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砂石垫层在建筑工程中的应用与要求探析【摘要】对砂石垫层的作用及工程特性和几个重要参数的分析，阐述了影响砂石垫层质量的因素，提出了砂石垫层在施工中应注意的问题及采取的措施。【关键词】砂石垫层；工程特性；参数；质量砂石垫层是处理软弱土层基础较为有效的方法之一，由于其投资少、施工难度小等原因被广泛应用，下面对砂石垫层处理软弱层基础的方法进行探讨。砂石垫层适用于3m内的软弱、透水性强的粘性土层处理；垫层厚度一般为0.5～2.5m之间为宜。若超过3m，侧费工费料，施工难度也较大，经济费用高；若小于0.5m，则不起作用。一、砂石垫层的作用（1）提高浅基础下地基承载力。地基中的剪切破坏是从基础底面下边角处开始，随基底压力的增大而逐渐向纵深发展的。一般来说，浅基础的地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关，当基底面以下浅层范围内可能被剪切破坏的软弱土为强度较大的垫层材料置换后，可提高地基承载力。（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是较大的，以条形基础为例，相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量的50%，以密实砂石代替软弱土层，就可以减少沉降量，由于砂石垫层对应力有扩散作，使作用在下卧层土的压力较小，这样也会相应减少下层土的沉降量。（3）加速软弱土层的排水固结。建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致同于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂石垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面孔隙水的压力迅速消散，加速垫层下软弱层的固结和强度的提高，避免地基土的塑性破坏。（4）防止冻胀和消除膨胀土的胀缩作用因为粗颗粒的砂石垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀，也可消除膨胀土的胀缩作用。正是由于砂石垫层在地基处理上具有以上诸多作用和优点，而且在不少地区料源也相当丰富，所以根据其所起的不同作用，在各类工程中都得到相当广泛的应用。二、砂石垫层料的工程特性砂石垫层料可归于无粘性粗颗粒土。一般砂石垫层填料有天然级配和人工级配2种。国内工程习惯用固定粒径5mm作为分界粒径，把小于5mm的颗粒称为细粒料，把大于5mm的颗粒称为粗粒料，用P5表示大于5mm粒径的粗颗粒的百分含量。一般认为，粗粒料形成骨架，细粒料充填孔隙，充填愈好，整个土体密度愈大，抗剪强度愈高，沉陷变形愈小，承载力愈高。从粗颗粒土粗料含量与干密度的试验资料表明，尽管粗粒土的产地、矿物成分、颗粒性质、颗粒组成等可能不同，但干密度随粗粒料含量的变化有共同的规律，即当P5约在70％左右时，粗粒料可形成完整骨架，细料又能填满骨架孔隙，此时粗、细料共同传递外力，颗粒间结合紧密，干密度值最大，土体最密实，压缩沉降变形也最小。应用砂石垫层的工程实践经验表明，要使砂石垫层具有较高的压实密度和承载力，填料应满足以下几条原则：（1）砂石垫层的填料，应选用质地坚硬的粒料，不应混入风化料、软岩破碎料或其它有机杂物。（2）对于一般建筑物基础，砂、石材料含泥量（＜0．1mm颗粒含量）不应超过5％，碎卵石最大粒径可放宽至70mm；对于用作排水固结地基或高层建筑物基础的砂、石材料，含泥量不宜超过3％，碎砾石最大粒径不宜大于50mm。（3）当采用天然级配的砂砾石时，应级配良好，其颗粒的不均匀系数最好不小于10，曲率系数Cu＝1～3。当采用人工级配砂、砾（碎）石混合料时，应通过相对密度试验对不同的砂、石比例进行试验，优化级配，找出最佳的砂石比，使其干密度达到最大值，粗、细颗粒间结合紧密，共同传递、分散压力。