裴成嬌

（重慶何方城市規(guī)劃設計有限公司武夷山分公司，福建 武夷山 354300）

換填法是將軟弱土和飽水土部分清除或挖掉，換填成性能較好的材料作為建筑物基礎墊層的一種淺基礎處理方法。建筑材料耗用成本低，可以就地取材，施工簡單宜于操作。同其它地基處理方法相比，所用施工機械較為普通，不需專門投資配備。質(zhì)量方面，由于施工操作簡單，易保證質(zhì)量，再加上施工工期短，管理費用也較低。

1 墊層作用

1.1 提高地基的承栽力

淺基礎的地基承載力與基礎下土層的抗剪強度有關(guān)，如果抗剪強度較高的砂或其它填筑材料代替較軟弱的土，可提高地基的承載力，避免地基破環(huán)。

1.2 減少沉降量

一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例較大，在相鄰基礎寬度范圍內(nèi)的沉降量約占總沉降量的50%，如果以較密實的墊層材料代替較軟弱的土層，就可以減少這部分的沉降量。

1.3 加速軟弱土層的排水固結(jié)

砂或砂石等墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎下面的空隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結(jié)從而提高其強度，避免地基土塑性破壞。

2 墊層底面下臥層承載力設計值的修正問題

現(xiàn)行《建筑地基基礎設計規(guī)范》(GB50007-2002)中墊層底面下臥層的承載力特征值按下式修正：

式中：faz-修正后的下臥層承載力特征/kPa；

fak-下臥層承載力特征~/kPa；

ηd-承載力深度修正系數(shù)；

γ0-下臥層頂面以上各層土的平均重度/kN·m-3；

d-基礎埋 m；

z-墊層厚度/m。

該公式僅適用于下臥層為堅硬的粘性土或密實的砂性土等承載力較高、壓縮性較低的土層。如果下臥層為較軟土層且厚度較大，換填處理時又不能全部挖出，即墊層下臥層仍為較弱土。對于一般軟弱土地基，其受力時的破壞模式一般為沖切破壞。較弱土發(fā)生沖切破壞時，基礎底面下的土產(chǎn)生明顯的下陷而不向周圍擠出，基礎周圍土體所受的超載荷幾乎起不到抑制基底范圍以內(nèi)地基土下陷的作用。由于壓縮模量隨深度的變化因素，軟弱下臥層的承載力亦會隨著埋藏深度的增加而略有增長，但增長幅度遠小于堅硬的下臥層。同時，如果該類地基排水不良，土中水在重力作用下向下轉(zhuǎn)移聚集，導致軟弱土的深度越深含水量越大，強度越低。所以，對墊層下的軟弱下臥層，按(1)式修正得到的承載力設計值顯然高于實際承載力值，這樣會使墊層設計不安全。舉一簡單的算例：一基礎埋深為2m，砂墊層厚度為3m，墊層和回填土的平均重度為18kN·m-3，下臥層為飽和淤泥質(zhì)土，承載力特征值僅為70kPa。取ηd=1.0，按（1）式算得修正后下臥層承載力特征值為151kPa，比修正前承載力特征值提高了一倍多。當建筑物使用若干年后，軟弱下臥層在經(jīng)歷了長期荷載作用后才能逐漸固結(jié)，而其承載力也只能隨之慢慢增長。

3 σz的計算誤差和對墊層厚度及深度設計值的影響

我們在進行建筑設計時，對其墊層底面即下臥層頂面處的附加應力通常按力的擴散理論簡化計算(圖 1)。

如圖所示，以矩形基礎為例，下臥層頂面處的附加應力計算公式為：

式中：σz-下臥層頂面處附加應力/kPa；

P0-基底附加應力/kPa；

L、b-基礎底面的長、寬；

θ-砂墊層中的應力擴散角(度)。

一般來說，基礎墊層相對較密實堅硬，而下臥層較軟弱，地基土在計算范圍內(nèi)為上硬下軟的雙層地基時，在下臥層頂面處會發(fā)生應力擴散現(xiàn)象，也就是說，該面上的應力同均質(zhì)土按彈性理論計算的結(jié)果比較，應力峰值較小而分布范圍更大。

