采用砂垫层作人工地基可提高地基土的承载力, 并通过砂垫层减小软弱土层所承受的压力, 减少基础沉降。砂垫层透水性良好, 可通过它排出软土中的部分水分, 从而加速软土固结。
1 换砂垫层地基的设计
砂垫层的设计主要是确定垫层的厚度和宽度。
(1) 砂垫层的厚度。砂垫层的厚度是根据下卧软弱土层顶面处的承载力而确定的。设计时, 根据作用于软弱土层面处土的自重压力P c z与附加压力Pz之和不大于软弱土层的地基承载力fz计算公式是:
式中:fz为垫层底面处修正后的软土地基承载力 (KN/m2) ;
Pcz为垫层底面处土的自重压力 (KN/m2) ;
Pz为垫层底面处的附加压力 (KN/m2) 。
砂垫层的厚度不宜大于3m。
下面分别说明公式中各项的具体计算方法:
(1) fz项:对淤泥和淤泥质土:
式中:fk为地基承载力特征值, 可从有关表中查得;
ηb、ηd为基础宽度和埋深的地基承载力修正系数, 对淤泥和淤泥质土, ηb=0, ηd=1.0;
r、rm为基础底面以下土的重度和垫层底面以上土的加权平均重度, 地下水位以下取浮重度;
b为基础底边宽度 (m) , 当基宽小于3m时按3m考虑, 大于6m时按6m考虑。
d为垫层底面处的深度 (m) :
式中Pc为基础底面处土的自重压力, 可近似地取Pc=20D (KN/m2) , 其中20为基础底面以上填土的平均重度 (KN/m3) , D为填土高度 (m) ;
rs为砂土的重度, 可近似地取rs=16.5 K N/m 3;
z为砂土的厚度 (m) 。
(3) Pz项:按图1的应力扩散图形计算, 对条形基础为
对矩形基础为
式中l、b为分别为基础的长度和宽度 (m) ;
z为砂土厚度 (m)
p为基底压力 (kN/m2)
pc为同上;
θ为砂垫层压力扩散角, 当垫层为碎石、粗砂或中砂且z/b≥0.5时, θ=30°。
砂垫层的厚度z根据上面所列的公式, 用试算法求得。计算时先假定z值, 用 (1) 式进行试算, 当某一z值刚好满足该式时, 则z值即为砂垫层的应有高度。
砂垫层的厚度最好在1.0 m~2.0 m, 据有关试验资料, 当下卧软弱土层承载力在60~80kN/m2时, 压缩模量Es=0.3kN/cm2左右, 换砂厚度为0.5~1.0倍基础宽度时, 砂垫层地基的承载力为1 0 0kN~2 0 0kN/m2, 为天然地基的1.5~2.5倍。
(2) 砂垫层的宽度。砂垫层的宽度由基础底面边缘向下作扩散角θ求得:
式中b1为条形基础砂垫层底面宽度;
L、B为矩形基础砂垫层底面的长度和宽度。
整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm, 或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡。
2 换砂垫层地基设计实例
某条形基础底宽b=1.5 m, 地基深D=1 m, 每米承受上部结构传来的荷载N=200KN, 基底为淤泥质土, r=15kN/m3, 其承载力fk=100kN/m2, 求砂垫层厚度z及底宽b1。
解: (1) 计算基础底面压力p<0
(2) 计算垫层底面处修正后的软土地基承载力fz。
设砂垫层的厚度z=1.3m, 对于淤泥质土查《规范》得ηd=1.0, 已知fk=100kN/m2, rm=15kN/m3, d=1.0+1.3=2.3m, 将有关数据代入公式 (2) 得
(3) 计算垫层底面处的自重压力Pcz:基础底面处土的自重压力pc为:
(4) 计算垫层底面处的附加压力Pz:
(5) 验算砂垫层厚度:
3 换砂垫层地基的施工
(1) 材料选用。垫层的填料必须具有良好的压实性。以中、粗砂、级配砂石、卵石和碎石 (石子粒径小于50mm) 为好, 砂石的含泥量不宜超过3%, 含粉砂不宜大于25%。 (2) 压实方法。砂垫层常采用振动法 (平振法和插振法) 、水撼法和碾压法进行捣实。施工时要分层夯实, 一般每铺150mm~250mm为一层。每层夯实后的密度应达到中密度标准, 干容重不小于16kN/m3。实践证明, 砂料在干燥和浸水时均不易夯实, 当接近饱和状态时夯实效果较好。夯实施工时, 严禁扰动垫层下卧层的淤泥或淤泥质土层, 防止其被践踏、受冻或浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置150mm~300mm厚的砂垫层, 以防止淤泥或淤泥质土层表面的局部破坏。垫层的底面宜设在同一标高上。如深度不同, 基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接, 并按先深后浅的顺序进行垫层施工, 搭接处应夯压密实。当垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均匀的部位时, 应根据建筑物对不均匀沉降的要求进行处理, 并经检验合格后, 方可铺垫层。垫层施工完毕后, 应及时进行基础施工与基坑回填, 回填土应分层夯实。
摘要：换砂垫层法由于其施工简便、经济效益好, 是处理低层房屋软弱地基的一种常用方法。本文介绍其设计和施工的一些基本知识, 供从事这方面工作的技术人员参考。
关键词：换砂垫层法,软弱地基,砂垫层厚度,宽度,施工
参考文献
[1] 中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范 (JGJ79-91) [M].中国计划出版社, 2000.9.
[2] 唐业清.简明地基基础设计施工手册[M].中国建筑工业出版社, 2003.11.