发布于：2015-06-28 17:24:28
来自：道路桥梁/道路工程
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砂石垫层法是地基浅层处理的一种常用方法，属于换填法。当软弱土地基的承载力和变形不能满足建筑物的要求，厚度又不很大时，常采用强度较高的砂石垫层，换填基础底面下处理范围内的部分或全部软弱土层，提高地基承载力，使其满足建筑物上覆荷载的要求。十几年来，西北院在西北地区高（多）层建筑物基础处理中，逐步推广应用砂石垫层技术，工程实践经验表明，该方法成本低，施工简便、快捷，质量易于控制，在砂石料充足的西北地区已得到广泛的应用。在此，对砂石垫层的作用、工程特性及施工方法等介绍如下。
1 砂石垫层的作用
砂石垫层所用的砂石料具有强度高、压缩性小、透水性良好和容易碾压密实等特点，在工程中主要作用有以下几点。
1.1 提高地基承载力 由于浅基础的地基承载力与基础下卧层的抗剪强度有关，以抗剪强度较高的砂石垫层置换较软弱的土层，可提高地基的承载力；另外，砂石垫层密实度大、强度高，可将建筑物基底压力扩散传递到其下
1.2 减少地基沉降量 一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例都较大，以压缩模量高、压缩性小的砂石垫层置换上部软弱土层，可以显著的减少这部分的沉降量。此外，由于砂石垫层对应力的扩散作用，使作用在其下卧软土层上的压力减小，也相应减少了下卧层土的沉降量，改善了地基变形条件。
1.3 加速软弱土层排水固结 建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕出两侧排出，延长了渗径，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生破坏的危险。砂石垫层透水性能好，软弱土层受压后，垫层可作良好的排水面，可使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和强度的提高，避免地基土破坏。
1.4 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。
2 砂石垫层料工程特性
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5 mm作为分界粒径，把小于5 mm的颗粒称为细粒料，把大于5 mm的颗粒称为粗粒料，用P5表示大于5 mm粒径的粗颗粒的百分含量。 根据粗颗粒土有关理论，结合西北院多年来在水利水电筑坝技术中对粗颗粒土工程特性的研究成果，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。
十几年来，在西北地区高（多）层建筑物基础处理中，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（＜0.1 mm颗粒含量）不应超过5％，碎卵石最大粒径可放宽至70 mm；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50 mm。 （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。
3 砂石垫层的施工
3.1 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，12 t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。
3.2 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80 m，为箱形基础，剪力墙结构，基础设计为砂石垫层，厚度为2.5 m，设计要求压实系数达到0.97，承载力达到550 kPa。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21 cm，砂、石分层铺填，按体积比控制铺填厚度，铺填顺序为：底部铺6 cm厚砂子，中部铺填13 cm厚砾石，上部铺填2 cm厚砂子，采用12 t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3 km，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6 cm厚砂→13 cm厚砾石→2 cm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4.76 mm，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。
4 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。
5 结 语 十几年来经西北院进行质量检测的砂石垫层施工项目很多，根据反馈的信息，大多工程竣工后，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，很适合在西北地区推广。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。
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