垫层属于基础还是地基

6．2．1 换填垫层法概述

在冲刷较小的软土地基上,地基的承载力和变形达不到基础设计要求,且当软土层不太厚(如不超过3m)时,可采用较经济、简便的换土垫层法进行浅层处理.即将软土部分或全部挖除,然后换填工程特性良好的材料,并予以分层压实,这种地基处理方法称为换填垫层法.垫层处治应达到增加地基持力层承载力,防止地基浅层剪切变形的目的.

换填的材料主要有砂、碎石、高炉矿渣和粉煤灰等,应具有强度高、压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好的工程特性.当软土层部分换填时,地基便由垫层及(软弱)下卧层组成.足够厚度的垫层置换可能被剪切为破坏的软土层,以使垫层底部的软弱下卧层满足承载力的要求,而达到加固地基的目的.按垫层回填材料的不同,可分别称为砂垫层、碎石垫层等.

换填垫层法设计的主要指标是垫层厚度和宽度.一般可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的计算方法进行设计.

6．2．2 设计计算

垫层设计时,既要使建筑地基的强度和变形满足要求,还要使设计符合经济合理的原则.尽管垫层地基可以采用不同的材料,但经过大量的工程实践表明,各种垫层地基的变形特性基本相似.因此,以砂垫层为例进行垫层的设计.

对砂垫层的设计,既要求垫层有足够的厚度,以置换可能被剪切破坏的软弱土层,又要求其有足够的宽度,以防止砂垫层向两侧挤出.砂垫层的设计方法有很多种,这里只介绍一种常用的砂垫层设计方法.

(1)垫层厚度的确定.如图6．1所示,砂垫层的厚度应根据需要置换的软弱土层的深度或砂垫层底部下卧层的承载力来确定,并应符合下式要求:

pz＋pcz≤faz 　(6-1)

式中 pz——相应于作用的标准组合时,垫层底面处的附加压应力值(k Pa);

pcz——垫层底面处土的自重压力值(k Pa);

faz——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值(k Pa).

图6．1 换土垫层示意图

砂垫层底面处的附加应力值pz,除可以采用弹性理论的土中应力公式求得外,也可以按应力扩散角的方法进行简化计算.

条形基础:

矩形基础:

式中 b——矩形基础或条形基础底面的宽度(m);

l——矩形基础底面的长度(m);

pk——相应于作用的标准组合时,基础底面处的平均压力(k Pa);

pc——基础底面处土的自重压力值(k Pa);

z——基础底面下垫层的厚度;

θ——垫层(材料)的应力扩散角(°),宜通过试验确定,当无试验资料时,可按表6．3选用.

表6．3 垫层的应力扩散角θ

进行垫层厚度设计计算时,一般应先根据初步拟定的厚度,再按式(6-1)进行复核.垫层厚度一般不宜大于3m,如果厚度过大,则施工困难;也不宜小于0．5m,厚度过小,则垫层的作用不明显.

(2)垫层宽度的确定.垫层底面的宽度既应满足基础底面应力扩散的要求,又应根据垫层侧面土的承载力特征值来确定.如果垫层宽度不足,而且垫层四周侧面土质又比较软弱时,垫层就有可能被挤入四周软弱土层中,从而使沉降增大.

垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求,可按下式确定:

b′≥b＋2ztanθ 　(6-4)

式中 b′——垫层底面宽度(m);

θ——应力扩散角,按表6．2选用;当z/b＜0．25时,仍按z/b＝0．25取值.

各种垫层的宽度在满足式(6-4)的前提下,在基础底面标高以上所开挖的基坑侧壁呈直立状态时,垫层顶面角边比基础底边缘多出的宽度应不小于300mm;若按当地开挖基坑经验的要求,基坑需放坡开挖时,垫层的设计断面应呈现下宽上窄的梯形,也可以呈阶梯梯形.整片垫层宽度可以根据施工的要求适当加宽.

(3)垫层承载力的确定.垫层承载力宜通过现场试验确定,也可以选用表6．4中的数值,并应验算下卧层承载力.

表6．4 各种垫层的承载力

续表

对比较重要的建筑物,如果垫层下存在软弱下卧层,还需要验算其基础的沉降,以便使建筑物基础的最终沉降值小于其容许沉降值.此时,沉降计算可由两部分组成:一部分是垫层的自身沉降;另一部分是在砂垫层下压缩层范围内的软弱土层的沉降.

垫层的自身沉降在施工期间已经基本完成,其值很小;在垫层下压缩层范围内的软弱土层的沉降较大,可以按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007—2011)的有关规定计算.

对超出原地面标高的垫层或换填材料的重度大于天然土层重度的垫层,应考虑其附加的荷载对建造的建筑物及邻近建筑物的影响.

