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【摘 要】 当前，由于建筑工程涉及到许多地质相对复杂地基工程，需要建筑施工单位熟练地掌握地基基础施工方法，分析与应对不断变化的多种地质条件的挑战。文中工程依据软土地基处理经验，根据工程周边地质情况、技术经济指标等因素，进行全面的分析比较，考虑选择最适宜的换土垫层法地基处理方案，使得工程质量得到保证。
【关键词】 软土地基;换土垫层法;地基处理
1 换土垫层法概述
换填垫层法是将基础下一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖除，然后分层回填并夯实砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高炉矿渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性的材料。换填垫层法可以提高浅层地基承载力、减少沉降量、加速软弱土层的排水固结、防止冻胀、起到消除膨胀土的胀缩作用。
当软弱地基的承载力和变形不能满足建筑物要求且软弱土层的厚度又不是很大时，换填垫层法是一种较为经济、简单的软土地基浅层处理方法。换填垫层法的处理深度常控制在3-5m范围以内。当然，若换填垫层太薄，则其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5m。
2 工程实例
2.1工程概况
某大楼建筑面积6154.3㎡，地上15层，地下1层，总高度为51.5m。地层分为8层：①杂填土，覆盖厚度为1.3m;②黏土层，湿润，平均厚度为2.1m，承载力k=100～200kPa;③粉质湿润黏土，平均厚度为3.95m，承载力为k=80～200kPa;④圆砾层，圆砾成分以矿岩、石英岩为主，粒径为5～25mm，最大粒径达到70mm，其中含有15%的黏土及细砂填充物，平均厚度为3.65m，承载力为k=200～300kPa;⑤粉质黏土，颜色为灰褐色且夹有粉砂、细砂及黏土，且平均厚度在8m左右，承载力k=100～200kPa;⑥圆砾层夹细砂，平均厚度为2.6m，承载力k=200～300kPa;⑦黏土层且夹有少量砾石，平均厚度为7.8m，⑧岩石层，地下水位3.8m。
2.2地基处理方案优化
由于地下水位埋深较高，且在含水层内有3.95m的粉土细砂，岩层较深。如果采用人工挖孔桩，则在开挖过程中，由于初始静力平衡遭到破坏，很可能会出现管涌现象，甚至会造成邻房开裂。如果采用水泥幕墙挡水方式来解决高水位问题，其费用又较高，工期较长，所以人工挖孔桩基不适合该工程。
如果采用混凝土预制桩，则需要穿过平均厚度为3.65m的圆砾层，该圆砾层结构紧密，承载力较高，进桩十分困难，工期可能受到影响;而且预制桩穿过圆砾层后，还需继续进桩18.8m才有可塑性黏土做持力层。该土层k=200kPa，按摩擦桩设计，承载力显示偏低，因此预制桩施工造价偏高，无明显优势。
考虑到本工程箱形基础埋深为了-5.1m，处于③粉质黏土，而第4层为圆砾土，承载力达250～300kPa，因此只要将第4层以上剩余的2.25m粉土换成优化配合比的砂砾土，使其承载力达到200kPa左右，与第4层紧密结合形成4.9m厚的砂砾持力层，这样既增加了持力层的承载力，改善了压缩变形性能，又增加持力层厚度，便于建造地下室，方便施工，是一种较好的基础处理方案。
2.3设计及施工要点
2.3.1换土层垫层设计