按(2)式計算時，實際是假設應力σz在面積為(1+2Ztanθ)(6+2Ztanθ)的矩形范圍內(nèi)均勻分布。顯然，這種簡化的結(jié)果一方面使σz在基礎中心(包括一小范圍)下偏小，而其余各點下偏大；另一方面，由于將附加應力分布范圍由趨于無限大縮小至有限的矩形范圍，故導致 的分布面積偏小，而平均值偏大。

墊層厚度Z的確定原則是要保證軟弱下臥層土體不被剪切破壞，一般是按下式由試算法確定的：

由于σz的設計誤差，導致墊層的設計厚度Z在基礎周邊不偏大，但在基底中心點下則是偏薄，也不安全。

4 荷載的偏心問題

式(2)適用于基底附加應力分布即基礎承受中心荷載作用的情況。當基礎所受荷載為偏心荷載時，處理方法是墊層底面處的附加應力仍按式(2)計算，但式中的P0取偏心荷載作用下的平均基底附加壓力。當基礎頂面荷載的偏心距較小時，這種簡化顯然是不安全的。在這種情況下，若要考慮偏心荷載的影響，參照天然地基上淺基礎的設計方法，建議將下臥層承載力設計值進行適當?shù)慕档?，即?2)式中的fz乘以折減系數(shù)ζ。當荷載偏心距e0≤1/6時，可取0.6≤ζ≤1。

5 地基不均勻沉降問題

《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-91)提出的墊層設計原則只考慮了下臥層的承載力因素，而忽略了地基的變形因素。事實上，無論墊層還是下臥層的變形問題都是比較突出的。

5.1 下臥層的排水固結(jié)

由于軟弱土的性質(zhì)，分布的不均勻性和荷載的偏心影響，軟弱土體的固結(jié)亦存在不均勻性，采用換填進行局部處理后，當下臥層頂面承受換填材料產(chǎn)生的自重應力大于原天然土層的自重應力時，下臥層會產(chǎn)生沉降和不均勻沉降。通常，墊層的壓縮變形在施工期間已完成，而軟弱下臥層的沉降則需較長時間。如果這種不均勻固結(jié)是在建筑物使用階段才完成，則對基礎以至建筑物穩(wěn)定性的危害是較大的。許多工程實例都證明了這一點。因此，對含水量大或飽和的軟弱土地基進行砂、石墊層處理時，宜同時采取一些有效措施(如預壓法等)。使軟弱土在基礎施工之前或施工期間就達到較高的固結(jié)度，從而減輕后期的沉降和不均勻沉降。

5.2 墊層的側(cè)向膨脹和擠出

由于墊層的剖面形狀為倒梯形，而四周為軟弱土，在自重應力和附加應力的共同作用下，墊層易發(fā)生側(cè)向膨脹，擠向側(cè)面軟弱土中，從而加大墊層本身的側(cè)向變形量。墊層材料與周圍土體的剛度比越大，側(cè)向擠出越嚴重。當墊層的設計寬度偏小時，其側(cè)向膨脹擠出更為明顯。墊層的側(cè)向膨脹和擠出不僅降低墊層的承載力，而且直接加大了基礎的沉降量。墊層的側(cè)向擠出產(chǎn)生的沉降也是不均勻的。

6 結(jié)束語

6.1 對墊層下的軟弱下臥層，按規(guī)范規(guī)定的方法修正，得到的承載力設計值是偏高的，會使墊層厚度設計不太安全。建議不修正或只作少量修正。

6.2 下臥層頂面 按應力擴散簡化理論計算，在數(shù)值和分布范圍上都有較大誤差，致使墊層的厚度設計存在明顯誤差，使墊層的寬度設計值偏小。

6.3 當基礎受偏心荷載作用時，仍將墊層底面處附加應力簡化為均勻分布的計算方法，無論從地基承載力角度還是從變形角度看都不安全。建議根據(jù)荷載偏心的程度對下臥層承載力設計值進行適當折減。

6.4 地基土在性質(zhì)、變形等方面的不均勻性以及荷載偏心、墊層側(cè)向擠出等因素，都可能引起地基的不均勻沉降，從而影響基礎和建筑物的穩(wěn)定性。

[1]GBS0007-2002.建筑地基基礎設計規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2002.