换填法地基加固施工技术在建筑工程中的应用

2023-02-05兰州博文科技学院甘肃兰州730100

砖瓦 2023年1期

鲍娇（兰州博文科技学院，甘肃兰州 730100）

建筑地基的施工技术多样化，通常以现场土质条件为参考进行选择。例如，现场土质完整、结实时，可考虑天然地基的施工方法；现场以含水量偏高的土壤为主或土质呈松散状时，稳定性不足，采取地基加固措施，进而开展建筑工程的其他建设工作。在现阶段的建筑地基加固施工技术中，换填法颇具代表性，具有促进排水、提高密度等作用，加强对换填法的研究具有必要性。

1 工程概况

某房屋建筑工程，条形基础，基础埋深2.4m，6层砖混结构，建筑面积2110m2。地质勘查结果显示，现场地质以耕土、杂填土、素填土、粉质黏土、粉土、中砂及卵石层为主（按自上而下的顺序），天然地基承载力不足，不宜作为持力层。为保证基础的稳定性，拟采用换填法处理建筑地基，持力层采用级配砂夹卵石碾压后的结构层。地基经过换填处理后承载力特征值fak≥200kPa。

2 地基处理中换填法所需的材料

（1）砂石。质地坚硬、级配良好的粗砂、中砂、卵石等，含泥量不超过5%，不夹杂垃圾、植物质残体等不利于填土稳定性的杂物。地基换填施工采用粉细砂时，按照25%～30%的比例掺入最大粒径不超过50mm的碎石或卵石。砂石或其他渗水材料在湿陷性黄土地基的换填处理中缺乏可行性。

（2）素土。无冻土或膨胀土，有机质含量不大于5%。禁止素土中含有粒径超50mm 的碎石，若现场为湿陷性黄土地基，除了保证碎石粒径的合理性外，还需避免素土中含有渗水材料。

（3）灰土。新鲜的消石灰，粒径不超过5mm，根据3∶7或2∶8的体积比取用灰土。

（4）粉煤灰。优先采用调湿或干排的低钙灰，检测并控制粉煤灰的含水量，装运时将含水量稳定在15%～25%较为合适。

（5）干渣。原状干渣、分级干渣、混合干渣是地基换填施工中常见的干渣材料，根据地基施工条件合理选择。大面积垫层施工时，原状干渣或混合干渣具有可行性；对于小面积垫层，采用0～60mm 的混合干渣或分级干渣（8mm～40mm、40mm～60mm）。

3 地基加固中的换填法施工设计

浅层软土和不均匀地基缺乏稳定性时，可用换填法处理，基本原理是确定承载性能不足的软土，用优质的土石料换填，经打夯加密或碾压振动后形成稳固的地基。换填法又称为垫层法，换填所用垫层的厚度普遍在3cm 以内，若垫层偏厚，将加大工程量，提高换填施工成本。垫层范围较小，夯击采用震动器或小型打夯机进行，规避大型机械夯实经济效益偏低的问题。遇较厚垫层时，根据总厚度分为多层有序施工。换填法施工原理图如图1所示。

图1 换填法施工原理图

换填法施工中，首先清理基础底面设计标高下方的软土，分层换填、夯实砂砾料，建成结构完整、受力稳定可靠的砂砾垫层，以满足上方建筑对基础提出的承载力要求。同时，垫层可将基底压力传递至下方，由较大范围的软土层承受外力作用，优化受力条件，避免局部受力集中。软土层在砂砾垫层下时可作为下卧层，在增加埋深的条件下，承载力随之提升，相比软土的许可承载力极限值，实际所受的压力更小，受力稳定。利用砂砾施工的垫层无明显压缩，有助于减小基础沉降。砂砾垫层排水效率高，可加快软土固结。

（1）垫层厚度

根据下卧土层的承载力或置换软弱土的深度而定，需具备如下关系：

式中pz为垫层底面的附加压力设计值；pcz、fz分别为垫层底面土的自重压力标准值、地基承载力设计值。

按如下公式计算，确定pz的值。

条形基础：

矩形基础：

式中b为基础底宽；p为基础底面压力设计值；pc为基础底面土的自重压力标准值；z为垫层厚度；θ为垫层的压力扩散角；I为矩形基础底面的长度。地基换填加固的可选材料丰富，各自的指标控制要求不同，具体如表1所示。

表1 换填材料选值

需注意的是，垫层厚度以0.5m～3m为宜，具体根据工程条件和地基换填加固要求在此区间内合理取值；z/b＜0.25时，θ=0；z/b值介于0.25～0.5时，可内插。

根据基础底面应力扩散要求控制垫层底面的宽度（b'），计算方法如下：

垫层顶部边缘属于薄弱部位，要求每边超出基础底边至少300mm，对此部分充分夯实后可提高密实性；或从垫层底面两侧向上有序施工，应适当放坡，维持基坑边坡的稳定性。

（2）垫层承载力

在现场组织荷载试验，根据试验结果确定适宜的垫层承载力控制值。

（3）变形计算

垫层下存在软弱下卧层，需安排地基变形计算。对于重要的建筑物，除了做好该项工作外，还需验算垫层及下方软土的压缩量，常见计算方法为附加应力法或分层总和法。砂垫层施工材料的选取遵循就近取材的原则，应用效果较好的有中砂、粗砂或砾砂，质地坚硬、级配良好，含泥量不超过3%，必要时向砂垫层掺入适量卵石或碎石。垫层施工分层进行，每层厚度控制在20cm～30cm，逐层填筑、压实，压实过程中适当洒水，从而提高垫层填筑材料的密实度。压实方法包含夯实法、碾压法、插振法、平振法等。

