软弱地基级配碎石垫层换填处理的设计与施工

2022-06-27王强刘伟华殷尚伟詹祥杰

建筑与装饰 2022年12期

王强刘伟华殷尚伟詹祥杰

中建五局土木工程有限公司湖南长沙 410004

引言

软弱地基是工程项目施工过程中，最常见的问题。因为地基为软弱地基，若处理不当，地基承载力不满足设计要求，就会导致不均匀沉降问题的发生，一旦不均匀沉降发生，就会给工程项目带来影响，能引起构筑物发生裂隙，或是倾覆的风险。基于此，本文对软弱级配碎石垫层换填处理的设计和施工进行研究，结合具体的工程案例，体现技术的优势，推动软弱地基的处理效果，确保施工和使用的安全[1]。

1 工程概况

九江市八里湖区九龙学校项目由3栋多层建筑，3栋门楼和地下室组成；总用地面积约为42618㎡，总建筑面积约为38043㎡。本项目存在大面积（约10607m2左右）的淤泥质粉质黏土，集中在地下室及1#楼、2#楼区域，且平均深度为3m左右；淤泥质粉质黏土在场地内部分分布，流塑～软塑，工程性质差，强度低，为高压缩性土，工程性质差，不能作为天然地基基础持力层。

2 地基处理方法的选择

2.1 常见浅层地基处理方法

表1 常见的浅层地基处理办法及使用范围分析

2.2 本项目地基处理的方法的选择

由于本项目换填区域主要为淤泥质粉质黏土，且换填后需作为地基基础持力层，建筑物对地基承载力要求较高。

级配碎石换填弱软土地基，以提高地基承载力，良好的地基处理作业实施，对于工程的施工质量控制以及工程施工中的安全性控制能发挥重要的作用，也有利于加快施工速度。

级配碎石换填是将基础底面以下不太深的处理范围内的软弱土层挖除，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定性好、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、矿渣等材料分层填筑，同时用人工或机械方法进行表层压、夯、振动、冲击等密实措施处理至满足工程要求的全过程。实践证明，以这种方法处理后的地基能够提高地基承载力、减少或防比不均匀沉降、加速软弱土层的排水固结、调整不均匀地基的强度、防比冻胀、消除膨胀土的胀缩作用，达到降低造价的目的[2]。

本工程实际的施工中，选择以级配碎石垫层换填的方式，进行施工，从而保证工程的质量，降低安全隐患。如下表2所示，为本工程在工程期间所用到的设备情况。

表2 本工程在工程期间所用到的设备情况

3 地基地质条件

为了进一步对工程进行研究，需要率先清楚地基的地质条件，通过查找相应的文献资料，发现本工程的地层较为简单，主要是第一层的杂填土，下面是淤泥质粉质黏土，之后是粉质黏土，之后还是卵石和粉质黏土，再之后是全风化泥质粉砂岩，再后来是强风化泥质粉砂岩，最后的中等风化泥质粉砂岩，通过测定，发现淤泥质粉质黏土厚度为3.0m，杂填土厚度为3.5m。同时，全风化泥质粉砂岩厚度为3.2m。

4 具体的垫层换填设计研究

为实现对软弱地基的处理，做好对地基的处置工作，有效地进行基础施工，结合地基处理的方法的选择，所以在实际的施工中，本工程就采取级配碎石换填的方法进行施工[3]。

4.1 厚度的确定

为保证垫层换填的效果，需要对厚度进行确定。为了确定实际的厚度，需要根据垫层底部土层的承载力来确定，进而能够得到如下公式（1）的基本情况。

上述公式中，σcz是用于描述，垫层底面处上的自重应力，而σz则是用来描述垫层底面处的附加应力，而fa则是用来描述，垫层底面处土层的承载力特征值。

结合本工程的实际数据，确认建筑物基础地面设计的标高是多少，再按照标准高程进行相应的换算，从而得到确认的高程情况。之后再获取地面高程。而垫层换填的厚度，则与这两个数据有关系，结合岩土工程勘查获取的资料，了解到地下部分，具有较好承受能力的层为卵石层，卵石层的承载力特征值为240KPa，设计地基的承载能力的特征值为180kPa，若换填厚度为3.2m时，按照公式，能够计算得出：σcz=35.3kPa所以将所有数据带入到公式（1）中，发现35.3kPa+180kPa=215.3kPa＜240kPa，由此可见，通过计算是符合相关要求和标准的。

4.2 宽度的确定

宽度同样是垫层换填处理中的重要内容，如果宽度不合理，就会给地基基础带来影响，而且这部分影响还是负面影响。所以，级配碎石垫层的宽度应该根据垫层侧面土的承载力来确定，因为基础荷载在垫层中引起的应力使得垫层具有侧向挤出的趋势，如果实际的施工中，对垫层的宽度设置不合理，而且四周的土还比较软弱，这样垫层可能会被压缩，挤入四周的软土中去，从而导致地基的承载力又一次下降。所以，宽度的设计，必须做好合理的规划，如此才能保证地基处理的效果，进而有效控制软土地基的影响。