为了使换土层与第4层圆砾土层结合形成性质相近的箱基持力层，根据土力学原理，拟设一种砂砾土为换土层，并对砂砾土的组成结构进行研究。砂砾土中的砾石、碎石、粗集料起骨架作用，承受外力产生弹性变形和抗力;粗、细砂和细集料起填充作用，增加土体密实性，减少压缩变形，组成一种新的砂砾土结构，其性质接近第4层圆砾层结构。任何一种土体的力学性能均取决于土体颗粒级配及矿物成分，如在砂土中掺入砾石、碎石，当其含量≤30%时，仅起填充作用;逐渐增加砾石、碎石含量到某一临界值，如60%时，砾石、碎石之间有可能出现彼此接触、相互支承的情况，此时的砾石、碎石开始起骨架作用，使砂土性质产生变化;当其含量达到或超过70%时，骨架作用占主导地位，土体性质就由砾石、碎石的性质及含量决定。人工设计的砂砾土性质，以第4层圆砾土层的力学性能为依据，两者力学指标越接近，相似效果就越好，所构成的箱基持力层受力变形性能越是趋于一致，就能充分利用天然圆砾土层的潜在承载力，减少持力层压缩变形。对第4层圆砾土层组成结构进行试验分析，试验结果见表1。
表1 第4层圆砾土层物理力学指标
为此参照第4层土的组成情况设计了砂砾土的级配方案，见表2。
表2 砂砾土级配
表3 砂砾土击实试验结果
根据表2的级配方案进行压缩试验，分级加载，其压实结果见表3判断颗粒级配好坏的指标是不均匀系数Cu和曲率系数Cc，不均匀系数Cc反映，大、小颗粒级配情况，曲率系数Cc反映大小、小颗粒分布范围。按土工试验规程规定，Cu>5和Cc=1～3时，颗粒级配良好。该工程采用第⑥组级配方案施工，经计算得Cu=13.46，Cc=1.72，可见级配方案⑥的级配在规程规定的良好组配范围内。
2.3.2换土垫层施工
按建筑地基基础设计规范进行换土垫层的设计及施工。
1） 按设计要求将箱基底板以下至圆砾土层顶面以上的粉质黏土层全部挖除，换填为符合级配方案要求及经人工拌匀的砂砾土垫层，分层回填，分层振动碾压密实。
2）基坑开挖前，采用井点降水法，设两个砖砌沉井，将地下水位由地表以下3.8m降低至开挖坑底以下0.5m，即地表以下7.85m。基坑开挖时避免扰动圆砾土层原状土结构，基坑周边按1：1.5放坡，基坑开挖完毕后立即进行填土施工。
3）采用质地坚硬的砾石、碎石和中粗砂作为回填土料，砾石、碎石粒径不得大于50mm，砂中不得含有有机物杂质，含泥量及可溶性盐不得超过3%。
4）分层铺土、分层碾压、分层检测，合格后方可进行新一层填土施工。基坑开挖至验槽后先行找平，对找平层和回填土的边端部位用8～12t光轮静碾压路机碾压，振实力300KN，铺土厚度250mm。对大面积铺土碾压，采用Qz100-50振动碾，振实力500KN，每层铺土厚度为500mm，共4层，平均厚度2.0m，填土面积700㎡，8d完成施工任务。每层碾压均按单向行车碾压，严禁漏压，碾压时每次重叠3/4个碾辊，碾压遍数3-6遍，一般碾压3遍已能满足要求。每层碾压结束，即进行压实检验及重度检测，符合规定后则可进行新一层填土施工。
2.3.3填土质量检验
对第2、3、4层换填土和回填土，选9个测试点，现场没定砂砾土压实层干重度最小值γd=20.6KN/m3。测试结果见表4。设计要求填土干重度γd=22.1kN/m3，可见施工回填砂砾土干重度满足设计要求。施工验收规范要求压实系数λc=0.995～1.245，满足施工验收规范要求。
表4 填土层质量检验
此外，现场另选取了10个测点，进行土工试验和标准贯入试验，测出与换土层有关的物理力学指标，平均指标见表5。
表5 填土层质量检验
从表一与表五比较来看，换土持力层的力学性能与原第4层圆砾层非常接近。这样两层土体结合，较好地改善了持力层的受力变形性能，满足了设计需要。
3 结语
该工程自投入使用到现在，使用情况良好，无明显沉降和其他变形。这说明在条件成熟的情况下，采用换土垫层和箱基共同协调工作的方式是解决软土地基承载力不足的有效途径。本工程换土中，采用砂子和砾石，能否加入其他一些材料使地基处理更为经济，更加有效，将仍是需研究的课题。
参考文献：
[1] GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].