4 换填施工工艺分析

4.1 施工工艺流程

施工准备（例如选取质量达标的砂卵石）→分层填筑→洒水→压实→找平→质量检验。

4.2 施工要点

回填材料采用砂和卵石，用量各占一半；级配砂石保持干净，不存在树叶、草根及其他杂物；砂以中粗砂为宜，级配良好，质地坚硬。

在施工现场设置标高桩或水平标准木桩，作为铺筑厚度控制的参照基准，也可在槽坑边坡测放水平标高线。基坑底面地下水位较高时，降低地下水或采取降排水措施，使基坑保持无水状态。垫层铺设前安排基坑的检验，清理坑底的淤泥、浮土等不利于施工的物质，两侧形成适宜的坡度，以便维持坑壁的稳定性。垫层底面标高不一致时，采取斜坡搭接的方法，或将土面开挖成阶梯状，加强对搭接部位的夯实，提高密实性。在分层铺筑的施工方式下，接头阶梯形搭接，或设置斜坡，相邻两层错开0.5m～1.0m。

垫层铺设时加强防护，避免侧壁的软弱土层或垫层下卧层受到扰动。垫层分层施工，逐层铺设、夯实，为控制每层的铺设厚度，在基坑内预先设置5m×5m 的网格标桩，作为铺设厚度控制时的参照基准。垫层铺设现场为饱和的软弱地基或地下水位较高时，对基坑内部及外侧四周排水，以免砂在水的侵蚀下流失；也可降低地下水位，直至稳定在基坑底500mm 以下的位置为止。级配砂石的含水量是影响振动碾压效果的关键因素，在碾压前检测含水量，根据检测结果灵活调控，直至含水量稳定在8%～12%为止。

在本工程的地基换填施工中，填筑、碾压采用分层的方法，换填厚度每达到200mm 时组织一次夯实。换填宽度为基础外边500mm，使边缘部分在经过夯实后也具有稳定性，夯实系数超过0.97。机械施工方式的效率较高，但可能破坏基坑周边土体的稳定性，因此，机械设备操作人员严格听从指挥，规范操作。压实进入最后一层时，表面拉线找平，严格控制标高。逐层采取质量控制措施，各层的厚度和压实度均要满足要求，否则不可进行后一层的施工。

4.3 现场防护

砂卵石回填时加强对标准高程桩和轴线桩的防护，避免失稳、位移、受损，施工期间定期复测，及时纠正偏差；地基换填施工需具有全面性，不遗漏任何一处；边坡在施工全程均要维持稳定；由于工期紧张而在夜间施工时，加强现场安全管理，为施工现场配备足量的照明设施；级配砂石垫层施工完成后，根据工程施工计划尽快组织上部的施工，若中途间歇，需定期、定量洒水润湿。

4.4 地基换填常见质量问题及预防措施

（1）大面积下沉：关键原因在于分层填筑厚度过大、局部碾压不充分、碾压过程中洒水工作未落实到位。严格依据规范进行施工，控制分层填筑厚度、碾压遍数等关键参数。

（2）局部下沉：转角和边缘部位未得到充分振捣，留接槎的区域由于搭接不合理或振捣不到位而松散。施工人员需认识到边角部位的薄弱性，加强振捣。

（3）级配不良：由专员管控材料的质量，发现砂窝、石堆等问题后随即处理。

（4）密实度不达标：遵循分层施工的原则，逐层检查密实度，在保证本层施工质量无误后方可安排后一层的施工，以此类推。同时，各层的干砂质量密度需得到控制。

（5）砂石地基分布在地下水位以下的区域时，要求最底层厚度较之于其他层增加50mm。

（6）砂石垫层厚度不少于100mm。

4.5 质量检验

逐层进行质量检验，主要采用灌入法和环刀法。全面分析挖掘强度和施工技术参数，判断是否满足工程要求。换填前，规划施工范围，清理现场杂物，安排场地平整处理；在场地周边施作排水沟，加快排水；根据设计图纸要求测量放样，加强复核。起重机就位，调整挖锤的姿态，使其对准挖点，精准开挖。施工现场缺乏平整性或存在其他问题时，尽快处理。挖锤重和落距均要合理，以保证顺利施工。及时检查煤机的挖沉量和换填次数，根据此类参数判断施工质量。各参与人员均保持客观的态度，不隐瞒质量问题。

5 地基换填加固处理质量控制

5.1 注浆法的应用

向待加固的地基注浆，随着浆液的固结，提高地基的稳固性。浆液需在特定的压力下推送到结构裂缝中，填充裂缝并将原本相对分散的部分联结成完整的整体。对于地基施工中存在的结构裂缝、雨水渗透问题，均可采用注浆法进行处理。为保证注浆效果，严格检验浆液的质量，深入优化注浆量、注浆速度等关键参数，以科学的方法在指定位置注浆。若地基过深，联合应用碱液、硅化等多种技术处理，防止地基出现倾斜、沉降等异常状况。