1 地基处理的概念和作用
换填法是将基础底面天然的或后天形成的软弱土层挖去或部分挖去, 分层回填强度高、压缩性低且无腐蚀性的砂石、素土、灰土、工业废料等材料, 压实后作为基础持力层, 常见的有换填砂卵石和灰土法。其主要作用表现为以下几个方面: ①换填强度较高的垫层材料后, 可以有效地提高地基的承载力。②换填压缩性较低的材料后, 可减少建筑物的沉降量。③换填透水性较大的材料(砂石) , 可使基础下面的孔隙水压力迅速消散, 避免基土的塑性破坏, 并可加速垫层下软弱土层的固结及其强度提高。另外换填砂石等材料, 因其颗粒粗大、孔隙大、无毛细水现象, 可以防止材料受冻而造成的冻胀, 如很多建筑物的散水和台阶以及道路的面层下均铺一定厚度的砂石,就是这个道理。④在湿陷性黄土地基中, 用素土或灰土材料置换黄土, 可消除湿陷变形, 同时, 换填后的材料因其密实度增加, 还可做为防水层, 减少下卧天然黄土层被水浸泡的可能性。⑤换填法除能满足上述要求外, 在对环保要求较高的现代社会, 它基本对周边环境不构成噪声、水质污染、大气污染、地面泥浆污染等, 只有一定的振动感, 但波及范围较小。
2 填砂卵石和灰土施工要点
在笔者的施工经历中, 曾多次接触用砂卵石或灰土进行地基处理, 其中两次规模较大, 基坑面积在20000m 2 左右, 换填砂卵石厚度5m , 然后在砂卵石垫层上再垫3∶7 灰土1m 厚, 下面介绍自己简单的体会。
2.1 在施工前, 首先把好材料的质量关，对于砂卵石, 有时设计人员在图纸中会明确相关要求, 特别是材料的粒径和比例。在某些施工现场, 从河床中直接挖采的砂卵石可以满足设计要求,运至工地可直接使用, 给施工带来极大的方便。但在实际施工中, 相当一部分天然砂卵石难以满足设计要求, 如含泥量偏大、粒径偏小、级配不合理等, 遇到这种情况, 就需要进行人工处理, 如材料粒径偏小或大粒径卵石数量不足, 则可以掺入25%～ 30% 的碎石, 但最大粒径不应大于50mm , 因为碎石过大会导致垫层本身的不均匀压缩, 这也是施工规范所规定的内容。天然的砂卵石, 都是由大小不同的颗粒组成, 各个粒组相对含量的百分比称为颗粒级配。砂卵石的颗粒级配对其压实后的密实度和承载力的影响是很大的, 通俗地讲, 越是粒径不均匀的砂卵石, 其级配越好。对于灰土, 顾名思义就是用按一定体积比配合的石灰和土的混合材料, 经压实后, 其承载力可达到300Mpa 以上。作为灰土组成材料之一的石灰,它是一种无机胶结材料, 不但能在空气中硬化, 还可以在水中硬化。用做灰土时, 应选用熟化后的熟石灰, 可以用生石灰块经消解3～ 4 天而成, 但实际施工时, 这种方法操作比较困难、费时、费力而且不经济, 所以最好购买已经消解完毕的熟石灰粉, 但其粒径不应该超过5mm , 否则应过筛使用。灰土所用的熟石灰应符合三级以上标准, 其中活性CaO和MgO的含量不能低于50% , 这些数据均可以通过试验得出。如要拌和强度较高的灰土, 宜选用一级或二级石灰。当活性氧化物含量不足时, 可以适当增加石灰的用量。灰土中石灰的用量在一定范围内时, 其强度随灰量的增大而提高, 但当超过其限值后, 强度的增加则不大, 并有减小的趋势。通过实践证明, 2∶8 和3∶7 灰土是最适合施工的也是性能最好的。土作为灰土的重要组成, 其性质也决定了拌和后灰土的质量。土不仅仅起填料的作用, 而且参与化学反应, 土中的黏粒( 粒径< 0.005mm ) 和胶粒( 粒径<0.002mm ) , 具有活性和胶结性, 含量越多(即土的塑性指数越高) , 则灰土的强度也较高。用于拌合灰土的土, 可使用塑性指数大于4 的土料, 按照塑性指数分类, 土分为以下3 种: 4< I≤10 为粉土; 10< I≤17 为粉质黏土; I> 17 为黏土。具体施工时, 可按照土的实际情况选用, 根据笔者经验, 使用粉土或粉质黏土相对较好, 因黏土的塑性指数较高, 内部黏粒含量偏多, 本身结合水含量也较高, 从土方开挖至地基处理开始, 中等或大规模的建筑物需要两周甚至更长时间, 在此期间, 挖出待用的土料如经风吹日晒,内部水分蒸发后, 黏土很容易形成大小不一的土块,这会给施工带来极大困难, 因为规范明确规定, 灰土中土的粒径不得大于15mm , 所以凡是大于15mm的土块均不能使用。相比之下, 粉土或粉质黏土, 这种情况就出现较少, 特别是粉土, 本身水分含量较少,所以干燥后也不会形成土块, 在施工时既可以满足规范要求, 又便于与石灰拌合均匀。但粉土也有其缺陷, 因它内部活性成分偏少, 要想达到设计要求的压实系数, 需增加碾压遍数, 而且碾压完毕后, 表面容易出现裂纹。因此, 采用哪类土, 还需要广大技术人员根据现场的土质、进度、质量等关系综合考虑, 通过比较寻求最佳方案。
