1、前言
在進行水工建筑物的基礎(chǔ)設計時，時常會碰到軟弱地基問題。下面就根據(jù)自己的一些工作實踐經(jīng)驗，淺談一下軟弱地基如何處理和換土墊層法在惠州市某泵站機房基礎(chǔ)設計中的應用情況。
2、軟弱地基的處理方法
直接利用軟弱土層作為建筑物地基時，一般應按以下要求進行設計：
軟弱土層為淤泥和淤泥質(zhì)土時，應充分利用其上覆較好土層作為持力層；
若軟弱土層為沖填土、建筑余泥和性能穩(wěn)定的工業(yè)廢料，并且均勻性和密實性較好時，均可利用作為持力層。
對于有機質(zhì)含量較多的生活垃圾和對基礎(chǔ)有侵蝕性的工業(yè)廢料等雜填土，未經(jīng)處理不宜作為持力層。
當?shù)鼗休d力和變形不能滿足設計要求時，則應將地基進行人工處理。這種經(jīng)過人工處理的地基稱為人工地基。
局部軟弱土層及暗溝、暗塘的處理，可采用基礎(chǔ)加深、基礎(chǔ)梁跨越，換土墊層或樁基等方法。
當?shù)鼗休d力和變形不能滿足設計要求時，地基處理可選用機械壓（夯）實、換土墊層、堆載預壓、砂井真空預壓、砂樁、碎石樁、灰土樁，水泥旋噴或深層攪拌形成的水泥土樁以及樁基等方法。
處在地下水位以上，由建筑余泥或工業(yè)廢料組成的雜填土地基，可采用機械壓（夯）實方法進行處理。其中重錘夯實的有效夯實深度可達1.2m左右；若采用強夯，則有效夯實深度應經(jīng)試驗確定；當需要大面積回填夯實時，可采用機械分層回填碾壓方法；處理含少量粘性土的建筑余泥、工業(yè)廢料和爐灰填土地基時，可采用振動壓實的方法。當震實機自重2t，振動作用力100kN時，有效夯實深度可達1.2~1.5m。
處理較厚淤泥和淤泥質(zhì)土地基時，可用堆載預壓、砂井堆載預壓或砂井真空預壓。采用堆載預壓時，預壓荷載宜略大于設計荷載，預壓時間應根據(jù)建筑物要求以及地基固結(jié)情況決定，同時應注意堆載大小和速率對周圍建筑物的影響。采用砂井堆載預壓或砂井真空預壓時，應在砂井頂部作排水砂墊層。
用砂樁、碎石樁、灰土樁、水泥旋噴或深層攪拌樁處理軟弱地基時，樁的設計參
數(shù)宜通過試驗確定。施工時，表層土如有隆起或松動，應予以挖除或壓實。對地基承載力、變形或穩(wěn)定性要求較高的建筑物，若用樁基，則樁尖宜打入壓縮性低的土層中。
若僅需處理軟弱地基的淺層，可采用換土墊層的方法。
總之，軟弱地基的處理應該因地制宜，處理后的地基承載力應滿足設計要求。
2、換土墊層的設計應用
換土墊層就是將基礎(chǔ)下面一定厚度的軟弱土層挖除，然后以中砂、粗砂、礫石、碎石或卵石、灰土、粘性土以及其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料。墊層應分層夯實，每層夯實后的密度應達到設計標準。
換土墊層設計包括決定墊層所應具有的最小寬度和厚度。
在墊層的寬度方面，根據(jù)建筑經(jīng)驗，墊層的頂寬一般采用較基礎(chǔ)底邊每邊寬出200mm，墊層的底寬一般取基礎(chǔ)同寬（如圖1）。墊層的厚度應根據(jù)作用在墊層底面處土的自重應力與附加應力之和不大于軟弱土層承載力的條件確定，同時厚度不小于500mm。
在該灌站機房的基礎(chǔ)進行設計時，由鉆探資料顯示，該地基為很厚的軟粘土層，其承載力標準值fk=80kN/m2，重度γ=17 kN/m3，IL=1.00，e=1.00。已知機房獨立基礎(chǔ)承受上部結(jié)構(gòu)荷載設計值F=155 kN，設計室內(nèi)外高差為0.3m，室外基礎(chǔ)埋深d=0.80m。從以上數(shù)據(jù)可知，該地基承載力和變形不能滿足設計要求。
