田恒星 王锋杰 刘昊轩

(化学工业岩土工程有限公司，江苏南京 210044)

随着各类建筑物的大力修建，通常会遇到越来越多的软土地基，这类软土地基或不良地基往往对工程的建设带来极大的危害，而对软土地基进行处理，往往是一个工程项目首先要解决的问题。换填法就是地基处理中的一种常用的方法，该方法具有经济、有效的优点，我们选择换填法时，考虑的主要是软土地基的承载力以及其变形的大小能否满足建筑物设计的承载力和变形值，如果无法满足设计要求，且软土地基或不良地基的厚度较小时，就可以选择使用换填法将软弱地基土体进行部分或全部置换，将承载力及强度较大的碎石、砂、粉煤灰等材料替换原有软弱土体，并对其进行夯实、振密，最终达到地基设计强度及承载力的要求。

1 换填法的适用性

JGJ 79-2012建筑地基处理技术规范中规定［1］:换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗塘等的浅层处理，其适用范围如表1所示［2］。

2 换填压实原理

事实上，在对软弱地基进行处理时，换填是方法，压实是手段，如果压实这一步没有做好，那换填的效果基本上就大打折扣。土体的压实程度是与土体的物理力学特性紧密相关的，比如土体的颗粒组成，含水量等等。其中，土体的含水量对压实效果影响最为明显，土体的压实原理可以描述为:对于含水量大的土体，进行压实过程中会出现“橡皮土”现象［3］，土体结构内部的结合水膜随着含水量的增大而变厚，导致土体颗粒之间的引力降低，能够在同样的压实能的条件下，土体趋于密实，产生较好的压实效果。但含水量继续增加，超过临界含水量后，或者说超过最优含水量后，结合水膜持续变厚，土体变软，土体孔隙中充填了自由水。自由水的存在，直接阻止了压实作用下土体颗粒之间的运动，使得压实效果较差，也就是前面所说的“橡皮土”现象。反过来，当土体中的含水量很低时，土体颗粒间十分干燥，土颗粒间的结合水膜很薄，土颗粒之间的引力很大，该引力直接吸收了部分压实过程中作用在土体上的压实能，导致压实效果降低。因此需要一个临界含水量，也即工程中所说的最优含水量，才能得到较好的压实效果。在对软土地基进行换填处理的过程中，确定压实效果的标准就是对垫层进行室内击实试验，在击实试验的基础上，以获取垫层土的最大干密度ρdmax，用最大干密度来评价压实效果。由于不同的土体其含水量不同，对其进行室内击实试验时，会得到不同的最大干密度，这就能够根据不同的含水量所一一对应的干密度进行曲线绘制。在干密度ρd与含水量ω的关系曲线上，每一类土体都会有相应的干密度峰值，此处的干密度是最大的，称之为最大干密度ρdmax，这个最大干密度所对应的含水量，即我们进行换填处理时的最优含水量。峰值结果说明，当换填土体的含水量为最优含水量时，土体能够被击实到最大的干密度，也即达到最好的压实效果。因此，土体的最大干密度和最优含水量，是换填压实处理过程中最为重要的两个指标［4］。粗砂、粉质粘土及粘土的ρd—ω关系曲线绘制如图1所示，图中Sr为ρd—ω关系理论曲线，理论曲线通常情况下会在实际曲线之上，因为理论曲线是基于土颗粒中的空气被排出的假定之上的，但实际中的土体内部的空气是不可能全部被排出的，因此理论的干密度会比实际的大。

表1 换填法(垫层)的适用范围

上述分析是对某一特定压实功能而言的，如果改变压实功能，则曲线的基本形态不变，但曲线位置却发生移动，如图2所示，在加大压实功能时，最大干密度增大，最优含水量却减小。亦即压实功能越大，则越容易克服粒间引力，因此在较大含水量下可达更大的密实程度。

图1 砂土和粘土的压实曲线

图2 土工试验与室内击实试验的比较

3 工程应用

3.1 工程概况

香溪河电厂主厂房为钢筋混凝土框架、排架结构，边柱基础采用条形基础，中柱两框架柱基础采用肋形整版基础。锅炉基础采用横向条形基础。基础埋置深度－2.5 m，混凝土强度等级C15。电厂一期工程装机容量为2×1 500 kW，二期工程为600 kW。厂址位于香溪河河漫滩地，自然标高126 m，地形平坦。东部及南部为山丘，土层为冲击砂土和卵石、坡积粉质粘土(含大块碎石)和侏罗系下统香溪群砂岩。纵、横向岩相变化大，物理力学性质相似。粉、细砂和粉质粘土层厚7 m～13 m。坡积层出露于东部坡脚，向西延伸，侏罗系下统香溪群砂岩岩石较为完整。土层的物理力学指标见表2。

表2 土层物理力学指标

建筑群平面布置与地质剖面图如图3所示。

图3 建筑总平面图

3.2 换填垫层设计

根据抗洪防洪需要，厂区设计地面标高定为132.8 m，用砂卵石回填，并作为基础持力层。设计条件和荷载为:回填砂卵石地基承载力设计值f=150 kPa，回填土重度取γ=20 kN/m3。

地基基础沉降计算:变形计算公式采用《厂房填土地基设计施工暂行规程》，其计算公式为:

其中，Δ1为填土的变形值;Δ2为填土下面的天然土层的变形值。

根据规程要求:Δ1≤8 cm，Δ2≤20 cm。计算结果显示除 B，C列柱的Δ2未能满足要求外，其余均可满足要求。考虑到砂性土沉降稳定快的特点，在上部结构施工完工前，绝大部分沉降已经完成。因此，使用阶段不会出现较大的沉降和沉降差。

3.3 换填垫层施工

填料用河漫滩砂卵石，卵石粒径20 mm～40 mm，强度等级大于MU20，缝隙间用砂填充。施工前先用8 t混凝土滚子碾压2遍，然后分2次铺砂，每次铺15 cm，采用中粗砂或粗砂，分层浇水，浇至不再下沉为止。再用混凝土滚子，每层碾压4遍。然后分层铺设砂卵石，每层厚20 cm。基础混凝土强度达到70%后，再继续往上铺填碾压至室外地面标高。

3.4 质量检验

分层铺填时，由质检人员检查填料的质量、粒径、级配、铺填厚度、碾压遍数及填土干密度，干密度要求不小于20 kN/m3。每填2层抽查3处，检测采用埋盒法。

根据最终的土层沉降观测点的实测沉降曲线可知，厂房上部结构施工前已经完成大部分沉降，上部结构完成后半年的沉降已经基本稳定，反映了本次换填压实处理效果较为理想。

4 结语

通过实际工程，验证了本文换填处理软土地基方法的效果，该换填压实法显著提高了香溪河电厂厂房软土地基的强度与承载力，保证了地基的稳定性，具备较高经济效应，能够为同类工程提供一定的指导作用。

［1］JGJ 79-2012，建筑地基处理技术规范［S］.

［2］林宗元.岩土工程治理手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2005.

［3］陈一平，张季超.地基处理新技术与工程实践［M］.北京:科学出版社，2010.

［4］王 哲，李 侠.换填法处理软弱地基在施工中应注意的问题［J］.山西建筑，2009，35(17):76-77.