[2] JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].
【关键词】 软土地基;换土垫层法;地基处理
1 换土垫层法概述
换填垫层法是将基础下一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖除，然后分层回填并夯实砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高炉矿渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性的材料。换填垫层法可以提高浅层地基承载力、减少沉降量、加速软弱土层的排水固结、防止冻胀、起到消除膨胀土的胀缩作用。
当软弱地基的承载力和变形不能满足建筑物要求且软弱土层的厚度又不是很大时，换填垫层法是一种较为经济、简单的软土地基浅层处理方法。换填垫层法的处理深度常控制在3-5m范围以内。当然，若换填垫层太薄，则其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5m。
2 工程实例
2.1工程概况
某大楼建筑面积6154.3㎡，地上15层，地下1层，总高度为51.5m。地层分为8层：①杂填土，覆盖厚度为1.3m;②黏土层，湿润，平均厚度为2.1m，承载力k=100～200kPa;③粉质湿润黏土，平均厚度为3.95m，承载力为k=80～200kPa;④圆砾层，圆砾成分以矿岩、石英岩为主，粒径为5～25mm，最大粒径达到70mm，其中含有15%的黏土及细砂填充物，平均厚度为3.65m，承载力为k=200～300kPa;⑤粉质黏土，颜色为灰褐色且夹有粉砂、细砂及黏土，且平均厚度在8m左右，承载力k=100～200kPa;⑥圆砾层夹细砂，平均厚度为2.6m，承载力k=200～300kPa;⑦黏土层且夹有少量砾石，平均厚度为7.8m，⑧岩石层，地下水位3.8m。
2.2地基处理方案优化
由于地下水位埋深较高，且在含水层内有3.95m的粉土细砂，岩层较深。如果采用人工挖孔桩，则在开挖过程中，由于初始静力平衡遭到破坏，很可能会出现管涌现象，甚至会造成邻房开裂。如果采用水泥幕墙挡水方式来解决高水位问题，其费用又较高，工期较长，所以人工挖孔桩基不适合该工程。
如果采用混凝土预制桩，则需要穿过平均厚度为3.65m的圆砾层，该圆砾层结构紧密，承载力较高，进桩十分困难，工期可能受到影响;而且预制桩穿过圆砾层后，还需继续进桩18.8m才有可塑性黏土做持力层。该土层k=200kPa，按摩擦桩设计，承载力显示偏低，因此预制桩施工造价偏高，无明显优势。
考虑到本工程箱形基础埋深为了-5.1m，处于③粉质黏土，而第4层为圆砾土，承载力达250～300kPa，因此只要将第4层以上剩余的2.25m粉土换成优化配合比的砂砾土，使其承载力达到200kPa左右，与第4层紧密结合形成4.9m厚的砂砾持力层，这样既增加了持力层的承载力，改善了压缩变形性能，又增加持力层厚度，便于建造地下室，方便施工，是一种较好的基础处理方案。
2.3设计及施工要点
2.3.1换土层垫层设计