实际的设计时，需要以级配碎石垫层底部宽度为B，从而能够得到公式（2），公式（2）具体情况如下所示。

上述公式中，B为级配碎石垫层底部宽度，b则是用于描述建筑物基础的宽度，z是级配碎石垫层的厚度。最后一个θ是用于描述级配碎石垫层的压力扩散角。

根据上述公式，可以理解到宽度与厚度之间还是有联系的，所以在计算好厚度之后，才能对宽度进行计算。如下图1所示，为级配碎石垫层示意图。

图1 级配碎石垫层示意图

通过上图中，可以发现具体的数据分布情况，所以实际的计算中，只需要根据公式中字母所代表的位置进行确认，如此一来，才能保证宽度的合理选择。

本工程中，对b值进行取值，b值为2.2，z值则为级配碎石垫层的厚度，应为3.2m，θ是一个夹角，可以选择30°，如此一来，就可以将具体的数值带入到公式中，就能实现对B的计算，从而获取实际的宽度值。

经过计算后，获取到了实际的宽度值，所以实际的施工中，只需要按照这一数值进行施工就可以保证地基的稳定，就不会受到周边软弱土的影响。但是，实际的施工中，为了避免意外，需要适当的预留空档，比如，本工程实际施工中，为了避免部分问题的发生，本工程在实际的宽度设计中，将宽度设置为6.5m，从而展开了施工，而在宽度确定之后，还要对宽度是否满足设计要求进行检测。另外，即使宽度计算结果相对较小时，级配碎石垫层顶部距离基础外缘的距离也不该小于的300mm，从而保证施工能够顺利进行。

5 软弱地基级配碎石垫层换填处理的施工研究

5.1 施工材料的准备工作

为了保证施工的质量，需要做好前期的材料准备工作，因为本工程选择级配碎石用于垫层换填。所以首先，就要做好对碎石级配的检查，采用配比为3∶7的级配碎石混合填筑于预定的位置，便能实现垫层换填处理。所以，必须做好级配控制，选用级配良好、质地坚硬的材料，且值得注意的是，碎石的最大粒径不应该大于10cm，从而保证压实度。砂与碎石材料的含泥量，也要有效地控制，要将具体的数值稳定在3%以内，如此，才能保证级配碎石垫层的可靠。同时，还要做好级配碎石垫层的外观检测，通过检测工作，及时发现外观中是否有质量问题，不得含有草根，树叶、塑料袋等内容物，并且，还要对级配碎石进行相应的检测工作，确认合格才能继续施工。另外，还要对施工用的机械设备进行检修，确保机械设备处于较好的工作状态，可有效避免安全隐患。

5.2 开挖作业

由于垫层换填处理的方法相对比较简单，所以实际开工中，主要选择机械开挖的方式进行，由于开挖深度相对较深，所以要注意开挖基坑的控制，并避免出现边坡塌方的问题，所以要结合实际情况和地质条件进行控制，按照规范进行开挖作业。除此之外，还要做好开挖基坑的边坡防护工作，必要时采取有效的防护措施，避免给开挖人员带来生命安全威胁。开挖基坑的过程中，是必须做好边坡的防护，因为区域本就是软弱地层，所以边坡的强度也不是很高，如果不能对边坡进行有效的防护，就可能导致边坡塌方问题。施工期间，主要以机械开挖为主，人工起到辅佐的作用，进行级配碎石垫层施工的过程中，应做随时做好边坡的检查工作，避免垫层时，引起边坡的塌方。除此之外，还要注意基坑开挖的过程中，应在基坑底部预留200mm厚土层不挖，待级配碎石铺填前再进行开挖，施工时，还要注意确保开挖的平整度，并且做好相应的排水措施，确保最后基坑内无积水残留。

5.3 填筑、回填

级配碎石垫层运送到现场后，要按照计划，一辆辆达到指定位置并于准确位置进行卸级配碎石，将这些级配碎石，全部投入到挖好的基坑中。施工时，实施分层铺筑，分层压实的方式，先压实一部分，再填筑一部分，最后实现全部压实。填筑时，应分层填筑，分层厚度应按50cm/层分层，再使用12t压路机进行碾压，每层需压实4～6遍以上，同时，还要注意对施工含水量的控制，使之保持在8～12%，并且还要做好基坑内的排水工作。

填筑完成之后，需要对地基进行相应的密实度检测，本工程经过检测后，确认符合实际要求，确认施工基本符合要求。但是此时，还需要进一步做试验检测和建筑物基础沉降的监测，配合灌砂法，从铺筑和压实层取样，并进行有效的土工试验，经过结果确认是符合施工要求的。另外，建筑物基础沉降观测中，确认沉降量与时间的关系，最后结果表明，经过垫层换填之后，本工程的建筑物地基沉降量很小，在规范允许范围内，说明级配碎石换填完全符合要求。