由于該灌站交通不便，重型機械無法進入（如打樁機等），為了減少工程投資，又能達到設計要求的目的，經(jīng)幾個方案比較，決定采用直接用人工就可施工的換土墊層法作為該灌站基礎(chǔ)設計。在墊層材料方面，采用中砂作為墊層，其承載力設計值按f=180 kN/m2計算（施工時砂墊層密度控制在中密程度），重度取γ=19.5 kN/m3。
按公式l = b=[F/(f-γh)]1/2確定基底長度和寬度（獨立柱正方形基礎(chǔ)）。
式中：l 、b——基礎(chǔ)底面長和寬；
F——上部結(jié)構(gòu)的荷載設計值；
f——換土墊層承載力；
γ——基礎(chǔ)及回填土平均重度，一般取γ=20 kN/m3；
h——基礎(chǔ)自重計算高度。
l =b=[F/(f-γh)]1/2=[155/（180-20×0.95）]1/2=0.98m，取l =b=1.0m
下面進行砂墊層厚度的計算：
在進行砂墊層厚度計算時，一般應滿足pcz+pz≤fz
式中：pcz——作用在墊層底面處土的自重應力（kN/m2）;
pz______墊層底面處的附加應力設計值（kN/m2）;
fz________墊層底面處軟弱土層承載力設計值（kN/m2）;
采用該式確定墊層厚度時，需要用試算法,即預先估計一個厚度，然后按上式校核，如不滿足要求時，必須增加墊層厚度，直至滿足要求為止。
為了減少計算工作量，設計該機房基礎(chǔ)換土墊層的厚度時，采用了查曲線圖的計算方法：曲線圖見《建筑地基基礎(chǔ)》 1990 . 10；231。
首先，按下式計算出k1值
k1=[fk+ηbγ軟（b-3）+ηdγ軟（d-0.5）-γ軟d]×10/p0
其次，按下式計算出k2值
k2= k1+15b(ηdγ軟-γ墊)/ p0
式中：p0——基礎(chǔ)底面附加應力（kN/m2）;
fk——墊層底面處軟弱土層的承載力標準值（kN/m2）;
ηb、ηd——分別為基礎(chǔ)寬度和埋深的承載力修正系數(shù)；
d——基礎(chǔ)埋置深度（m）；
γ軟、γ墊——分別為軟弱土層和墊層的重度（kN/m3）。
然后根據(jù)k1、k2和基礎(chǔ)底面長邊與短邊的比值n=l/b，由曲線圖查得m值。
最后算出墊層厚度z=mb。
本基礎(chǔ)：fk=80kN/m2、d=0.8m、γ軟=17 kN/m3、γ墊=19.5 kN/m3、按表查得ηb=0、ηd=1.1。
另外，p0=（F+G）/b-γd=（155+1×0.95×20）/1-17×0.8=160.4 kN/m2，代入上兩式得：
k1=[fk+ηbγ軟（b-3）+ηdγ軟（d-0.5）-γ軟d]×10/p0
=[80+1.1×17×(0.8-0.5)-17×0.8] ×10/160.4
. =4.49
k2= k1+15b(ηdγ軟-γ墊)/ p0
=4.49+15×1×(1.1×17-19.5)/160.4
=4.42
根據(jù)k1=4.49、 k2=4.42和n=1查曲線圖得m=0.82。
則砂墊層厚度：z=bm=1.0×0.82=0.82 m，取
z=0.85 m ，如圖2所示。
3、結(jié)語
該灌站工程建成且連續(xù)安全運行已有五年多，經(jīng)觀測，機房基礎(chǔ)沉降<2mm（基本無沉降），機房上部結(jié)構(gòu)無任何異常情況，運行良好。因此采用“換土墊層法”處理軟弱地基，滿足規(guī)范要求，滿足運行要求，是經(jīng)濟和安全的。
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