为了使换土层与第4层圆砾土层结合形成性质相近的箱基持力层，根据土力学原理，拟设一种砂砾土为换土层，并对砂砾土的组成结构进行研究。砂砾土中的砾石、碎石、粗集料起骨架作用，承受外力产生弹性变形和抗力;粗、细砂和细集料起填充作用，增加土体密实性，减少压缩变形，组成一种新的砂砾土结构，其性质接近第4层圆砾层结构。任何一种土体的力学性能均取决于土体颗粒级配及矿物成分，如在砂土中掺入砾石、碎石，当其含量≤30%时，仅起填充作用;逐渐增加砾石、碎石含量到某一临界值，如60%时，砾石、碎石之间有可能出现彼此接触、相互支承的情况，此时的砾石、碎石开始起骨架作用，使砂土性质产生变化;当其含量达到或超过70%时，骨架作用占主导地位，土体性质就由砾石、碎石的性质及含量决定。人工设计的砂砾土性质，以第4层圆砾土层的力学性能为依据，两者力学指标越接近，相似效果就越好，所构成的箱基持力层受力变形性能越是趋于一致，就能充分利用天然圆砾土层的潜在承载力，减少持力层压缩变形。对第4层圆砾土层组成结构进行试验分析，试验结果见表1。
表1 第4层圆砾土层物理力学指标
为此参照第4层土的组成情况设计了砂砾土的级配方案，见表2。
表2 砂砾土级配
表3 砂砾土击实试验结果
根据表2的级配方案进行压缩试验，分级加载，其压实结果见表3判断颗粒级配好坏的指标是不均匀系数Cu和曲率系数Cc，不均匀系数Cc反映，大、小颗粒级配情况，曲率系数Cc反映大小、小颗粒分布范围。按土工试验规程规定，Cu>5和Cc=1～3时，颗粒级配良好。该工程采用第⑥组级配方案施工，经计算得Cu=13.46，Cc=1.72，可见级配方案⑥的级配在规程规定的良好组配范围内。
2.3.2换土垫层施工
按建筑地基基础设计规范进行换土垫层的设计及施工。
1） 按设计要求将箱基底板以下至圆砾土层顶面以上的粉质黏土层全部挖除，换填为符合级配方案要求及经人工拌匀的砂砾土垫层，分层回填，分层振动碾压密实。
2）基坑开挖前，采用井点降水法，设两个砖砌沉井，将地下水位由地表以下3.8m降低至开挖坑底以下0.5m，即地表以下7.85m。基坑开挖时避免扰动圆砾土层原状土结构，基坑周边按1：1.5放坡，基坑开挖完毕后立即进行填土施工。
3）采用质地坚硬的砾石、碎石和中粗砂作为回填土料，砾石、碎石粒径不得大于50mm，砂中不得含有有机物杂质，含泥量及可溶性盐不得超过3%。
4）分层铺土、分层碾压、分层检测，合格后方可进行新一层填土施工。基坑开挖至验槽后先行找平，对找平层和回填土的边端部位用8～12t光轮静碾压路机碾压，振实力300KN，铺土厚度250mm。对大面积铺土碾压，采用Qz100-50振动碾，振实力500KN，每层铺土厚度为500mm，共4层，平均厚度2.0m，填土面积700㎡，8d完成施工任务。每层碾压均按单向行车碾压，严禁漏压，碾压时每次重叠3/4个碾辊，碾压遍数3-6遍，一般碾压3遍已能满足要求。每层碾压结束，即进行压实检验及重度检测，符合规定后则可进行新一层填土施工。
2.3.3填土质量检验
对第2、3、4层换填土和回填土，选9个测试点，现场没定砂砾土压实层干重度最小值γd=20.6KN/m3。测试结果见表4。设计要求填土干重度γd=22.1kN/m3，可见施工回填砂砾土干重度满足设计要求。施工验收规范要求压实系数λc=0.995～1.245，满足施工验收规范要求。
表4 填土层质量检验
此外，现场另选取了10个测点，进行土工试验和标准贯入试验，测出与换土层有关的物理力学指标，平均指标见表5。
表5 填土层质量检验
从表一与表五比较来看，换土持力层的力学性能与原第4层圆砾层非常接近。这样两层土体结合，较好地改善了持力层的受力变形性能，满足了设计需要。
3 结语
该工程自投入使用到现在，使用情况良好，无明显沉降和其他变形。这说明在条件成熟的情况下，采用换土垫层和箱基共同协调工作的方式是解决软土地基承载力不足的有效途径。本工程换土中，采用砂子和砾石，能否加入其他一些材料使地基处理更为经济，更加有效，将仍是需研究的课题。
参考文献：
[1] GB50007-2011，建筑地基基础设计规范[S].
[2] JGJ94-2008，建筑桩基技术规范[S].