工程的實(shí)際數(shù)據(jù)，確認(rèn)建筑物基礎(chǔ)地面設(shè)計(jì)的標(biāo)高是多少，再按照標(biāo)準(zhǔn)高程進(jìn)行相應(yīng)的換算，從而得到確認(rèn)的高程情況。之后再獲取地面高程。而墊層換填的厚度，則與這兩個(gè)數(shù)據(jù)有關(guān)系，結(jié)合巖土工程勘查獲取的資料，了解到地下部分，具有較好承受能力的層為卵石層，卵石層的承載力特征值為240KPa，設(shè)計(jì)地基的承載能力的特征值為180kPa，若換填厚度為3.2m時(shí)，按照公式，能夠計(jì)算得出：σcz=35.3kPa所以將所有數(shù)據(jù)帶入到公式（1）中，發(fā)現(xiàn)35.3kPa+180kPa=215.3kPa＜240kPa，由此可見(jiàn)，通過(guò)計(jì)算是符合相關(guān)要求和標(biāo)準(zhǔn)的。

4.2 寬度的確定

寬度同樣是墊層換填處理中的重要內(nèi)容，如果寬度不合理，就會(huì)給地基基礎(chǔ)帶來(lái)影響，而且這部分影響還是負(fù)面影響。所以，級(jí)配碎石墊層的寬度應(yīng)該根據(jù)墊層側(cè)面土的承載力來(lái)確定，因?yàn)榛A(chǔ)荷載在墊層中引起的應(yīng)力使得墊層具有側(cè)向擠出的趨勢(shì)，如果實(shí)際的施工中，對(duì)墊層的寬度設(shè)置不合理，而且四周的土還比較軟弱，這樣墊層可能會(huì)被壓縮，擠入四周的軟土中去，從而導(dǎo)致地基的承載力又一次下降。所以，寬度的設(shè)計(jì)，必須做好合理的規(guī)劃，如此才能保證地基處理的效果，進(jìn)而有效控制軟土地基的影響。

實(shí)際的設(shè)計(jì)時(shí)，需要以級(jí)配碎石墊層底部寬度為B，從而能夠得到公式（2），公式（2）具體情況如下所示。

上述公式中，B為級(jí)配碎石墊層底部寬度，b則是用于描述建筑物基礎(chǔ)的寬度，z是級(jí)配碎石墊層的厚度。最后一個(gè)θ是用于描述級(jí)配碎石墊層的壓力擴(kuò)散角。

根據(jù)上述公式，可以理解到寬度與厚度之間還是有聯(lián)系的，所以在計(jì)算好厚度之后，才能對(duì)寬度進(jìn)行計(jì)算。如下圖1所示，為級(jí)配碎石墊層示意圖。

圖1 級(jí)配碎石墊層示意圖

通過(guò)上圖中，可以發(fā)現(xiàn)具體的數(shù)據(jù)分布情況，所以實(shí)際的計(jì)算中，只需要根據(jù)公式中字母所代表的位置進(jìn)行確認(rèn)，如此一來(lái)，才能保證寬度的合理選擇。

本工程中，對(duì)b值進(jìn)行取值，b值為2.2，z值則為級(jí)配碎石墊層的厚度，應(yīng)為3.2m，θ是一個(gè)夾角，可以選擇30°，如此一來(lái)，就可以將具體的數(shù)值帶入到公式中，就能實(shí)現(xiàn)對(duì)B的計(jì)算，從而獲取實(shí)際的寬度值。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后，獲取到了實(shí)際的寬度值，所以實(shí)際的施工中，只需要按照這一數(shù)值進(jìn)行施工就可以保證地基的穩(wěn)定，就不會(huì)受到周邊軟弱土的影響。但是，實(shí)際的施工中，為了避免意外，需要適當(dāng)?shù)念A(yù)留空檔，比如，本工程實(shí)際施工中，為了避免部分問(wèn)題的發(fā)生，本工程在實(shí)際的寬度設(shè)計(jì)中，將寬度設(shè)置為6.5m，從而展開(kāi)了施工，而在寬度確定之后，還要對(duì)寬度是否滿足設(shè)計(jì)要求進(jìn)行檢測(cè)。另外，即使寬度計(jì)算結(jié)果相對(duì)較小時(shí)，級(jí)配碎石墊層頂部距離基礎(chǔ)外緣的距離也不該小于的300mm，從而保證施工能夠順利進(jìn)行。

