淺析砂石墊層在建筑工程中的應(yīng)用與要求

1、砂石墊層在建筑工程中的應(yīng)用與要求探析【摘要】對(duì)砂石墊層的作用及工程特性和幾個(gè)重要參數(shù)的分析，闡述了影響砂石墊層質(zhì)量的因素，提出了砂石墊層在施工中應(yīng)注意的問題及采取的措施?！娟P(guān)鍵詞】砂石墊層；工程特性；參數(shù)；質(zhì)量砂石墊層是處理軟弱土層基礎(chǔ)較為有效的方法之一，由于其投資少、施工難度小等原因被廣泛應(yīng)用，下面對(duì)砂石墊層處理軟弱層基礎(chǔ)的方法進(jìn)行探討。砂石墊層適用于3m內(nèi)的軟弱、透水性強(qiáng)的粘性土層處理；墊層厚度一般為0.52.5m之間為宜。若超過3m，側(cè)費(fèi)工費(fèi)料，施工難度也較大，經(jīng)濟(jì)費(fèi)用高；若小于0.5m，則不起作用。一、砂石墊層的作用（1）提高淺基礎(chǔ)下地基承載力。地基中的剪切破壞是從基礎(chǔ)底面下邊角處開始

2、，隨基底壓力的增大而逐漸向縱深發(fā)展的。一般來說，淺基礎(chǔ)的地基承載力與基礎(chǔ)下土層的抗剪強(qiáng)度有關(guān)，當(dāng)基底面以下淺層范圍內(nèi)可能被剪切破壞的軟弱土為強(qiáng)度較大的墊層材料置換后，可提高地基承載力。（2）減少沉降量。一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例是較大的，以條形基礎(chǔ)為例，相當(dāng)于基礎(chǔ)寬度的深度范圍內(nèi)的沉降量約占總沉降量的50%，以密實(shí)砂石代替軟弱土層，就可以減少沉降量，由于砂石墊層對(duì)應(yīng)力有擴(kuò)散作，使作用在下臥層土的壓力較小，這樣也會(huì)相應(yīng)減少下層土的沉降量。（3）加速軟弱土層的排水固結(jié)。建筑物的不透水基礎(chǔ)直接與軟弱土層相接觸時(shí)，在荷載作用下，軟弱土地基中的水被迫繞基礎(chǔ)兩側(cè)排出，因而使基底下的軟弱

3、土不易固結(jié)，形成較大的孔隙水壓力，還可能導(dǎo)致同于地基強(qiáng)度降低而產(chǎn)生塑性破壞的危險(xiǎn)。砂石墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，使基礎(chǔ)下面孔隙水的壓力迅速消散，加速墊層下軟弱層的固結(jié)和強(qiáng)度的提高，避免地基土的塑性破壞。（4）防止凍脹和消除膨脹土的脹縮作用因?yàn)榇诸w粒的砂石墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，因此可防止寒冷地區(qū)土中結(jié)冰所造成的凍脹，也可消除膨脹土的脹縮作用。正是由于砂石墊層在地基處理上具有以上諸多作用和優(yōu)點(diǎn)，而且在不少地區(qū)料源也相當(dāng)豐富，所以根據(jù)其所起的不同作用，在各類工程中都得到相當(dāng)廣泛的應(yīng)用。二、砂石墊層料的工程特性砂石墊層料可歸于無粘性粗顆粒土。一般砂石墊層填

4、料有天然級(jí)配和人工級(jí)配2種。國(guó)內(nèi)工程習(xí)慣用固定粒徑5mm作為分界粒徑，把小于5mm的顆粒稱為細(xì)粒料，把大于5mm的顆粒稱為粗粒料，用p5表示大于5mm粒徑的粗顆粒的百分含量。一般認(rèn)為，粗粒料形成骨架，細(xì)粒料充填孔隙，充填愈好，整個(gè)土體密度愈大，抗剪強(qiáng)度愈高，沉陷變形愈小，承載力愈高。從粗顆粒土粗料含量與干密度的試驗(yàn)資料表明，盡管粗粒土的產(chǎn)地、礦物成分、顆粒性質(zhì)、顆粒組成等可能不同，但干密度隨粗粒料含量的變化有共同的規(guī)律，即當(dāng)p5約在70左右時(shí)，粗粒料可形成完整骨架，細(xì)料又能填滿骨架孔隙，此時(shí)粗、細(xì)料共同傳遞外力，顆粒間結(jié)合緊密，干密度值最大，土體最密實(shí)，壓縮沉降變形也最小。應(yīng)用砂石墊層的工程實(shí)

