换土垫层法处理软土地基的探讨
换土垫层法处理软土地基的探讨,工程技术,
王炳文 约2716字
摘要:本文介绍了换填垫层法的作用、适用范围、
设计
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计算方法，阐述了换填垫层法的施工要点及施工实践等问题。
关键词:软土地基;换土垫层;设计计算
随着我国国民经济的高速发展,基本建设蓬勃兴起,由于地基压缩变形,造成沉降量过大或沉降不均匀,往往引起建筑物的破坏或影响建筑物的正常使用,因此,必须采用一定的技术方法对不良地基进行处理,处理后的地基应能满足建筑物的变形和承载力的要求.下面本文试从理论和工程实例二方面来阐明换土垫层法在不良地基处理中的应用。
1、换土垫层法的原理与适用范围
换土垫层法是将建筑物基底下一定深度的软弱土层挖除，然后回填强度较大、压缩性较小、料源较丰富、价格较便宜且无腐蚀性的砂土、碎石、石渣、素土、煤灰、矿渣、二灰(石灰、粉煤灰)以及其他性能稳定的材料，分层夯实至要求的干密度，作为持力层，达到增强承载力、减小地基沉降的地基处理目的[1]。
垫层法不能处理浮层软土的地基,只适宜在承受压力和对水平力作用极小,垫层厚度最大不能低于1/4基础宽度的情况下使用.否则不能起到应力的扩散作用.垫层厚度最大不宜超过3~4 m,过厚则垫层作用显著减少,经济上也不合算.实践证明,人工换土地基不但适用于大量的民用建筑,还适用于设有重型吊车的大型单层厂房,也可以用于多层框架厂房[3].
2 垫层作用
2.1 提高地基的承载力
浅基础的地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关,如果以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。
2.2 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。
2.3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。
2.4防止冻胀
因为粗颗粒的垫层材料空隙大,因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。
3 垫层的土料
根据换填材料的不同，将垫层分为砂石(砂砾、碎卵石)垫层、土垫层(素土、灰土、二灰土垫层)粉煤灰垫层、矿渣垫层、加筋砂石垫层等，其适用范围见表1。
4 换土垫层法的设计与计算
4.1 确定垫层的承载力及压缩模量
换土垫层的设计控制指标,一般由现场确定,当无试验资料时可参照表2使用。
注:(1)级配碎石或矿渣是指破碎、筛分而得到的各种粒径(2~5cm)的碎石或矿渣.混合碎石或矿渣是指未经筛分而得到的自然粒径的碎石或矿渣,(2)粘土的含水量为最佳含水量,其它如砂、石的含水量为施工所需的含水量。
4.2垫层厚度的设计
垫层厚度一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于相应截面软弱土层的承载力设计值而确定的，其表达式为:
(1)
式中，pz为垫层底面处附加应力设计值(kPa);pcz为垫层底面处土的自重压力标准值(kPa);fcz为垫层底面处经梁度修正后软弱土层的地基承载力设计值(kPa)。
pz可按应力扩散角进行简化计算。
矩形基础:
条形基础:
式中,b为矩形基础或条形基础底面的宽度，m;l为矩形截面底面的长度，m;P为基础底面压力的设计值，kPa;pcz为基础底面处土的自重应力标准值，kPa;h3为基础底面下垫层的厚度，m;?兹为垫层的压力扩散角,(?)。
一般开挖深度不超过3m，且不宜小于0.5m，对湿陷性黄土垫层处理深度，现行《湿陷性黄土地区建筑规范》另有规定。
4.3 垫层宽度设计
垫层的宽度一方面要满足应力扩散的要求,另一方面应根据垫层侧面的允许承载力来确定。当其侧面土质较好时，垫层宽度略大于基底宽度即可;当其侧面土质较差时，如果垫层宽度不足，垫层就有可能被挤入四周软弱土层中，促使侧面软土的变形和地基沉降的增大。故垫层宽度一方面要满足应力扩散的要求，见(2)式;另一方面应根据侧面的容许承载力来确定，见(3)式。
(2)
式中; b: 矩形基础或条形基础底面的宽度;?兹:垫层的压力扩散角;b':垫层底面宽度;h3基础底面下垫层的厚度;d垫层顶面每边超出基础底边不小于300mm。
4.4 沉降量
垫层本身的压缩量可在垫层强度计算以后确定设计干密度时作适当的计算，垫层以下软弱地层的沉降量，可按分层总和法确定，则基础沉降量为:(4)
式中，SC为垫层平身的压缩量(mm);SP为自下卧层顶面开始各土层压缩变形之和，(mm)。当软弱土层较薄且沉降量小时，则在一般情况下无需采取其他措施;当垫层以下软弱土层的沉降量较大，但不影响建筑物建成后的正常使用时，需要与之相适应的基础和上部结构，以保持建筑物的整体稳定当较大的沉降量为建筑物所不容许时，除非结合其他加固措施，否则不适宜用本法。
垫层自身变形量可按下式计算:
(5)
式中，P:基底压力(kPa);E1:垫层压缩模量(kPa);a:基底压力扩散系数。对于下卧土层的变形量SP可按分层总和法确定。
结论
换土垫层法适用于除浮层软土以外任何地基,垫层材料可选用粘性土、砂、碎石和矿石渣;换土垫层法既考虑垫层材料的选择,又要考虑所处理部位的不同,并要求严格用(1), (2), (3)公式进行设计。
参考文献
[1]刘景政，杨素春，钟冬波.地基处理与实例分析[M].北京:中国建筑工业出版社,1998
[2]牛志荣.地基处理技术及工程应用[M].北京:中国建材工业出版社,2003
[3]刘顺义,范晓英.用换土垫层法处理软弱地基[J].沈阳建筑工程学院学报.1998年1月,14(1),83~87
[4]刘秀敏.浅谈换土垫层法处理软弱地基.科技情报开发与经济[J].2004,14(3),169~170
[5]李大清，丁龙.利用换土垫层法处理多层建筑物的浅层地基[J].山西建筑2001年6
月,27(3),27~ 28
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