浅议垫层法处理多层建筑湿陷性黄土地基.doc

浅议垫层法处理多低层建筑湿陷性黄土地基张振宁（陇东学院土木工程系， 西峰，745000）摘要：阐述了垫层法在湿陷性黄土地区处理多低层建筑地基的分类、目的和优缺点,适用范围，指出了垫层法处理此类地基在设计、施工、使用与维护等方面的存在的若干问题，提出相应的对策，供实际工程参考。 关键词：湿陷性黄土地基；地基处理；垫层法;多低层建筑；问题与对策 分类号： TU444文献标识码：AA brief analysis of cushion method treating collapsible loess foundation of multi-storey building and lowrisebuildingZhen-Ning Zhang (Department of civil engineering; Long Dong University ; Xifeng 745000 )Abstract: Discussed with the cushion to treat collapsible loess foundation of multi-storey building on several aspects such as types, purpose and applicability, strengths and weakness. Pointed out several problems existing in cushion method treating this type of foundation in the design, construction, use and maintenance, etc. Related engineering measures are also presented for practical engineering use. Keyword: collapsible loess foundation; foundation treatment；cushion；multi-storey building and lowrisebuilding；problems and countermeasures1 引言湿陷性黄土是一种在第四纪时期形成的非饱和的欠压密土，颗粒组成以粉粒为主的黄色或褐黄色粉状土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下其压缩性较低，强度较高，但在一定压力下遇水浸湿时，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的特点。湿陷性黄土按照在上覆土的自重压力下是否发生显著附加下沉可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，这两类黄土随场地挖填土方相互转化。我国湿陷性黄土面积达44万km2，主要分布在山西、陕西、甘肃的大部分地区，河南西部和宁夏、青海、河北的部分地区1。在湿陷性黄土地区进行工程建设时应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，采取以消除或减少地基的湿陷变形的地基处理为主、防水措施和结构措施为辅的设计措施，施工和使用与维护阶段的防水措施, 防止地基湿陷对建筑物产生危害，做到因地制宜、安全适用、技术先进、经济合理、确保质量和保护环境。建筑地基处理后必须满足足够的强度、刚度和稳定性要求1 2。 本文结合技术规范和工程经验，阐述垫层法的分类、处理目的,作用机理、优缺点和适用范围, 从勘察、设计、施工及使用维护角度探讨该法处理多低层建筑湿陷性黄土地基中常遇问题，提出措施及对策，旨在抛砖引玉，供实际工程参考。2 垫层法处理多低层建筑湿陷性黄土地基2.1 垫层法基本概念垫层法是一种传统的地基处理方法，是指将建筑物基础下一定宽度及厚度的软弱土层或湿陷性等不良地基土挖去后，在基槽或基坑底分层铺设强度较高的土或从基坑开挖出来的原状土、或灰土，然后根据所选用的机械设备，在最优或接近最优含水量下分层回填、分层压实到设计标高，作为地基的持力层。