5、踐經(jīng)驗(yàn)表明，要使砂石墊層具有較高的壓實(shí)密度和承載力，填料應(yīng)滿足以下幾條原則：（1）砂石墊層的填料，應(yīng)選用質(zhì)地堅(jiān)硬的粒料，不應(yīng)混入風(fēng)化料、軟巖破碎料或其它有機(jī)雜物。（2）對(duì)于一般建筑物基礎(chǔ)，砂、石材料含泥量（01mm顆粒含量）不應(yīng)超過5，碎卵石最大粒徑可放寬至70mm；對(duì)于用作排水固結(jié)地基或高層建筑物基礎(chǔ)的砂、石材料，含泥量不宜超過3，碎礫石最大粒徑不宜大于50mm。（3）當(dāng)采用天然級(jí)配的砂礫石時(shí)，應(yīng)級(jí)配良好，其顆粒的不均勻系數(shù)最好不小于10，曲率系數(shù)cu13。當(dāng)采用人工級(jí)配砂、礫（碎）石混合料時(shí)，應(yīng)通過相對(duì)密度試驗(yàn)對(duì)不同的砂、石比例進(jìn)行試驗(yàn)，優(yōu)化級(jí)配，找出最佳的砂石比，使其干密度達(dá)到最大值，粗

6、、細(xì)顆粒間結(jié)合緊密，共同傳遞、分散壓力。（4）砂石墊層中的砂，應(yīng)為潔凈的中、粗砂，避免使用細(xì)砂。普通碎石通常采用1040mm，為防止含塵過多，可事先沖洗干凈后，再與砂混合攪拌均勻使用，砂石一般為37。三、砂石墊層的幾個(gè)參數(shù)砂石墊層是以置換有可能被剪切破壞的軟弱地基土質(zhì)，從而提高地基承載能力，所以它的構(gòu)造要有一定的厚度；同時(shí)還應(yīng)有足夠的寬度，以防止向墊層兩側(cè)擠出。3.1砂石墊層厚度z與基礎(chǔ)底面寬度、長(zhǎng)度的關(guān)系基礎(chǔ)底面的長(zhǎng)度、砂石墊層厚度z的確定，既要考慮砂石墊層地基承載力滿足要求，又要滿足下臥層地基承載力要求，即pzpczfz式中：pz為附加壓力設(shè)計(jì)值（kpa）;pcz為墊層底面處土自重壓力值（

7、kpa）當(dāng)建筑范圍內(nèi)軟弱土層較薄時(shí)，應(yīng)全部置換成砂石墊層，即z已確定，反過來確定基礎(chǔ)底面的寬度b。當(dāng)軟弱土層較厚時(shí)，應(yīng)采取局部置換的方法，一般處理深度控制在3m以內(nèi)，否則常因地下水位高而需要采取降水措施，抗壁放坡占地面積大或需要支護(hù)，以及施工土方量大，棄土多等因素，使處理費(fèi)用增高，工期拖長(zhǎng)。采用局部置換，z和b是兩個(gè)變量，要通過反復(fù)試算、調(diào)整來達(dá)到滿足地基承載力的要求。3.2砂石墊層壓力擴(kuò)散角的取值建筑地基處理技術(shù)規(guī)范（下稱技術(shù)規(guī)范）和建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范（下稱設(shè)計(jì)規(guī)范）對(duì)砂石墊層壓力擴(kuò)散角的取值不盡相同。技術(shù)規(guī)范認(rèn)為砂石墊層壓縮模量與下臥層模量之比接近或大于10，則只與z/b有關(guān)。設(shè)計(jì)規(guī)范認(rèn)

8、為與上層土壓縮模量es1與下臥層的壓縮模量es2的比值及z/b有關(guān)。這時(shí)砂石墊層為上層土，下臥層軟弱土為下層土，實(shí)際上砂石墊層壓縮模量為14kpa左右，下臥軟弱土層一般為淤泥、淤泥質(zhì)土、粘性土和粉質(zhì)粘土等，其壓縮模量隨不同土質(zhì)不同而不同，如淤泥質(zhì)土es=3.0mpa，粉質(zhì)粘土es=4.56mpa，則es1/es2的比值有的接近或大于102，有的遠(yuǎn)小于10。通過比較并綜合實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)及有關(guān)文獻(xiàn)，認(rèn)為砂石墊層壓力擴(kuò)散角應(yīng)采用設(shè)計(jì)規(guī)范表5.1.7取值比較合理。3.3砂石墊層寬度b1的確定砂石墊層的寬度除要滿足應(yīng)力擴(kuò)散的要求外，還要根據(jù)墊層側(cè)面土的容許承載力來確定，防止墊層向兩邊擠動(dòng)。如果墊層寬度不足

