換填墊層地基處理方法設計研究

王 琪 蘭州煤礦設計研究院有限公司工程師

換填墊層法是一種非常重要的地基處理方式，廣泛應用在建筑工程中。該方法的主要運用原理是挖除地表淺層中的軟弱土層和不均勻土層，完成后向其中填入硬度較大的材料并壓實，以形成墊層地基。其中，材料類型不同，地基墊層也會不同，通常可以分為砂墊層、碎石墊層、粉煤灰和灰土墊層等。換填施工流程較為簡便，在小型和中型工程的地基處理中應用較多。

1 換填墊層法的重要性

首先，在地基土層承載力的提高方面，運用該方法所產生的最為直接和關鍵的作用就是在原有地基土層基礎上全面提高土層的承載力，改變原有的土層特性和結構，針對性增強土層的強度。在土層強度增強的前提下，后續施工流程也能夠更加順利的開展，減少施工安全隱患，提高施工效率和質量。

其次，在建筑物沉降方面，開展換填墊層法能夠有效降低建筑的沉降量，在地基處理換填法的應用下，軟土層內部的土體、土質都進行了更換，原本的土層結構有效轉變，土層硬度明顯增強，建筑物在建設過程中所產生的沉降問題可以得到有效改善。在建筑地基更為牢固的基礎上，建筑物的使用壽命也會進一步提高。

再次，在冰凍氣溫下對土層造成的損害方面，地基處理換填方法的應用能夠及時清理軟土，填入硬度較大的砂石材料起到類似疏水層的作用，促使水體不在土層停留。這種情況下的地基含水量可以得到有效控制，整體含水量較低，只有這樣才能有效避免冬天中地基由于含水量過高而產生冰凍現象，減少破壞。

最后，開展換填方法對周邊環境造成的污染相對較低。該方法從本質上來看是對地基表面的土層進行更換，將原本不具備高承載力的土體置換成硬度較大的材料，整個流程并不涉及化學反應等情況，因此不會對周邊環境造成影響。

2 換填墊層法常用設計方法

換填墊層法的設計內容主要是科學選擇墊層的具體材料，并明確施工方法，計算墊層的厚度z以及寬度b、b'。通常，此類數據必須根據土層的實際情況和設計需求進行換填深度的確定，若土質為淺層軟土，且厚度不大，則此類工程需提前置換軟土，在軟弱土層的厚度進一步加大時結合下臥層土的實際承載力計算墊層厚度。當前應用較為普遍的一種計算方式需提前假定z的厚度，驗算后若不能滿足實際需求，則必須進行厚度調整。但這種方式存在一定缺陷，一旦z的厚度不適合，整個實驗過程會涉及到大量的計算，耗費時間長，整體效率較低[1]。

3 換填墊層法的高效簡明設計方法

換填墊層法在小型、中型建筑工程中的應用比較多，針對淺層地基做出相應處理，其計算參數主要有基礎底面尺寸、墊層底面尺寸、墊層厚度尺寸等。

3.1 基礎底面各尺寸參數的簡化計算

原有的基礎底面尺寸計算公式為：

簡化后的公式為：

式中：A 為基礎底面積，單位m2；Fk為荷載效應基礎上建筑上部結構到達基礎頂面所產生的垂直方向力值，單位kN；Fa為調整后墊層承載力相關特征值，單位kPa；γG為基底以上的基層及基層回填土的平均重度，通常取20 kN/m3。

從工程實踐內容上看，各類指標的常用值，如基底以上的基層及基層回填土的平均重度取值可控制在20 kN/m3左右，墊層厚度可為1 ～2 m，位于基礎底面之上的地基土加權平均重度也需控制在16 ～18 kN/m3。

3.2 墊層的底面尺寸計算

從地基處理設計規范中能夠看出，墊層底面部分的下臥層自重應力pcz需和附加應力pz的總和小于或等于下臥層地基承載力paz，通過這種方式來明確墊層的厚度。但pcz、pz、faz都會隨著厚度z的變化而發生改變，當z增大后，faz、pcz會相應增大，而pz減小。關于條形基礎、矩形基礎的計算分別為：

式中：pk為標準荷載組合下基礎地面所承受的平均壓力值，單位kPa；pc為基礎底面部分的土體自重壓力值，單位kPa；θ為壓力擴散角，該數值由換填材料的類型和z、b值進行確定。

