试论碎石土垫层的压实机理及其应用

闫帅

【摘 要】用振动碾压机对开挖出的天然戈壁砂石（碎石土）进行分层碾压，以提高它的密实度、强度和稳定性，用来作为对软弱土地基进行加固的有效技术，被广泛应用于工业与民用建筑、路桥、土坝、水渠、水库等工程中。

【关键词】碎石土；软弱土地基；振动碾压

在工程建设中，对于软弱土地基的处理方法有很多种，其中之一就是用碎石土作为回填地基材料，这对新疆地域内的建设工程来说，当遇到软弱土地基时，不失为一种因地制宜、就地取材的好办法，因为新疆地大物博，有的是戈壁沙滩。2007年我们在对某住宅小区作地勘工作时就遇到了较大面积的软弱土地基，该住宅小区占地约18000m2，拟建8幢6层砖混结构住宅楼。由于该建设场地为山前冲洪积扇与山前冲洪积平原的交界处，其土质以粘质粉土为主，土层厚约3.5m，属压缩性较大的软弱土地基。若采用换土压实法，工程量大，且工期较长；若采用强夯法，则会对距现场仅7.5m远的既有12层住宅楼安全造成严重威胁。经再三分析、比选后，决定采用挖去1m厚原土层，以碎石土作为回填地基材料，整平后用振动碾压机分层碾压至设计要求的干密度和承载力标准值后，作为拟建住宅楼的地基。应用此法后，该住宅小区8幢住宅楼均顺利竣工，按期交付使用，至今未发生任何工程质量问题。

1 碎石土的物理力学性质

新疆地区大部分土层属西北戈壁沙滩，沙漠和戈壁土层较多，而戈壁土又多为正常固结的砂石混合体，具有良好的颗粒级配，一般均处于中密—密实状态，其天然密度为2.19～2.26g/cm3，天然干密度为2.15～2.20g/cm3，天然含水量仅为1.6～1.9%，内磨擦角为40°，变形模量为56.5MPa，通过对50组天然戈壁作筛分试验，得到其不均匀系数Cu>10，说明天然戈壁土具有较高的抗压强度和抗剪切强度。

2 碎石土的压实机理

当天然戈壁土被挖出后，其结构遭到破坏，而作为地基回填材料的碎石土（戈壁土），如要满足上部建筑物对地基变形和抗压强度的要求，就必须具有足够的密实度，所以就必须采用分层碾压的方法来提高其密实度和强度，降低其透水性和压缩性。笔者通过对50组挖出的天然戈壁土作击实试验，经数理统计后得出其最大干密度为2.34g/cm3，最优含水量为4.98%；又根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）确定碎石土的压实系数为不小于0.94，现场控制干密度为不小于2.20g/cm3。碎石土作为粗骨料回填土，其中大于2mm的骨架颗粒在激振力作用下，重新排列，构成新的骨架，其稳定性与激振力、外部静荷载以及碎石土本身的自重应力有关：激振力、外部静荷载越大，产生的附加应力也越大，骨架就越稳定，因此，当戈壁土垫层有一定厚度时，其下部土层在自重应力作用下，组成骨架的颗粒在一定程度上会趋于稳定，而小于2mm的细颗粒土，则主要起充填空隙和增加碎石土密实度的作用。但是，这种细颗粒土对含水量的要求较高：当含水量较低时，土粒周围的结合水膜很薄，使颗粒之间具有很大的分子引力，阻止颗粒移动，充填效果就差，击实就较困难；当含水量增加很多，以致土粒周围出现多余的自由水时，空隙中过多的自由水势必在击实或碾压时会阻止土粒的靠拢，使充填效果反而下降，出现“橡皮土”现象。只有当含水量适当增大至土粒周围出现弱结合水时，水膜变厚些，使土粒之间的分子引力减弱，使土粒易于移动，充填效果变好，击实或碾压就会收到最佳效果，此时的含水量就叫最优含水量。

通过上述对碎石土作的击实试验，说明：用碎石土回填软弱地基的各项指标，完全可以满足上部建筑结构对地基变形和强度的要求。

3 碎石土垫层的施工工艺

碎石土（戈壁土）作为垫层加固软弱土地基的工艺流程是：先用挖土机挖去0.9m原土，用推土机清理基底、推去表层浮土，再用平路机整平，然后用自重12t、激振力为30kN的振动碾压机分层碾压，其有效加固深度为1m左右。考虑到实际操作时不可能达到满负荷，故设计虚铺厚度控制在0.5～0.6m，然后分两次洒水，控制其含水量在2～5%之间，保证碎石土浸润均匀；碾压遍数控制在8～12遍，牵引速率为2km/h，碾迹搭接宽度约0.4m。分片碾压时在搭接处应放坡，坡面长约2～3m，碾迹重叠4～5m，碾压完毕，用现场大密度试验仪检验压实效果，达不到现场控制干密度2.2g/cm3时，必须补碾至达到要求。

4 结束语

碎石土（戈壁土）作为回填地基材料，在对软弱土地基加固技术方面，特别是对多层建筑的浅基础，具有较明显的优势：

4.1 能较大地提高地基承载力

众所周知，地基中的剪切破坏，多是从基础底面开始，并随着地基土应力的增加向纵深发展。碎石土抗压和抗剪强度高，可有效避免地基土的剪切破坏。

4.2 能减少地基土的沉降量

当密实的碎石土取代软弱土层后，基础下浅层地基的沉降量及侧向变形引起的附加沉降量都将大大减少；同时，碎石土对应力的扩散作用，可减少上部结构对下卧土层的压力，相应也就减少了下卧层的沉降量。

4.3 可加速软土层的排水固结作用

碎石土垫层提供了基底下的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，避免了地基土的塑性破坏；同时可加速软土层的固结，提高其承载力。

4.4 取材方便，经济合理

实践证明，碎石土回填软弱土地基，尤其在新疆地区，因其可就地取材，经济合理，施工技术又易于掌握，只要控制好碎石土的最优含水量、每层虚铺厚度和碾压遍数，其压实效果完全能满足设计要求，可广泛应用于工业与民用建筑、路桥、土坝、水渠、水库等工程中。

[责任编辑：邓丽丽]