换填垫层法在某软弱地基中的应用

换填垫层法在某软弱地基中的应用
1　工程概况
江南办事处单层厂房，位于江南工业区九号街区临时厂区场地，场地位于江门市中心路北面，紧靠中心路，东宁工业城东面。厂房面积约1600m2，钢筋混凝土柱，三角形钢屋架，属单层排架结构，墙体材料为粘土砖，屋面为镀锌波纹瓦。
根据钻孔揭露，自上而下分为4层，①填土、松散，厚0.9～2.2;②耕植土，可塑，厚0.6～1.30m；③淤泥质土饱和、流塑、厚12.3～19.1m;④强风化含砾粉砂岩，揭露厚3.7m。地下水情况，场地存在一定量的地下水，水位标高为-0.6～1.5m之间，平均1.05m。
建筑物安全等级为二级，场地类型为三类，按抗震设防烈度为7度，抗震等级为三级，基本风压0.6kN/m2，屋面活载0.3kN/m2。
钢屋架根据恒载、活载及风荷载的大小，选用国家标准图集轻型屋面钢屋架，排架结构，如图1所示。柱脚固接，柱顶铰接，柱距为6m，计算柱脚内力。边柱脚内力设计值如下：Fk＝278kN 　Vk＝9kN　　Mk＝28kN•m
2 基础设计与施工
2.1基础设计
根据地质资料并考虑上部荷载情况，采用浅基础。
持力层为耕植土，地基承载力特征值fak1＝60 kN/m2，按埋深仍落在松散填土层，强度显然不足以支承基础，因此要换土，换土首先解决地基强度满足设计要求，所以选用3:7砂碎石作换填材料，基础底面标高－1.40m，换土1m，根据地基基础规范,其承载力特征值可达150~200kPa，符合设计要求。基础底面标高－1.40m，换土1m，根据基基础规范进行深度修正：
耕植土fa1＝fak1＋ηdro(d－0.5 )
ηd——深度修正数，耕植土取ηd＝1.1
γo——土层平均重度，取γo＝16 kN/m3
fa1＝60＋1.1×16×(1.4＋1－0.5)＝93 kN/m2
采用换填垫层法进行地基处理，换土深度Z＝1m，置换垫层采用3：7砂碎石垫层，基础尺寸：1.8×1.8×0.5，砂碎石垫层地基承载力特征值fak2＝100 kN/m，fa2＝120kN/m2。
根据建筑地基处理技术规范。
Z／b＝1／1.8＝0.55＞0.5
b——基础宽度, a——基础另一侧宽度地
Es1/Es2>10，由JGJ79-2002查表得 应力扩散角为θ＝30°。

基底强度平均压应力
pk2＝Fk/A+Gk/A=　　　 +20×1.4＝114kN/m2

最大压应力：pkmax2 = pk2＋　　＝pk2＋　　　　 ＝142kN/m2＜1.2fa2＝144 kN/m2
满足
基础底平均附加压应力
pz2＝pk2－Υd＝114－16×1.4＝92kN/m2
　 垫层底尺寸
b1＝b＋2×1.0×tgθ＝1.8＋2×1.0×tg30°＝2.95m
垫层底平均附加压应力
pz1＝pz2b2/ b12＝92×1.82/2.952＝34.3kN/m2
垫层底有效自重应力pcz
pcz＝r(1.4＋1.0)＝16×2.4＝38.4kN/m2
pz1＋pcz＝34.3＋38.4＝72.7kN/m2 2.2基础施工
在施工中，3:7碎石垫层的砂、碎石重量进行准确称量，采用材料的最优含水量作为施工含水量，大约取15～20％，由于地下水较丰富，开挖的设集水井进行抽水，土方开挖到指定深度后，要及时回填砂碎石，由于需用人工局部开挖，对原土产生扰动，故在回填时要先放置尺寸较大的毛石块，形成较硬的底壳，回填材料的分层厚度不宜大于250mm，并用平板式振动器冲水振动密实，压实系数要求达到0.94，并采用贯入仪检验垫层质量，通过现场试验以控制压实系数，所对应的贯入度为合格标准。回填厚度达到设计要求后，要尽量及时浇筑混凝土基础，经现场观测，垫层的密实度达到预期的效果。
3 经济分析与使用效果
3.1　采用天然浅基础
(1) 按一个开间计算：V＝1.8×1.8×0.5×3＝4.86m3
C25混凝土基础造价：4.86×500＝2430元
(2)3:7砂碎石垫层（及挖土）：2.4×2.4×1.0×3＝17.3m3
造价：1.73×50＝865元
基础每平方造价：（2430＋865）/（6×26）＝21.1元／m2
3.2　采用Φ300桩基础
Φ300桩，桩长20m，单桩竖向承载力设计值　　R＝200kN，二桩承台尺寸1.65×0.6×0.7
(1) 桩：22×2×3＝132m
造价：132×70＝9240元
(2)C25桩承台：1.65×0.6×0.7×3＝2.10m3
造价：2.1×500＝1050元
(3)试验费：200×1.65×6×2＝3960元
(4)桩机进退场费：3000元
基础每平方造价：(9240+1050)/(6×26)+(3960+3000)/1600=70.3元/m2
综合上述经济分析，采用天然浅基础每平方米能节约造价50元，经济效益明显。
该建筑使用至今，通过多次的沉降观测，发现基础沉降均匀，且沉降量很小，约10mm，无出现墙体、梁、柱开裂等现象，同时，该厂区还有一座二层办公楼，亦采用该基础形式，同样无出现沉、裂现象，效果良好，得到业主的好评。
高新工业区的地质情况都很相似，存在淤泥层较厚的情况，针对结构形式类似的建筑，采用换填法处理是很适宜的。
4　结语
换填垫层法适用范围：对于较深厚的软弱土层，下卧软弱土层在荷载下的长期变形可能依然很大。采用垫层仅置换上层软土后，通常可提高持力层的承载力，但不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形量大对上部建筑物产生的有害影响。
因此采用换填垫层法时，必须考虑建筑体型、荷载分布、结构刚度等因素对建筑物的影响。