由于砂、石等粗颗粒材料透水性强，用于垫层时其下未处理的湿陷性黄土受水仍会引起湿陷，故砂石垫层不能用于防渗漏要求严格的湿陷性黄土地基，用于非自重湿陷的饱和软弱黄土地基时承载力高，效果好。2.2 垫层的作用2.2.1 消除和减少地基湿陷。已处理部分黄土结构被破坏，压实后不具湿陷性，垫层法可减少湿陷性黄土层的厚度和地基的总湿陷量。经过回填压实处理的黄土地基湿陷性速率和湿陷量大大减少，适应上部建筑结构对地基变形的要求。未经处理湿陷性黄土地基在开始浸水12天内，一昼夜可产生1520 cm的湿陷量。一般素土垫层的湿陷量减少为13cm，灰土垫层的湿陷量往往小于1cm。2.2.2置换软弱土。将基底以下软弱土置换为好土或灰土，提高地基的压缩模量和减少压缩变形，可提高地基承载力，增强地基稳定。2.2.3 应力扩散。基础上的荷载通过垫层得到扩散作用，垫层下天然土层所受的压力和附加压力减小，从而减小地基沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。2.2.4 均匀地基反力与沉降。对于地基存在的杂填土、孔穴、旧基础、土质软硬及湿陷不均匀进行清理及换填，保证基础底面主要受力范围内土层的压缩性和反力趋于均匀。2.2.5 防水防渗。整片土（或灰土）垫层还具有隔水、防水作用，防止下部未处理的湿陷性黄土层不受上部管道等设施漏水引起湿陷。2.3 垫层法分类垫层法按回填土料分为素土垫层法和灰土垫层法。素土垫层法采用基坑原状素土回填压实，土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。对于粉质粘土垫层，当压实系数达到0.940.97时承载力特征值取130180KPa,压缩模量可取1114Mpa,垫层厚度大于基础宽度一半时压力扩散角可取230。灰土垫层法采用消石灰与或基坑内挖出的黄土或其它粘性土按一定体积过筛拌匀后回填压实，消石灰与土体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂质粉土，不得含有松软杂质，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm,经过筛分拌合后分层铺设压实，对于灰土垫层，当压实系数达到0.95时，承载力特征值取200250KPa。压缩模量可取1720Mpa, 压力扩散角可取2802。垫层法按照地基平面处理范围可以分为局部土（灰土）垫层和整片土（灰土）垫层。局部土（灰土）垫层一般设置在矩形、方形、或条形基础底面下，沿条形基础或矩形基础称开挖一定宽度和深度，称为槽型或坑形开挖。局部土（灰土）垫层超出基础底面宽度较小，仅设置在基础底面以下，地基处理完成后，地面水及管道漏水仍可从垫层侧面渗入下部未处理的湿陷性黄土内引起湿陷，设置局部土（灰土）垫层不考虑起防水、隔水的作用，对地基受水浸湿可能性大的建筑物不能采用局部土（灰土）垫层。整片土（灰土）垫层是在整个建筑物平面范围内，超出建筑物外墙基础外缘不小于一定尺寸开挖，称为大开挖。整片土（灰土）垫层处理了整个建筑场地基础底面一定深度范围内的湿陷性黄土，隔水效果好，地基承载力有较大提高。2.4 垫层地基变形 湿陷性黄土地区采用土（或灰土）垫层法处理的地基是由垫层及其下卧未处理的天然土层所组成。地基变形包括压缩变形和地基浸水后引起的附加湿陷变形，与基础形式、基底压力和垫层厚度、宽度、施工质量以及下部未处理土层的性质等因素有关。湿陷变形则主要是由于土的竖向压密和侧向挤出引起，在基础平面范围内适当扩大垫层宽度及厚度，可以扩散附加应力，防止水直接浸入基础底面，减小地基压缩和湿陷变形。非自重湿陷性黄土场地方形基础下局部土（灰土）垫层静荷载试验表明3：素土及灰土垫层在地基浸水前在200250 Kpa压力下压缩变形量很小，压板沉降与压力关系呈线性变化；浸水后厚度和宽度大的垫层，地基的湿陷量小，反之，地基的湿陷量大。灰土垫层比素土垫层效果更好，当采用灰土垫层处理非自重湿陷性黄土地基时可以适当减小其厚度。