5 軟弱地基級(jí)配碎石墊層換填處理的施工研究

5.1 施工材料的準(zhǔn)備工作

為了保證施工的質(zhì)量，需要做好前期的材料準(zhǔn)備工作，因?yàn)楸竟こ踢x擇級(jí)配碎石用于墊層換填。所以首先，就要做好對(duì)碎石級(jí)配的檢查，采用配比為3∶7的級(jí)配碎石混合填筑于預(yù)定的位置，便能實(shí)現(xiàn)墊層換填處理。所以，必須做好級(jí)配控制，選用級(jí)配良好、質(zhì)地堅(jiān)硬的材料，且值得注意的是，碎石的最大粒徑不應(yīng)該大于10cm，從而保證壓實(shí)度。砂與碎石材料的含泥量，也要有效地控制，要將具體的數(shù)值穩(wěn)定在3%以內(nèi)，如此，才能保證級(jí)配碎石墊層的可靠。同時(shí)，還要做好級(jí)配碎石墊層的外觀檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)工作，及時(shí)發(fā)現(xiàn)外觀中是否有質(zhì)量問(wèn)題，不得含有草根，樹(shù)葉、塑料袋等內(nèi)容物，并且，還要對(duì)級(jí)配碎石進(jìn)行相應(yīng)的檢測(cè)工作，確認(rèn)合格才能繼續(xù)施工。另外，還要對(duì)施工用的機(jī)械設(shè)備進(jìn)行檢修，確保機(jī)械設(shè)備處于較好的工作狀態(tài)，可有效避免安全隱患。

5.2 開(kāi)挖作業(yè)

由于墊層換填處理的方法相對(duì)比較簡(jiǎn)單，所以實(shí)際開(kāi)工中，主要選擇機(jī)械開(kāi)挖的方式進(jìn)行，由于開(kāi)挖深度相對(duì)較深，所以要注意開(kāi)挖基坑的控制，并避免出現(xiàn)邊坡塌方的問(wèn)題，所以要結(jié)合實(shí)際情況和地質(zhì)條件進(jìn)行控制，按照規(guī)范進(jìn)行開(kāi)挖作業(yè)。除此之外，還要做好開(kāi)挖基坑的邊坡防護(hù)工作，必要時(shí)采取有效的防護(hù)措施，避免給開(kāi)挖人員帶來(lái)生命安全威脅。開(kāi)挖基坑的過(guò)程中，是必須做好邊坡的防護(hù)，因?yàn)閰^(qū)域本就是軟弱地層，所以邊坡的強(qiáng)度也不是很高，如果不能對(duì)邊坡進(jìn)行有效的防護(hù)，就可能導(dǎo)致邊坡塌方問(wèn)題。施工期間，主要以機(jī)械開(kāi)挖為主，人工起到輔佐的作用，進(jìn)行級(jí)配碎石墊層施工的過(guò)程中，應(yīng)做隨時(shí)做好邊坡的檢查工作，避免墊層時(shí)，引起邊坡的塌方。除此之外，還要注意基坑開(kāi)挖的過(guò)程中，應(yīng)在基坑底部預(yù)留200mm厚土層不挖，待級(jí)配碎石鋪填前再進(jìn)行開(kāi)挖，施工時(shí)，還要注意確保開(kāi)挖的平整度，并且做好相應(yīng)的排水措施，確保最后基坑內(nèi)無(wú)積水殘留。

5.3 填筑、回填

級(jí)配碎石墊層運(yùn)送到現(xiàn)場(chǎng)后，要按照計(jì)劃，一輛輛達(dá)到指定位置并于準(zhǔn)確位置進(jìn)行卸級(jí)配碎石，將這些級(jí)配碎石，全部投入到挖好的基坑中。施工時(shí)，實(shí)施分層鋪筑，分層壓實(shí)的方式，先壓實(shí)一部分，再填筑一部分，最后實(shí)現(xiàn)全部壓實(shí)。填筑時(shí)，應(yīng)分層填筑，分層厚度應(yīng)按50cm/層分層，再使用12t壓路機(jī)進(jìn)行碾壓，每層需壓實(shí)4～6遍以上，同時(shí)，還要注意對(duì)施工含水量的控制，使之保持在8～12%，并且還要做好基坑內(nèi)的排水工作。

填筑完成之后，需要對(duì)地基進(jìn)行相應(yīng)的密實(shí)度檢測(cè)，本工程經(jīng)過(guò)檢測(cè)后，確認(rèn)符合實(shí)際要求，確認(rèn)施工基本符合要求。但是此時(shí)，還需要進(jìn)一步做試驗(yàn)檢測(cè)和建筑物基礎(chǔ)沉降的監(jiān)測(cè)，配合灌砂法，從鋪筑和壓實(shí)層取樣，并進(jìn)行有效的土工試驗(yàn)，經(jīng)過(guò)結(jié)果確認(rèn)是符合施工要求的。另外，建筑物基礎(chǔ)沉降觀測(cè)中，確認(rèn)沉降量與時(shí)間的關(guān)系，最后結(jié)果表明，經(jīng)過(guò)墊層換填之后，本工程的建筑物地基沉降量很小，在規(guī)范允許范圍內(nèi)，說(shuō)明級(jí)配碎石換填完全符合要求。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文對(duì)軟弱地基級(jí)配碎石墊層換填處理的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行研究，以本工程為基礎(chǔ)，合理地對(duì)軟弱地基級(jí)配碎石墊層換填處理的設(shè)計(jì)與施工進(jìn)行研究，先對(duì)工程情況進(jìn)行介紹，再分析實(shí)際的深度和寬度設(shè)計(jì)，最后對(duì)施工進(jìn)行合理控制，從而保證軟弱地基級(jí)配碎石墊層換填處理的質(zhì)量，確保建筑物的安全與可靠，同時(shí)加快項(xiàng)目施工進(jìn)度。