在當前階段，普遍采取的設計方式是提前假設墊層的厚度，若不滿足計算要求，則需對其厚度進行不斷的試驗和調整。因此，簡明設計方式應運而生，通過科學的簡化方式能夠優化換填墊層的設計程序，從根本上減少計算程序，提高計算效率的基礎上大大降低誤差，確保計算結果符合設計需求[2]。

3.3 矩形基礎的簡化計算

在矩形基礎的計算過程中，各指標取常用值后，基底以上的基層及基層回填土的平均重度取值為20 kN/m3，位于基礎底面之上的地基土加權平均重度可控制在16 ～18 N/m3，基礎底面積控制在2 ～6 m2，經計算矩形基礎為20 kN。

3.4 條形基礎的簡化計算

在修正深度后，地基的承載力特征會收到墊層的底面臥層承載力、下臥層的承載力修正系數的具體數值而影響，其中下臥層承載力修成系數的具體參數通常選作1.0。

3.5 墊層厚度z 的簡化計算

計算條形基礎時，在求得b和b'后，根據b'=b+2ztg可以確定z的數值。由于z和θ都屬于非常復雜的分段函數，必須經過反復的核算和測試才能明確z的最終數值，確保其符合工程設計需求。為達到計算的簡化需求，z值的求解必須通過相應的編制程序得出。通過這種方式可以準確控制墊層的厚度，避免誤差過大。矩形基礎可以按照等面積的方式對z值進行確定，通過驗算即可。

4 換填法的適用范圍和地基處理方式

4.1 適用范圍

換填法一般適合在整體荷載力且施工規模較小的建筑物中運用，如堆料場、道路工程或地坪等。需要置換土體，土體的類型主要為濕陷性黃土、淤泥質土、素填土和暗溝等，最佳置換深度通常控制在0.5 ～3 m[3]。

4.2 地基處理方式

4.2.1 機械碾壓法

在運用機械碾壓法時，施工人員需充分挖除建筑范圍中的軟土，完成后碾壓基坑的底層。在開展碾壓法的施工期間，必須有效控制機械裝置的運作速度，避免破壞土層結構。機械碾壓速度需控制在2 km/h 以內，振動壓實機裝置的運行速度需控制在0.5 km/h 以內，碾壓裝置的運行速度需控制在3 km/h 以內[4]。

4.2.2 重錘夯實法

起重機械裝置將夯錘提高距離地面一段距離后自由下落，通過重力加速度和勢能轉化對地基進行反復夯實。在運用重錘夯擊法施工期間，需有效控制土體內部的含水量，確保土體材料中的水分能夠得到一定的潤滑效果，便于土粒的擠壓、密實[5]。

4.2.3 平板振沖法

平板振沖法的開展原理是通過振動壓實機裝置，對無粘性土體以及粘度較低、透水性能較好的松散土進行壓實來實現。施工過程中，施工人員可以先對基槽的兩邊進行振沖，再振中間區域。具體的施工效果和填土的成分、作業時間等方面有關，因此在開展此方法時相關人員需及時觀察土層情況，避免效果不明顯或對地基土造成過度影響的情況。

4.3 施工要點

4.3.1 素土墊土層

在開展地基處理換填方法的施工過程中，相關技術人員需根據換填土層材料的主要類型進行分析，不同類型的土層所涉及到的施工要點不盡相同。當換填土類型為素土時，相關技術人員需對素土層的承載力進行計算，使其符合建筑建設的承載力需求，減少安全隱患的出現。壓縮模量的起重環節非常重要，壓縮模量需控制在14.0～30.5 MPa以內，同時需有效控制素土層的含水量，確保含水量范圍為19%～21%。

4.3.2 灰土墊土層

若換填土類型為灰土，灰土墊由土體和石灰在一定比例下混合而成，其中石灰和土體的比例為3 ∶7。在達到該比例后，需要有效控制土層的含水量，確保分層回填以及壓實環節的有序執行，避免灰土材料被水浸泡[6]。

5 換填墊層地基處理法的應用實例

隨著人們對出行速度、舒適度等方面要求的不斷提高，選擇乘坐飛機出行的人越來越多，這種情況的出現使得部分地區機場機坪的面積已經無法切實滿足人們的需要，開設新的機場或對原有機坪進行擴容處理成為了極為必要的工作。