【例6-1】 某基础底面面积和埋深如图6．2所示.b×l＝4m×5m,埋深d＝3m,作用于基础顶面竖向荷载F＝10000k N,土层0~8m皆为细砂,6个细砂试样的内摩擦角平均值φm＝21．7°,变异系数为δ＝0．1,重度为γ＝17k N/m3.

(1)是否进行地基处理?

(2)如果采用换土垫层法进行地基处理,填料为碎石,重度为γ＝19．5k N/m3,换土垫层厚度为2m,分层压实,使土的内摩擦角达到36°,换土后是否满足要求?

(3)换土垫层底面宽度应不小于多少?

图6．2 换土垫层

【解】 (1)基底压力:

由砂土抗剪强度确定地基承载力特征值:

φm＝21．7° δ＝0．1

统计修正系数:

内摩擦角:

φk＝φm×φφ＝21．7×0．917＝20°

由规范查得:

Mb＝0．51,Md＝3．06

fa＝Mbγb＋Mdγmd＝0．51×17×4＋3．06×17×3＝190．8(k Pa)

因为pk＜fa,所以需要地基处理.

(2)换土后地基承载力.

内摩擦角:

φk＝36°

由规范查得:

Mb＝4．2,Md＝8．25

fa＝Mbγb＋Mdγmd＝4．2×19．5×4＋8．25×17×3＝748．4(k Pa)

因为pk＞fa,所以地基处理后垫层承载力满足要求.

换土后下卧层承载力验算:

下卧层顶部自重应力: pcz＝17×3＋19．5×2＝90(k Pa)

下卧层顶部附加应力:

查表6．2应力扩散角: θ＝30°

垫层底面以上土的加权平均重度:

垫层底面承载力:

faz＝fak＋ηdγm(d－0．5)

＝190．8＋3×18×(5－0．5)

＝433．8(k Pa)

pz＋pcz＝220．8＋90＜faz

所以下卧层承载力满足要求.

(3)换土垫层底面宽度:

b′≥b＋2ztanθ＝4＋2×3×tan30°≈7．5(m)

6．2．3 施工

(1)砂垫层的施工要点.

①砂垫层和砂石垫层的材料,宜采用颗粒级配良好,质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、卵石或碎石,石子的粒径不宜大于50mm.砂、石料中不得含有杂物,含泥量不应超过5％.对用作排水固结的砂垫层,其含泥量不宜大于3％.粉细砂也可以作为垫层的材料,但因其不易压实,而且强度也不高,此时宜掺入25％~30％的碎(卵)石,以保证垫层的密实度和稳定性.

②为了使砂垫层达到设计要求的密实度,施工时需要把握的关键问题是:控制好采用各种夯(压、振)实方法时的分层铺筑厚度,以及施工时的最优含水量和最大干密度.采用何种施工方法.施工时,分层铺填的厚度以及每层的压实遍数,宜通过试验确定.

③在软土层上采用砂垫层时,应注意保护好基坑底部及侧壁土的原状结构,以免降低软土的强度.在垫层的最下面一层,宜先铺设150~200mm厚的松砂,用木夯仔细夯实,不得使用振捣器,或者可保留180~220mm厚的土层暂不挖掉,待铺垫层前再挖.当采用碎石垫层时,也应该在软土上先铺一层厚度为150~300mm的砂垫底.

④当采用细砂作为垫层材料时,不宜使用振捣法和水压法.

⑤当采用人工级配的砂石铺设垫层时,应将砂石拌和均匀后,再进行铺筑和捣实.

⑥铺筑前应先进行验槽.浮土应清除,边坡必须稳定,防止塌土.基坑(槽)两侧附近如有低于地基的孔洞、沟、井和墓穴等,应在未作垫层前加以填实.

另外,垫层施工前必须在室内做击实试验,以确定垫层材料的最优含水量和最大干密度.

(2)三种不同的垫层施工方法.

①机械碾压法.机械碾压法是采用各种压实机械来压实地基土,常用的压实机械见表6．5.此法常用于基坑面积大和开挖土方量较大的工程.

表6．5 垫层的每层铺填厚度及压实遍数

在工程实践中,对垫层碾压质量进行检验时,要求获得填土的最大干密度.当垫层为砂性土或黏性土时,其最大干密度宜采用击实试验确定.为了将室内击实试验的结果用于设计和施工,必须研究室内击实试验和现场碾压的关系.所有施工参数(如铺筑厚度、碾压遍数与填筑含水量等)都必须由现场试验确定.在施工现场相应的压实功能下,现场所能达到的垫层最大干密度一般都低于击实试验所得到的最大干密度.由于现场条件毕竟与室内试验的条件不同,因此,对现场施工效果应以压实系数及施工含水量作为控制标准.在不具备试验条件的场合,也可以按照相关规范中的参数对施工质量进行预控.由于碾压机械的行驶速度对垫层的压实质量及施工工作效率有很大影响,为保证垫层的压实系数及有效压实深度能达到设计要求,对机械碾压时机械的行驶速度进行控制是完全必要的.按照《建筑地基处理技术规范》(JGJ79—2012)的有关规定进行施工.

