软弱地基的处理及换土垫层的设计

1、前言

　　在进行水工建筑物的基础设计时，时常会碰到软弱地基问题。下面就根据自己的一些工作实践经验，浅谈一下软弱地基如何处理和换土垫层法在惠州市某泵站机房基础设计中的应用情况。

2、软弱地基的处理方法

　　直接利用软弱土层作为建筑物地基时，一般应按以下要求进行设计：

　　软弱土层为淤泥和淤泥质土时，应充分利用其上覆较好土层作为持力层；

　　若软弱土层为冲填土、建筑余泥和性能稳定的工业废料，并且均匀性和密实性较好时，均可利用作为持力层。

　　对于有机质含量较多的生活垃圾和对基础有侵蚀性的工业废料等杂填土，未经处理不宜作为持力层。

　　当地基承载力和变形不能满足设计要求时，则应将地基进行人工处理。这种经过人工处理的地基称为人工地基。

　　局部软弱土层及暗沟、暗塘的处理，可采用基础加深、基础梁跨越，换土垫层或桩基等方法。

　　当地基承载力和变形不能满足设计要求时，地基处理可选用机械压（夯）实、换土垫层、堆载预压、砂井真空预压、砂桩、碎石桩、灰土桩，水泥旋喷或深层搅拌形成的水泥土桩以及桩基等方法。

　　处在地下水位以上，由建筑余泥或工业废料组成的杂填土地基，可采用机械压（夯）实方法进行处理。其中重锤夯实的有效夯实深度可达1.2m左右；若采用强夯，则有效夯实深度应经试验确定；当需要大面积回填夯实时，可采用机械分层回填碾压方法；处理含少量粘性土的建筑余泥、工业废料和炉灰填土地基时，可采用振动压实的方法。当震实机自重2t，振动作用力100kn时，有效夯实深度可达1.2~1.5m。

　　处理较厚淤泥和淤泥质土地基时，可用堆载预压、砂井堆载预压或砂井真空预压。采用堆载预压时，预压荷载宜略大于设计荷载，预压时间应根据建筑物要求以及地基固结情况决定，同时应注意堆载大小和速率对周围建筑物的影响。采用砂井堆载预压或砂井真空预压时，应在砂井顶部作排水砂垫层。

　　用砂桩、碎石桩、灰土桩、水泥旋喷或深层搅拌桩处理软弱地基时，桩的设计参

　　数宜通过试验确定。施工时，表层土如有隆起或松动，应予以挖除或压实。对地基承载力、变形或稳定性要求较高的建筑物，若用桩基，则桩尖宜打入压缩性低的土层中。

　　若仅需处理软弱地基的浅层，可采用换土垫层的方法。

　　总之，软弱地基的处理应该因地制宜，处理后的地基承载力应满足设计要求。



３、换土垫层的设计应用

　　换土垫层就是将基础下面一定厚度的软弱土层挖除，然后以中砂、粗砂、砾石、碎石或卵石、灰土、粘性土以及其他性能稳定、无侵蚀性的材料。垫层应分层夯实，每层夯实后的密度应达到设计标准。

　　换土垫层设计包括决定垫层所应具有的最小宽度和厚度。

　　在垫层的宽度方面，根据建筑经验，垫层的顶宽一般采用较基础底边每边宽出200mm，垫层的底宽一般取基础同宽（如图1）。垫层的厚度应根据作用在垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于软弱土层承载力的条件确定，同时厚度不小于500mm。

　　在该灌站机房的基础进行设计时，由钻探资料显示，该地基为很厚的软粘土层，其承载力标准值fk=80kn/m2，重度γ=17 kn/m3，il=1.00，e=1.00。已知机房独立基础承受上部结构荷载设计值f=155 kn，设计室内外高差为0.3m，室外基础埋深d=0.80m。从以上数据可知，该地基承载力和变形不能满足设计要求。

　　由于该灌站交通不便，重型机械无法进入（如打桩机等），为了减少工程投资，又能达到设计要求的目的，经几个方案比较，决定采用直接用人工就可施工的换土垫层法作为该灌站基础设计。在垫层材料方面，采用中砂作为垫层，其承载力设计值按f=180 kn/m2计算（施工时砂垫层密度控制在中密程度），重度取γ=19.5 kn/m3。

　　按公式l = b=[f/(f-γh)]1/2确定基底长度和宽度（独立柱正方形基础）。

式中：l 、b——基础底面长和宽；

　　f——上部结构的荷载设计值；

　　f——换土垫层承载力；

　　γ——基础及回填土平均重度，一般取γ=20 kn/m3；

　　h——基础自重计算高度。

　　l =b=[f/(f-γh)]1/2=[155/（180-20×0.95）]1/2=0.98m，取l =b=1.0m

　　下面进行砂垫层厚度的计算：

　　在进行砂垫层厚度计算时，一般应满足pcz+pz≤fz

　　式中：pcz——作用在垫层底面处土的自重应力（kn/m2）;

　　pz______垫层底面处的附加应力设计值（kn/m2）;

　　fz________垫层底面处软弱土层承载力设计值（kn/m2）;

　　采用该式确定垫层厚度时，需要用试算法,即预先估计一个厚度，然后按上式校核，如不满足要求时，必须增加垫层厚度，直至满足要求为止。

　　为了减少计算工作量，设计该机房基础换土垫层的厚度时，采用了查曲线图的计算方法：曲线图见《建筑地基基础》 1990 . 10；231。

　　首先，按下式计算出k1值

　　k1=[fk+ηbγ软（b-3）+ηdγ软（d-0.5）-γ软d]×10/p0

　　其次，按下式计算出k2值

　　k2= k1+15b(ηdγ软-γ垫)/ p0

　　式中：p0——基础底面附加应力（kn/m2）;

　　fk——垫层底面处软弱土层的承载力标准值（kn/m2）;

　　ηb、ηd——分别为基础宽度和埋深的承载力修正系数；

　　d——基础埋置深度（m）；

　　γ软、γ垫——分别为软弱土层和垫层的重度（kn/m3）。

　　然后根据k1、k2和基础底面长边与短边的比值n=l/b，由曲线图查得m值。

　　最后算出垫层厚度z=mb。

　　本基础：fk=80kn/m2、d=0.8m、γ软=17 kn/m3、γ垫=19.5 kn/m3、按表查得ηb=0、ηd=1.1。

　　另外，p0=（f+g）/b-γd=（155+1×0.95×20）/1-17×0.8=160.4 kn/m2，代入上两式得：

　　k1=[fk+ηbγ软（b-3）+ηdγ软（d-0.5）-γ软d]×10/p0

　　=[80+1.1×17×(0.8-0.5)-17×0.8] ×10/160.4

　　=4.49

　　k2= k1+15b(ηdγ软-γ垫)/ p0

　　=4.49+15×1×(1.1×17-19.5)/160.4

　　=4.42

　　根据k1=4.49、 k2=4.42和n=1查曲线图得m=0.82。

　　则砂垫层厚度：z=bm=1.0×0.82=0.82 m，取

　　z=0.85 m 。

４、结语

　　该灌站工程建成且连续安全运行已有五年多，经观测，机房基础沉降<2mm（基本无沉降），机房上部结构无任何异常情况，运行良好。因此采用“换土垫层法”处理软弱地基，满足规范要求，满足运行要求，是经济和安全的。