2. 2 材料中水分的含量也是影响施工质量和进度的一个关键因素，水分在土内部含量的多少可以用含水率来表示, 即在天然状态下, 土中水的重量与土颗粒重量之比的百分率。其数据可以通过烘干试验得到, 一般情况下, 施工技术人员普遍的做法是在现场取一定重量的天然土, 在天平上称出其重量, 在铁锅上烘干后, 称出干燥状态下土颗粒的重量, 与烘干前土的重量差即水的重量, 水重量与土干燥后的重量之比就是土的含水量。在换填施工时, 砂卵石和灰土如要达到最大密实度, 除了材料本身质量外, 含水量是另一项控制手段, 施工前, 必须由试验机构对所用土进行击实试验, 得出土的最大干密度和最优含水量(土经压实达到最大干密度时的含水量)。绝大多数情况下, 土料自然含水量与最优含水量存在一定的量差,如直接从河床中挖出的砂卵石, 本身含水较多, 有可能超过其最优含水量(一般为8%～12% )。而灰土本身含水量普遍都低于其最优含水量(一般为18% ) ,因为熟石灰的成分为Ca(OH)2, 其孔隙较大, 吸水量也较大, 另外由于Ca(OH)2与土中的颗粒发生一系列离子交换、碳酸化反映现象, 也需要部分水分, 所以在灰土的拌和过程中, 需水量相对较多。为了给施工创造便利条件, 技术人员应根据土料的自然和最优含水量的关系, 提前做好施工准备, 确定土料是否需要晾晒或加水, 并按照每次施工的土料体积, 换算出加水量的具体数据, 并严格控制。如材料的含水量超过其最优含水量, 则难以碾压密实, 甚至在施工过程中出现“橡皮土”。特别是灰土的施工, 土料的含水量一定要控制在最优含水量W-2%的范围内。拌和后的灰土, 达到手握成团、手指轻捏即碎即可, 同时配合烘干试验来验证其含水量的多少。其次,根据季节情况对含水量可做一定调整, 如在炎热环境下施工,应考虑材料在运输、铺摊过程中的水分蒸发,可适当增加土料的含水量。
2. 3 施工操作工艺是另一项影响地基处理质量和进度的重要原因
主要包含施工机械的选用、土料分层厚度和碾压遍数的确定等。在施工前, 技术人员应根据基坑的面积、进度和质量要求科学准确的确定施工工艺, 并编制详细的施工措施和技术交底。如没有这方面的相关经验, 也可以从有关资料上查找某些数据来直接套用, 但这些数据只是给定一个范围, 如分层厚度为200mm～ 350mm , 碾压遍数为6～12遍等, 如选择不当,会给施工带来不便。针对具体工程, 建议技术人员采用现场试验法, 在施工前,材料检验合格、含水量确定后, 先按照某一厚度铺摊一定面积的土, 开始碾压, 并记录碾压遍数和施工时间, 至5遍以后,每遍进行压实系数试验,直到符合设计要求为止。从而获得在该铺摊厚度情况下的施工时间。试验结束后, 换场地增加铺摊厚度,重复以上方法。通过量次施工的对比, 可以选择一个省时、省力的最佳方案,并在真正施工时按照此方法操作。另外选用哪种施工机械也有讲究, 大基坑条件下, 通常选择压路机(振动碾) 作为压实工具, 平整机械利用推土机效果较好。施工时可以根据实际面积将作业面分成若干区域, 采取流水施工的方式, 即某一区域在碾压或试验的时候, 可以组织另外区域进行材料铺摊和平整。在一些特殊地基上施工时, 如细粉砂或经降水以后的地基土, 第一层材料碾压时, 需要改变一下施工方法, 如采用平碾(振动碾不使用振动功能) 或适当增加铺摊厚度, 这样可以避免因机械的外力作用而扰动垫层下的软土或因强烈震动导致土结构破坏而发生砂土“液化”现象。在雨季进行换填垫层施工时, 要注意防雨, 每天施工结束后, 要用塑料布等隔水材料对垫层表面覆盖, 并准备好排水工具, 做好雨季施工措施, 特别是对于灰土垫层, 防水工作更为重要。因灰土垫层施工后, 三日之内应绝对避免雨水浸泡。
3 结论
换填法进行地基处理, 该方法方便简单, 易于操作和检测, 可就地取材, 施工中使用范围广泛,技术人员应了解其工艺特点、性质以及使用换填法进行地基处理时的施工要点。