9、，四周側(cè)面土質(zhì)又比較軟弱時(shí)，墊層就有可能部分?jǐn)D入側(cè)面軟弱土中，使基礎(chǔ)沉降量增大。如某6層住宅樓一端在暗塘上，另一端落在土質(zhì)較好的土層上，施工時(shí)清除暗塘中建筑物范圍內(nèi)的軟弱土，全部換為1:1砂石墊層（厚2.4m），而砂石墊層底面每邊僅超出外墻基礎(chǔ)底寬500mm，很明顯因砂石墊層寬度不夠使墊層部分?jǐn)D入側(cè)面軟弱土中，導(dǎo)致該工程竣工前發(fā)現(xiàn)墻體裂縫。一般多層住宅橫墻相距較近，當(dāng)軟弱土層較厚，且要求砂石墊層厚度又較大時(shí)，按應(yīng)力擴(kuò)散原理，有可能在兩墻中間的下臥軟弱土層上出現(xiàn)應(yīng)力交叉疊加，為防止此類現(xiàn)象的發(fā)生，建議基礎(chǔ)設(shè)計(jì)成筏式基礎(chǔ)。四、砂石墊層的施工4.1天然級(jí)配的砂石墊層施工對(duì)于以天然砂礫石作為填料的砂石

10、墊層，施工中可由人工分層鋪平，12t以上壓路機(jī)碾壓812遍。由于天然級(jí)配的砂礫石顆粒多呈渾圓狀，顆粒間咬合力遠(yuǎn)小于尖角狀碎石料，表層礫石臨空面大，極易松動(dòng)，直觀感覺會(huì)認(rèn)為壓實(shí)度不夠。但從現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)檢測(cè)試坑開挖情況看，當(dāng)試坑開挖到被監(jiān)測(cè)層下面一層時(shí)，2層結(jié)合面往往較清晰，下部層面砂礫石密實(shí)，不易松動(dòng)，試坑開挖困難。由此表明，原表層圓粒易松動(dòng)是材料幾何形狀所反映的現(xiàn)象，當(dāng)上覆填筑層繼續(xù)填筑碾壓，砂礫石顆粒固定，并不影響該層的填筑密度。從室內(nèi)砂礫石大型壓縮試驗(yàn)及大型三軸試驗(yàn)結(jié)果看，對(duì)于同樣級(jí)配與密實(shí)度的砂礫石料和碎石料，施加同樣大的壓力，一般情況下，渾圓狀的砂礫石料的壓縮沉降量要比有棱角的碎石料小。這

11、主要是由于碎石料在受到較大外力作用下，其棱角容易受到擠壓而破碎，使沉降量增大，顆粒破碎率越大，相應(yīng)沉降量也越大。4.2人工級(jí)配的砂石墊層施工在以往的人工級(jí)配砂石墊層施工質(zhì)量檢測(cè)中，常發(fā)現(xiàn)砂石拌和不均勻，出現(xiàn)砂聚集和粗粒料相對(duì)集中，或局部區(qū)域填料粒徑均勻等現(xiàn)象，其結(jié)果是無論碾壓多少遍，密實(shí)度也無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求，令施工單位大傷腦筋。究其原因，是由于施工單位按砂石比將填料預(yù)先拌和均勻，但在墊層施工時(shí)，由于拌和均勻的砂石料在裝車、運(yùn)輸、卸車、鋪填過程中多次產(chǎn)生分離，造成砂、石分離，粒徑均勻料聚集，結(jié)果使預(yù)先拌和均勻的砂石料因離析而級(jí)配不良所致。鑒于此，在實(shí)踐中總結(jié)出，對(duì)于人工級(jí)配的砂石墊層施工，采用“

12、砂、石分層鋪填，薄層碾壓”方案比較好。某高層公寓樓，24層，總高度約80m，為箱形基礎(chǔ)，剪力墻結(jié)構(gòu)，基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為砂石墊層，厚度為25m，設(shè)計(jì)要求壓實(shí)系數(shù)達(dá)到097，承載力達(dá)到550kpa。根據(jù)工程特點(diǎn)及現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件，提出了基礎(chǔ)砂石墊層施工工藝設(shè)計(jì)方案：壓實(shí)厚度為21cm，砂、石分層鋪填，按體積比控制鋪填厚度，鋪填順序?yàn)椋旱撞夸?cm厚砂子，中部鋪填13cm厚礫石，上部鋪填2cm厚砂子，采用12t壓路機(jī)碾壓12遍，壓路機(jī)行車速度按一檔控制碾壓時(shí)速不超過3km，縱向、橫向各碾壓6遍，對(duì)于壓路機(jī)碾壓不到的部位可用蛙夯或平板振動(dòng)器夯實(shí)。待該層檢測(cè)合格后再進(jìn)行下一層施工，鋪填方法同前，即6cm厚砂13cm