（4）砂石垫层中的砂，应为洁净的中、粗砂，避免使用细砂。普通碎石通常采用10～40mm，为防止含尘过多，可事先冲洗干净后，再与砂混合搅拌均匀使用，砂∶石一般为3∶7。三、砂石垫层的几个参数砂石垫层是以置换有可能被剪切破坏的软弱地基土质，从而提高地基承载能力，所以它的构造要有一定的厚度；同时还应有足够的宽度，以防止向垫层两侧挤出。3.1砂石垫层厚度Z与基础底面宽度、长度的关系基础底面的长度、砂石垫层厚度Z的确定，既要考虑砂石垫层地基承载力满足要求，又要满足下卧层地基承载力要求，即PZ＋PCZ≤fZ式中：PZ为附加压力设计值（kPa）;PCZ为垫层底面处土自重压力值（kPa）当建筑范围内软弱土层较薄时，应全部置换成砂石垫层，即Z已确定，反过来确定基础底面的宽度b。当软弱土层较厚时，应采取局部置换的方法，一般处理深度控制在3m以内，否则常因地下水位高而需要采取降水措施，抗壁放坡占地面积大或需要支护，以及施工土方量大，弃土多等因素，使处理费用增高，工期拖长。采用局部置换，Z和b是两个变量，要通过反复试算、调整来达到满足地基承载力的要求。3.2砂石垫层压力扩散角θ的取值建筑地基处理技术规范（下称技术规范）和建筑地基基础设计规范（下称设计规范）对砂石垫层压力扩散角θ的取值不尽相同。技术规范认为砂石垫层压缩模量与下卧层模量之比接近或大于10，则θ只与Z/b有关。设计规范认为θ与上层土压缩模量Es1与下卧层的压缩模量Es2的比值及Z/b有关。这时砂石垫层为上层土，下卧层软弱土为下层土，实际上砂石垫层压缩模量为14KPa左右，下卧软弱土层一般为淤泥、淤泥质土、粘性土和粉质粘土等，其压缩模量随不同土质不同而不同，如淤泥质土Es=3.0MPa，粉质粘土Es=4.5~6MPa，则Es1/Es2的比值有的接近或大于102，有的远小于10。通过比较并综合实际工程经验及有关文献，认为砂石垫层压力扩散角θ应采用设计规范表5.1.7取值比较合理。3.3砂石垫层宽度b1的确定砂石垫层的宽度除要满足应力扩散的要求外，还要根据垫层侧面土的容许承载力来确定，防止垫层向两边挤动。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又比较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降量增大。如某6层住宅楼一端在暗塘上，另一端落在土质较好的土层上，施工时清除暗塘中建筑物范围内的软弱土，全部换为1:1砂石垫层（厚2.4m），而砂石垫层底面每边仅超出外墙基础底宽500mm，很明显因砂石垫层宽度不够使垫层部分挤入侧面软弱土中，导致该工程竣工前发现墙体裂缝。一般多层住宅横墙相距较近，当软弱土层较厚，且要求砂石垫层厚度又较大时，按应力扩散原理，有可能在两墙中间的下卧软弱土层上出现应力交叉叠加，为防止此类现象的发生，建议基础设计成筏式基础。四、砂石垫层的施工4.1天然级配的砂石垫层施工对于以天然砂砾石作为填料的砂石垫层，施工中可由人工分层铺平，12t以上压路机碾压8～12遍。由于天然级配的砂砾石颗粒多呈浑圆状，颗粒间咬合力远小于尖角状碎石料，表层砾石临空面大，极易松动，直观感觉会认为压实度不够。但从现场试验检测试坑开挖情况看，当试坑开挖到被监测层下面一层时，2层结合面往往较清晰，下部层面砂砾石密实，不易松动，试坑开挖困难。由此表明，原表层圆粒易松动是材料几何形状所反映的现象，当上覆填筑层继续填筑碾压，砂砾石颗粒固定，并不影响该层的填筑密度。从室内砂砾石大型压缩试验及大型三轴试验结果看，对于同样级配与密实度的砂砾石料和碎石料，施加同样大的压力，一般情况下，浑圆状的砂砾石料的压缩沉降量要比有棱角的碎石料小。这主要是由于碎石料在受到较大外力作用下，其棱角容易受到挤压而破碎，使沉降量增大，颗粒破碎率越大，相应沉降量也越大。4.2人工级配的砂石垫层施工在以往的人工级配砂石垫层施工质量检测中，常发现砂石拌和不均匀，出现砂聚集和粗粒料相对集中，或局部区域填料粒径均匀等现象，其结果是无论碾压多少遍，密实度也无法达到设计要求，令施工单位大伤脑筋。