换土垫层法处理软土地基的研究

裴成娇

（重庆何方城市规划设计有限公司武夷山分公司，福建 武夷山 354300）

换填法是将软弱土和饱水土部分清除或挖掉，换填成性能较好的材料作为建筑物基础垫层的一种浅基础处理方法。建筑材料耗用成本低，可以就地取材，施工简单宜于操作。同其它地基处理方法相比，所用施工机械较为普通，不需专门投资配备。质量方面，由于施工操作简单，易保证质量，再加上施工工期短，管理费用也较低。

1 垫层作用

1.1 提高地基的承栽力

浅基础的地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关，如果抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替较软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破环。

1.2 减少沉降量

一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例较大，在相邻基础宽度范围内的沉降量约占总沉降量的50%，如果以较密实的垫层材料代替较软弱的土层，就可以减少这部分的沉降量。

1.3 加速软弱土层的排水固结

砂或砂石等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的空隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结从而提高其强度，避免地基土塑性破坏。

2 垫层底面下卧层承载力设计值的修正问题

现行《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)中垫层底面下卧层的承载力特征值按下式修正：

式中：faz-修正后的下卧层承载力特征/kPa；

fak-下卧层承载力特征~/kPa；

ηd-承载力深度修正系数；

γ0-下卧层顶面以上各层土的平均重度/kN·m-3；

d-基础埋 m；

z-垫层厚度/m。

该公式仅适用于下卧层为坚硬的粘性土或密实的砂性土等承载力较高、压缩性较低的土层。如果下卧层为较软土层且厚度较大，换填处理时又不能全部挖出，即垫层下卧层仍为较弱土。对于一般软弱土地基，其受力时的破坏模式一般为冲切破坏。较弱土发生冲切破坏时，基础底面下的土产生明显的下陷而不向周围挤出，基础周围土体所受的超载荷几乎起不到抑制基底范围以内地基土下陷的作用。由于压缩模量随深度的变化因素，软弱下卧层的承载力亦会随着埋藏深度的增加而略有增长，但增长幅度远小于坚硬的下卧层。同时，如果该类地基排水不良，土中水在重力作用下向下转移聚集，导致软弱土的深度越深含水量越大，强度越低。所以，对垫层下的软弱下卧层，按(1)式修正得到的承载力设计值显然高于实际承载力值，这样会使垫层设计不安全。举一简单的算例：一基础埋深为2m，砂垫层厚度为3m，垫层和回填土的平均重度为18kN·m-3，下卧层为饱和淤泥质土，承载力特征值仅为70kPa。取ηd=1.0，按（1）式算得修正后下卧层承载力特征值为151kPa，比修正前承载力特征值提高了一倍多。当建筑物使用若干年后，软弱下卧层在经历了长期荷载作用后才能逐渐固结，而其承载力也只能随之慢慢增长。

3 σz的计算误差和对垫层厚度及深度设计值的影响

我们在进行建筑设计时，对其垫层底面即下卧层顶面处的附加应力通常按力的扩散理论简化计算(图 1)。

如图所示，以矩形基础为例，下卧层顶面处的附加应力计算公式为：

式中：σz-下卧层顶面处附加应力/kPa；

P0-基底附加应力/kPa；

L、b-基础底面的长、宽；

θ-砂垫层中的应力扩散角(度)。

一般来说，基础垫层相对较密实坚硬，而下卧层较软弱，地基土在计算范围内为上硬下软的双层地基时，在下卧层顶面处会发生应力扩散现象，也就是说，该面上的应力同均质土按弹性理论计算的结果比较，应力峰值较小而分布范围更大。

按(2)式计算时，实际是假设应力σz在面积为(1+2Ztanθ)(6+2Ztanθ)的矩形范围内均匀分布。显然，这种简化的结果一方面使σz在基础中心(包括一小范围)下偏小，而其余各点下偏大；另一方面，由于将附加应力分布范围由趋于无限大缩小至有限的矩形范围，故导致 的分布面积偏小，而平均值偏大。

垫层厚度Z的确定原则是要保证软弱下卧层土体不被剪切破坏，一般是按下式由试算法确定的：

由于σz的设计误差，导致垫层的设计厚度Z在基础周边不偏大，但在基底中心点下则是偏薄，也不安全。

4 荷载的偏心问题

式(2)适用于基底附加应力分布即基础承受中心荷载作用的情况。当基础所受荷载为偏心荷载时，处理方法是垫层底面处的附加应力仍按式(2)计算，但式中的P0取偏心荷载作用下的平均基底附加压力。当基础顶面荷载的偏心距较小时，这种简化显然是不安全的。在这种情况下，若要考虑偏心荷载的影响，参照天然地基上浅基础的设计方法，建议将下卧层承载力设计值进行适当的降低，即将(2)式中的fz乘以折减系数ζ。当荷载偏心距e0≤1/6时，可取0.6≤ζ≤1。

5 地基不均匀沉降问题

《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-91)提出的垫层设计原则只考虑了下卧层的承载力因素，而忽略了地基的变形因素。事实上，无论垫层还是下卧层的变形问题都是比较突出的。

5.1 下卧层的排水固结

由于软弱土的性质，分布的不均匀性和荷载的偏心影响，软弱土体的固结亦存在不均匀性，采用换填进行局部处理后，当下卧层顶面承受换填材料产生的自重应力大于原天然土层的自重应力时，下卧层会产生沉降和不均匀沉降。通常，垫层的压缩变形在施工期间已完成，而软弱下卧层的沉降则需较长时间。如果这种不均匀固结是在建筑物使用阶段才完成，则对基础以至建筑物稳定性的危害是较大的。许多工程实例都证明了这一点。因此，对含水量大或饱和的软弱土地基进行砂、石垫层处理时，宜同时采取一些有效措施(如预压法等)。使软弱土在基础施工之前或施工期间就达到较高的固结度，从而减轻后期的沉降和不均匀沉降。

5.2 垫层的侧向膨胀和挤出

由于垫层的剖面形状为倒梯形，而四周为软弱土，在自重应力和附加应力的共同作用下，垫层易发生侧向膨胀，挤向侧面软弱土中，从而加大垫层本身的侧向变形量。垫层材料与周围土体的刚度比越大，侧向挤出越严重。当垫层的设计宽度偏小时，其侧向膨胀挤出更为明显。垫层的侧向膨胀和挤出不仅降低垫层的承载力，而且直接加大了基础的沉降量。垫层的侧向挤出产生的沉降也是不均匀的。

6 结束语

6.1 对垫层下的软弱下卧层，按规范规定的方法修正，得到的承载力设计值是偏高的，会使垫层厚度设计不太安全。建议不修正或只作少量修正。

6.2 下卧层顶面 按应力扩散简化理论计算，在数值和分布范围上都有较大误差，致使垫层的厚度设计存在明显误差，使垫层的宽度设计值偏小。

6.3 当基础受偏心荷载作用时，仍将垫层底面处附加应力简化为均匀分布的计算方法，无论从地基承载力角度还是从变形角度看都不安全。建议根据荷载偏心的程度对下卧层承载力设计值进行适当折减。

6.4 地基土在性质、变形等方面的不均匀性以及荷载偏心、垫层侧向挤出等因素，都可能引起地基的不均匀沉降，从而影响基础和建筑物的稳定性。

[1]GBS0007-2002.建筑地基基础设计规范[S].北京:中国建筑工业出版社,2002.