5.1 工程概況

某國際機場位于黃土地區，在進行機場機坪擴建現場地質檢查時，發現施工區域地基土按照自上而下的方式主要可以被分成4 層：第1 層為填土，主要由素填土與雜填土共同組成；第2 層為粉質黏土，與粉土呈現混合狀態；第3 層為粉土，并含有一定量的黃土狀粉土；第4 層為粉質黏土，有著良好的可塑性。盡管經過勘查后發現該區域地基整體為濕陷性黃土地基，有相對穩定的力學性質，但由于附近區域的生活污水被排放到施工場地附近的廢棄田地內，導致近年來該區域的地下水位在自然地面以下1.5 ～3.5 m，使得該區域內的天然軟土地基濕陷性越發嚴重，若實際施工過程中未對地基進行合理的處理，那么在機坪建成后會出現地基沉陷的問題，影響機場整體的使用安全。

5.2 地基處理

現階段，為切實實現擴建機坪地基密度滿足后續工程施工建設的需要，在進行地基施工時采用了換填墊層配合沖擊碾壓的方式，提升地基的承載力。

5.2.1 施工方法

本次工程施工過程中，由于道面結構厚度在5 m 以下，因此開展地基處理時可以按照淺基礎處理方式進行施工，并且在設計處理方案時，應當在保證工程施工質量能夠滿足工程施工需要的基礎上盡量節約工程施工所需的時間，降低工程施工對機場正常運作產生的影響。在明確上述要求后，本次工程地基施工時綜合應用了換填墊層法與碾壓法，將墊層配片的石粒徑控制在60 cm 以內，不均勻系數大于5，石料的抗壓系數也需控制在2.0 MPa 以上，保證墊層密度能夠滿足工程施工的需要，避免施工活動對周邊舊道面產生的擾動。

5.2.2 換填試驗

首先，需要采用現場試驗的方式，確定需要進行換填處理的地基厚度。具體來說，在換填施工前，可以先設置3 個試驗區，其中第1 個試驗區為水穩層下挖1.0 m，試驗區的面積共700 m2；第2個試驗區為水穩層下挖1.2 m，試驗區的面積共570 m2；第3 個試驗區為水穩層下挖1.5 m，試驗區的面積共570 m2。并且在各試驗區下挖到設計標高后，按照預設的試驗區換填厚度對其進行分層填筑壓實處理，然后用沖擊壓路機對試驗區域地基進行沖擊碾壓處理。

其次，在碾壓工作完成后，分別用灌水法、平板荷載實驗、靜載試驗等方法測定3 個試驗區地基土的固體體積率、地基承載力等。并且為保證測試結果的準確性，在進行地基土性質測試時需要在每個試驗區設置一個固體體積率測定點，兩個地基承載力測試點。

再次，在測得3 個試驗區具體地基數據后，可以將數據信息與《民用機場水泥混凝土道面設計規范》（MH/T 5004—2010）的相關規定進行比對，經過比較分析后可以發現，二類E 級飛行區基層頂面反應模量應大于80 MN/m3。在對測得的數據進行計算分析后可以發現，上述3 種換填厚度下基層頂面的反應模量都符合這一要求，但對3 種換填厚度下地基土的固體體積率進行實驗數據分析后發現，只有換填厚度1.2 m 與1.5 m 的試驗區域固體體積率大于83%，因此在對地基進行換填墊層處理時，墊層的厚度可以為1.2 m 或1.5 m。

最后，考慮到工程施工成本與施工進度要求，在進行地基換填墊層時，可以將換填的厚度控制為1.2 m，以便在滿足工程施工質量要求的基礎上實現工程施工成本與進度的有效管控。

5.2.3 效果分析

為進一步了解地基換填墊層的施工方法及對軟土地基濕陷性改良的效果，在該機場地基施工完成后對3 個試驗區域進行自然沉降觀測，可發現：第一，3 個試驗區經過地基處理后的起始觀測高程越高，換填深度越深；第二，第2 個和第3 個試驗區的觀測點在第6 d 達到了最大沉降值，而第1 個試驗區在第7 d 才達到最大沉降值，從中可以了解到，第1個試驗區消除軟土地基濕陷性的效果相對較弱；第三，對擴建后的機坪使用效果進行分析后可了解到，地基換填墊層方法使用效果較好。

6 結論

在建設期間，地基換填墊層方法的應用效果受到廣泛認可，但現階段還存在計算工作量較大、錯誤率較高的情況，而簡化設計方法、能妥善解決此類問題。簡化設計方法有效結合了計算曲線，能更加準確地計算地基底層的尺寸和墊層的面積、厚度等數據，為建設人員提供更加充分的技術支持和數據支持。