当素土（灰土）垫层厚度相同宽度不同时湿陷量也有很大的不同，超出基底边缘越多，越能有效阻止土的侧向挤出，地基浸水后湿陷量明显减小。为减小地基湿陷变形，宜处理基底下部分湿陷性黄土；如为消除地基湿陷变形，则宜处理基底下全部湿陷性黄土。处理部分湿陷性黄土的厚度，自基础底面起，对非自重湿陷性黄土地基，小于地基压缩层的厚度，或小于用湿陷起始压力控制的地基处理厚度，对自重湿陷性黄土地基，小于自重湿陷性黄土的全部厚度；处理全部湿陷性黄土的厚度，自基础底面起，对非自重湿陷性黄土地基，等于地基压缩层的下限，或等于用湿陷起始压力控制的地基处理厚度，对自重湿陷性黄土地基，等于自重湿陷性黄土的全部厚度。对于条形基础，地基压层的深度取其宽度的3倍，对于独立基础，取其宽度的2倍，地基压缩层深度不应小于5m1 2。2.5 垫层法施工质量检验2.5.1垫层压实质量检验土（或灰土）垫层的施工质量，应用轻型击实仪测定的压实系数控制。3 m以内垫层不应小于0.95；超过3M以上部分不应小于0.97。分层取样检验，每层表面以下的2/3厚度处取样检验土（或灰土）的干密度，然后换算为压实系数。整片垫层的面积每100500 m 2，每层3处；独立基础下的垫层，每层3处；条形基础下的垫层，每10m每层1处。2.5.2 垫层的承载力检验垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定，并应进行软弱下卧层验算，验算下卧层的承载力是否满足要求。验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点；对大型工程则应按单体工程的数量或工程面积确定检验点数。土（或灰土）垫层的承载力特征值，应根据现场原位（静载荷或静力触探等）试验结果确定。2.6 垫层法特点及适用范围垫层法是一种传统的浅层地基处理方法，可适用于地下水位以上湿陷性黄土地基。处理深度一般为基底下13米左右，素土（灰土）垫层具有因地制宜，就地取材，施工简单，造价低廉，技术成熟的特点，不需特殊的机械设备，施工过程工作面暴露，施工质量易于控制。既能缩短工期，又能降低造价。当处理厚度超过3m时，挖填土方量大，工期、质量不易保证，需要与其它地基处理方案进行技术经济分析。当仅要求消除基底下13m湿陷性黄土的湿陷量时，宜采用局部（或整片）土垫层进行处理，当同时要求提高垫层土的承载力及增强水稳性时，宜采用整片灰土垫层进行处理。整片土（灰土）垫层适用于地下水位无上升的自重湿陷性黄土场地，当未消除地基全部湿陷量时对地基受水浸湿可能性大或有严格防水要求的建筑物地基处理。湿陷性黄土地区建筑物根据其重要性、地基受水浸湿可能性的大小和在使用上对不均匀沉降限制的严格程度，分为甲、乙、丙、丁四类。甲类建筑要求全部消除湿陷性，乙、丙类建筑要求部分消除湿陷性，丁类建筑可不处理地基。多低层建筑物由于层数少，传递到地基的上部荷载较小，地基浸水后危害小，绝大多数属于丙类建筑及丁类建筑，极少数属于甲、乙类建筑。当甲、乙类多低层建筑建筑位于湿陷性黄土厚度较薄的场地上时可以采用垫层法处理地基，反之则不宜采用。丙、丁类的多低层建筑，由于对基础底面土层的处理厚度和剩余湿陷量、地基承载力要求较低，故垫层法是优先采用的地基处理方法，得到广泛地应用。层数为13层的丙类低层建筑量大面广，当湿陷等级在级以内，无论自重还是非自重湿陷场地，均可采用局部或整片土（灰土）垫层来处理。当场地为、级时，丙类多层建筑宜采用整片土（灰土）处理。实际工程中为降低工程造价往往采用土及灰土垫层相结合的地基处理方法,即从坑底先做素土垫层,基础底面下一定厚度改用灰土垫层。湿陷性黄土采取强夯法、挤密法时在基础底面也需要做500mm厚的整片灰土垫层扩散应力和防水，采用预浸水法后常采用垫层法处理上部湿陷性黄土层，当处理厚度过大时也可采用先开挖基坑后先用挤密法，后用垫层法。3垫层法处理湿陷性黄土地基常遇问题及工程对策对各类建筑采在设计、施工、监理、使用和维护过程中遇到的问题，应根据场地湿陷类型、地基湿陷等级、地基处理后的剩余湿陷量或下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值，结合当地建筑经验和施工技术经济条件、使用功能等因素综合确定工程对策。