13、厚礫石2cm厚砂。在施工碾壓時(shí)若砂料有少量含水，則表層面砂不易進(jìn)入礫石孔隙，如果地基和氣候等條件允許，可采用澆水沖填方法使表層砂充填礫石孔隙，根據(jù)室內(nèi)大型壓縮試驗(yàn)成果，飽和狀態(tài)下砂石料的壓縮沉降量一般均明顯大于風(fēng)干狀態(tài)，說明澆水填筑碾壓有利于砂石料的壓實(shí)；如果地基和氣候等條件不允許，則采用人工刮平方法，均碾壓至面現(xiàn)石子。該公寓樓基礎(chǔ)砂石墊層施工質(zhì)量檢測(cè)結(jié)果，平均砂石比為295705，砂石摻和比較均勻；最大沉降量?jī)H為476mm，承載力標(biāo)準(zhǔn)值fk630kpa。（為靜載荷試驗(yàn)結(jié)果），滿足設(shè)計(jì)使用要求。根據(jù)多年的工程實(shí)踐，人工級(jí)配的砂石墊層施工采用“砂、石分層鋪填，薄層碾壓”方案均取得了很好的效果，證

14、明是切實(shí)可行的。五、施工中易影響砂石墊層質(zhì)量的因不比5.1對(duì)材料的要求。砂石墊層的材料宜采用級(jí)配良好的骨料，砂子宜為中粗砂，碎石粒徑不宜大于50mm，砂石比宜為1:1，砂石含泥量均不應(yīng)超過5%。5.2施工時(shí)最優(yōu)含水量。為獲得最佳夯壓效果，宜采用墊層材料最優(yōu)含水量作為施工控制含水量，當(dāng)用平板式振動(dòng)器時(shí)最優(yōu)含水量可取15%20%，當(dāng)用平碾或蛙式夯時(shí)可取8%12%。5.3鋪筑砂石墊層前，應(yīng)先行驗(yàn)槽，浮土也應(yīng)清除干凈，邊坡必須穩(wěn)定，基坑兩側(cè)附近如有低于地基的孔洞、溝、井、墓穴等，應(yīng)在未做墊層前加以填實(shí)。5.4開挖基坑鋪設(shè)墊層時(shí)，必須避免擾動(dòng)軟弱土層的表面，坑底土的結(jié)構(gòu)在施工時(shí)遭到破壞后，其強(qiáng)度就會(huì)顯著

15、降低，以致在建筑物荷重的作用下，將產(chǎn)生很大的附加沉降，因此，基礎(chǔ)開挖后應(yīng)及時(shí)回填，不應(yīng)暴露過久或浸水，并禁止踩踏坑底。5.5砂石墊層底面宜鋪設(shè)在同一標(biāo)高上，如深度不同時(shí)，基坑地基上面挖成踏步斜坡搭接，各分層搭接位置應(yīng)錯(cuò)開0.81m距離，長(zhǎng)高比宜大于2，搭接處應(yīng)注意搗實(shí)，施工應(yīng)按先深后淺的順序進(jìn)行。5.6搗實(shí)砂石墊層時(shí)，應(yīng)注意不要破壞底面和側(cè)面土的強(qiáng)度，因此，對(duì)基坑下靈敏度大的地基如淤泥、淤泥質(zhì)土等，在墊層最下層宜先鋪設(shè)150300mm厚的松粗砂，只要木夯夯實(shí)，不得用振搗器，以免破壞基底的結(jié)構(gòu)。5.7當(dāng)淤泥或淤泥質(zhì)土厚度較小時(shí)，在碾壓荷載下拋石能擠入該層底面時(shí)，可采用拋石擠淤處理，這樣石料層層擠壓構(gòu)成穩(wěn)定的承重骨架而承受絕大部分上部荷載，形成堅(jiān)實(shí)的墊層。六、砂石墊層施工質(zhì)量檢測(cè)砂石墊層施工質(zhì)量檢測(cè)可分為2個(gè)階段進(jìn)行。第一階段為施工跟蹤檢測(cè)，主要進(jìn)行含水量試驗(yàn)、含泥量試驗(yàn)、砂石比試驗(yàn)和填筑密度試驗(yàn)（灌砂法或灌水