②重锤夯实法.重锤夯实法是利用起重机械将夯锤提升到一定高度,然后自由落下,不断重复夯击以加固地基.经夯实后地基表面形成一层比较密实的土层,从而提高地基表层土的强度,或者减少黄土表层的湿陷性;对于杂填土,则可以减少其不均匀性.

重锤夯实法一般适用于地下水位距离地表0．8m以上稍湿的黏性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土地基.

重锤夯实法的主要施工设备为起重机械、夯锤、钢丝绳和吊钩等.当直接采用钢丝绳悬吊夯锤时,吊车的起重力一般应大于锤重的3倍.夯击时,起重力应大于夯锤重量的1．5倍.

夯锤宜采用圆台形状,锤重宜大于2t,锤底面单位静压力为15~20k Pa.夯锤落距一般宜大于4m.

当对条形基槽和面积较大的基坑进行夯击时,宜按照一夯挨一夯的顺序进行;而在面积较小的独立柱形基坑内夯击时,宜按照先外后里的跳打顺序夯击,累计夯击10~15次,最后两击的平均夯沉量,对砂土不应超过5~10mm,对细颗粒土不应超过10~20mm.

随着重锤夯击遍数的增加,土的每遍夯沉量会逐渐减小,当达到一定的夯击遍数后,继续夯打的效果已明显,因此,重锤夯实的现场试验应确定最少的夯击遍数、最后两遍的平均夯沉量和有效夯实深度等.一般重锤夯实的有效夯实深度约为锤底直径的1倍,并且可以消除1．0~1．5m厚土层的湿陷性.

③平板振动法.平板振动法是使用振动压实机来处理无黏性土或黏粒含量少、透水性较好的松散杂填土地基的一种浅层地基处理方法.

振动压实机的工作原理是由电动机带动两个偏心块以相同速度反方向转动而产生很大的垂直振动力.其自重为20k N,频率为1160~1180r/min,振幅为3．5mm,振动力可达50~100k N,并能通过操纵机械使它前后移动或转弯.

振动压实的效果与填土成分、振动时间等因素有关.一般振动时间越长,效果越好,但振动时间超过某一值后,振动引起的下沉基本稳定,再继续振动就不能起到进一步的压实作用.因此,需要在施工前进行试振,以便得出稳定下沉量和时间的关系.对主要由炉渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾,振实时间应在1min以上;对含炉灰的细粒填土,振实时间为3~5min,有效振实深度为1．2~1．5m.

振实范围应在基础边缘留出0．6m左右,基槽两边先振实,中间部分后振实,振实标准是以振动机原地振实不再继续下沉为准,并辅以轻便触探试验检验其均匀性和影响深度.振实后的地基承载力应由现场载荷试验确定.一般经振实的杂填土地基承载力可达100~200k Pa.试验证实,处于被振动状态的土,在适当的上覆压力条件下会达到相当好的压实效果.

6．2．4 质量检验

垫层施工过程中和施工完成后,应进行垫层的施工质量检验,以验证垫层设计的合理性和施工质量.

砂或砂(碎)石垫层的质量检验,应按下列方法进行:

(1)环刀法.在夯(压、振)实后的砂垫层中用容积不小于200cm3的环刀取样,测定其干土重度,以不小于该砂料在中密状态时的干土重度数值为合格.中砂在中密状态时的干土重度一般为15．5~16．0k N/m3.

对砂石或碎石垫层的质量检验,可以在垫层中设置纯砂检查点,在同样施工条件下,按上述方法检验,或用灌砂法进行检查.

(2)贯入测定法.检验时,应先将垫层表面的砂刮去30mm左右,并用贯入仪、钢筋或钢叉等以贯入度大小来检查砂垫层的质量,以不大于通过试验所确定的贯入度为合格.

钢筋贯入测定法是用直径为2cm、长为125cm的平头钢筋,举起并离开砂层面0．7m处自由下落,插入深度应根据该砂的控制干土重度确定.

钢叉贯入测定法是采用水压法使用的钢叉,将钢叉举离砂层面0．5m处自由落下.同样,插入深度应该根据该砂的控制干土重度确定.

另外,土体原位测试的一些方法,如载荷试验、标准贯入试验、静力触探试验和旁压试验等,也可以用来进行垫层的质量检验.这些内容可参考有关的文献和资料.