公路建设地基处理中换填垫层法的探析
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摘要:公路建设中不可避免的会遇到淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等地段,本文介绍用换填法对以上特殊地段的处理方法。
1、基本理论
当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求,而软弱土层的厚度又不是很大时,将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去,然后分层换填强度较大的砂(碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰)或其它性能稳定、无侵蚀性的材料,并压(夯、振)实至要求的密实度为止,这种地基处理方法称为换填法,它多用于公路构筑物的地基处理。换填法的加固原理是据土中附加应力分布规律,让垫层承受上部较大的应力,软弱层承担较小的应力,以满足设计对地基的要求。
2、垫层的作用
垫层的作用有下列几个方面:
2.1 提高持力层的承载力
通过扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小。
2.2 减少沉降量
一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例,在相当于基础宽度深度范围内的沉降量约占总沉降量的50％左右,如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层,就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用,使作用在下卧层土的压力较小,这样也会相应减少下卧层土的沉降量。
2.3 加速软弱土层的排水固结
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基础两侧排出,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塑性破坏的危险。
2.4 防止冻胀
因为粗颗粒的垫层材料孔隙大,不易产生毛细现象,因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀。这时,砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。
2.5 消除膨胀土的胀缩作用
在各类工程中,垫层所起的主要作用有时也是不同的,对膨胀土地基而言主要是消除膨胀土的脓缩作用。
换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层处理。通常基坑开挖后,利用分层回填压实,也可处理较深的软弱土层,但经常由于地下水位高而需要采取降水措施,坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护,以及施工土方量大、弃土多等因素．从而使处理费用增高、工期拖长,因此换填法的处理深度通常宜控制在3m以内。但也不宜小于0.5m,因为垫层太薄时,换土垫层的作用也不显著。
3、垫层设计
3.1 垫层厚度的确定
垫层厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定,并符合下式要求:
式中:――相应于荷载效应标准组合时,垫层底面处的附加压力值(kPa)
――垫层底面处土的自重压力值(kPa),
――垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值(kPa)。
垫层厚度不宜小于0.5m,也不宜大于3m。
垫层底面处的附加压力值可按压力扩散角分别按以下两式进行简化计算;
对于条形基础
对于矩形基础
式中:b――矩形基础或条形基础底面的宽度(m);
l ――矩形基础底面的长度(m);
――相应于荷载效应标准组合时,基础底面处的平均压力值(kPa)
――基础底面处土的自重压力值(kPa);
z――基础底面下垫层的厚度(m);
――垫层的压力扩散角,宜通过试验确定。
3.2 垫层宽度的确定
垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求,可按下式确定:
式中:――垫层底面宽度(m);
――压力扩散角。
垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300 mm,或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡确定垫层顶面宽度,整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
3.3 垫层材料的选用
3.3.1 砂石
砂石垫层材料宜选用碎石、卵石、角砾、回砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2mm的部分不应超过总重的45％),应级配良好,不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂时,应掺入不少于总重30％的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm,并通过试验确定虚铺厚度、振捣遍数、振捣器功率等技术参数。对湿陷性黄土地基,不得选用砂石等透水材料。开挖基坑时应避免坑底土层扰动,可保留200mm厚土层暂不挖去,持铺砂前再挖至设计标高,如有浮土必须清除。当坑底为饱和软土时,必须在与土面接触处铺一层细砂起反滤作用,其厚度不计入砂石垫层设计厚度内。
砂心垫层施工一般可采用振动碾或振动压实机等压密,其压实效果、分层铺填厚度、压实遍数、最优含水量等应根据具体施工方法及施工机具通过现场试验确定,也可根据施工方法的不同控制最优含水量。采用平板振动器时,最优含水量为15％～20％;采用平碾及蛙式夯时,最优含水量为8％～12％;用插入式振动器时,宜为饱和的碎石、卵石或矿渣充分洒水湿透后机械压实。
3.3.2 粉质粘土
土料中有机质含量不得超过5％,亦不得含有冻土或膨胀土,不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料。当含有碎石时,粒径不宜大于50 mm。
3.3.3 灰土
灰土的体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质粘土,不宜使用块状钻土和砂质粉土,不得含有松软杂质,并应过筛,其颗粒粒径不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰,其颗粒粒径不得大于5mm。
3.3.4 粉煤灰
可用于道路、堆场和小型建筑物、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.3-0.5m。粉煤灰垫层中采用掺合剂时,应通过试验确定其性能及适用条件。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采用适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。
4、结语
不同材料的垫层,其应力分布稍有差异,但从试验结果分析其极限承载力还是比较接近的。通过沉降观测资料发现,不同材料垫层的特点基本相似,故可以近似地按砂垫层的计算方法进行计算。