究其原因，是由于施工单位按砂石比将填料预先拌和均匀，但在垫层施工时，由于拌和均匀的砂石料在装车、运输、卸车、铺填过程中多次产生分离，造成砂、石分离，粒径均匀料聚集，结果使预先拌和均匀的砂石料因离析而级配不良所致。鉴于此，在实践中总结出，对于人工级配的砂石垫层施工，采用“砂、石分层铺填，薄层碾压”方案比较好。某高层公寓楼，24层，总高度约80m，为箱形基础，剪力墙结构，基础设计为砂石垫层，厚度为2．5m，设计要求压实系数达到0．97，承载力达到550kPa。根据工程特点及现场地质条件，提出了基础砂石垫层施工工艺设计方案：压实厚度为21cm，砂、石分层铺填，按体积比控制铺填厚度，铺填顺序为：底部铺6cm厚砂子，中部铺填13cm厚砾石，上部铺填2cm厚砂子，采用12t压路机碾压12遍，压路机行车速度按一档控制碾压时速不超过3km，纵向、横向各碾压6遍，对于压路机碾压不到的部位可用蛙夯或平板振动器夯实。待该层检测合格后再进行下一层施工，铺填方法同前，即6cm厚砂→13cm厚砾石→2cm厚砂。在施工碾压时若砂料有少量含水，则表层面砂不易进入砾石孔隙，如果地基和气候等条件允许，可采用浇水冲填方法使表层砂充填砾石孔隙，根据室内大型压缩试验成果，饱和状态下砂石料的压缩沉降量一般均明显大于风干状态，说明浇水填筑碾压有利于砂石料的压实；如果地基和气候等条件不允许，则采用人工刮平方法，均碾压至面现石子。该公寓楼基础砂石垫层施工质量检测结果，平均砂石比为29．5∶70．5，砂石掺和比较均匀；最大沉降量仅为4．76mm，承载力标准值fk＝630kPa。（为静载荷试验结果），满足设计使用要求。根据多年的工程实践，人工级配的砂石垫层施工采用“砂、石分层铺填，薄层碾压”方案均取得了很好的效果，证明是切实可行的。五、施工中易影响砂石垫层质量的因不比5.1对材料的要求。砂石垫层的材料宜采用级配良好的骨料，砂子宜为中粗砂，碎石粒径不宜大于50mm，砂石比宜为1:1，砂石含泥量均不应超过5%。5.2施工时最优含水量。为获得最佳夯压效果，宜采用垫层材料最优含水量作为施工控制含水量，当用平板式振动器时最优含水量可取15%~20%，当用平碾或蛙式夯时可取8%~12%。5.3铺筑砂石垫层前，应先行验槽，浮土也应清除干净，边坡必须稳定，基坑两侧附近如有低于地基的孔洞、沟、井、墓穴等，应在未做垫层前加以填实。5.4开挖基坑铺设垫层时，必须避免扰动软弱土层的表面，坑底土的结构在施工时遭到破坏后，其强度就会显著降低，以致在建筑物荷重的作用下，将产生很大的附加沉降，因此，基础开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并禁止踩踏坑底。5.5砂石垫层底面宜铺设在同一标高上，如深度不同时，基坑地基上面挖成踏步斜坡搭接，各分层搭接位置应错开0.8~1m距离，长高比宜大于2，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。5.6捣实砂石垫层时，应注意不要破坏底面和侧面土的强度，因此，对基坑下灵敏度大的地基如淤泥、淤泥质土等，在垫层最下层宜先铺设150~300mm厚的松粗砂，只要木夯夯实，不得用振捣器，以免破坏基底的结构。5.7当淤泥或淤泥质土厚度较小时，在碾压荷载下抛石能挤入该层底面时，可采用抛石挤淤处理，这样石料层层挤压构成稳定的承重骨架而承受绝大部分上部荷载，形成坚实的垫层。六、砂石垫层施工质量检测砂石垫层施工质量检测可分为2个阶段进行。第一阶段为施工跟踪检测，主要进行含水量试验、含泥量试验、砂石比试验和填筑密度试验（灌砂法或灌水法），目的是检测每一层填料的含泥量是否超标，级配是否良好，砂石比是否合适，填筑干密度及压实系数（一般的砂石垫层压实系数为0.94~0.96）等是否满足设计要求。第二阶段为质量验收检测，主要进行静载荷试验，测定垫层总沉降量及沉降量极差是否符合有关规定，垫层承载力是否达到设计要求。七、结束语根据大量工程实践，采用砂石垫层后，沉降均匀，沉降量小，无不均匀沉降等不良现象，说明砂石垫层确实能满足设计要求。而“砂、石分层铺填，薄层碾压”的施工工艺，是人工级配砂石垫层施工中的一种行之有效的方法。