3.1 勘察方面湿陷性黄土地区建筑规范（GB 50025-2004）与岩土工程勘察规范（GB 50025-2004）在关于湿陷性黄土地区岩土工程勘察的场地复杂程度规定不一致，当同一场地黄土湿陷等级单一时按岩土规范该场地上的多低层建筑的勘察等级应为甲级或乙级，而按黄土规范其地基复杂程度却划分为简单场地，勘探点的间距、数量及深度要求均不相同，岩土规范要严格得多。实际工程中，对于丙类多低层建筑，往往按黄土规范来布置探井，却按岩土规范来确定勘察等级，有的小型丙类低层建筑只布置2个探井，由于勘探技术原因，厚度较大的湿陷性黄土探井并不能满足规范的勘探深度要求，尤其是复杂的挖山填沟场地。对于大厚度自重湿陷性黄土地区，采用垫层法按最小处理厚度处理多低层建筑地基后剩余湿陷量远不能满足规范要求，勘察报告应结合技术经济条件分析论证垫层的处理厚度，不应照搬规范原文，比如对12层低层建筑可按规范规定处理达到基底最小处理厚度，对多层建筑加大处理厚度，适当放松剩余湿陷量要求，并采取严格防水措施，可取得较好技术经济效果，大量未进行勘察和地基处理的多低层建筑在正常维护下并无湿陷事故发生可以说明问题4。有时会出现同一场地不同建筑的同等级的非自重湿陷性黄土地基比自重湿陷性黄土地基处理还要深的结论，这时应该区别对待各探井湿陷等级和湿陷量，综合其它因素合理确定地基处理深度5。对于较深的基坑，勘察报告应提出支护方案，对地基湿陷不均匀，孔洞坑道、饱和软弱黄土、复杂的挖山填沟地基等应提出处理意见供设计人员参考。3.2 设计方面3.2.1设计说明及沉降观测要求 规范规定：对湿陷性黄土场地上的建筑物和管道，在设计文件中应附有使用与维护说明，对甲乙类建筑，设计文件中应注明沉降观测点位置和观测要求。3.2.2建筑分类和地基基础设计等级部分设计单位对建筑重要性理解有差异，往往将建筑工程抗震设防分类标准（GB 50223-2008）中的乙类建筑与黄土规范中的乙类建筑混淆，造成地基处理厚度的争议。这两个分类标准依据的角度不同，共同点是划分时均考虑了建筑物的重要性及破坏后果，社会影响及经济损失，区别是黄土规范考虑了建筑高度和受水浸湿的可能性及地基变形条件，两者可能有部分建筑划分结果相同，大部分结果有很大差异，如高层住宅楼按黄土规范划分为甲或乙类建筑，而按抗震规范则可能划分为丙类建筑。设计人在划分建筑类别时应参照黄土规范关于建筑划分的举例参照设计建筑来划分，不要受抗震规范的影响。 部分设计单位不能正确理解地基基础设计等级，笼统按多低层丙类建筑类别注明地基基础设计等级为丙类，按照建筑地基基础设计规范（GB 50007-2002），严重湿陷性的黄土场地应属复杂地基，地基基础设计等级应为乙级。级别不同，对地基变形验算、地基及基坑设计检测均有一定程度的影响，而不只是在设计文件上的简单文字更改，设计人员要加强对相关概念的理解与正确运用。3.2.2 垫层设计与软弱下卧层验算局部垫层和整片垫层的平面尺寸应符合黄土规范第6.1.2条要求，地基处理深度应满足黄土规范第6.1.36.1.5条要求。然而由于场地周边建筑或地界的限制或是湿陷等级较高，垫层的厚度往往达到56m，甚至更多，垫层的平面尺寸不能满足规范要求，基坑变为深基坑需要进行基坑支护设计，一些设计单位往往仍按一般场地考虑，进行普通放坡设计，将基坑支护设计让建设单位另行委托设计，造成基坑开挖过程中坑壁坍塌事故，严重威胁坑边建筑安全。当平面处理尺寸不能满足规范要求时可在坑壁上用按边长300 m m的正三角形人工打孔捣填生豆灰和粗砂（体积比8：2）斜向处理或采取在坑壁内侧做1 m宽灰土墙从坑底随垫层施工止地面。当采用条形基础时，也有在地基平面处理尺寸不满足要求的外墙局部改用人工成孔灌注桩、或局部改用人工成孔灌注桩，又在此范围基础梁下再做条形基础的不恰当做法。对深基坑或坑边有建筑时则应采用土钉、锚杆边支护边施工6。在新近堆积黄土场地上甲、乙、丙类建筑的垫层厚度小于新近堆积黄土层的厚度时，由于灰土垫层承载力及压缩模量远大于素土垫层及天然地基的承载力及压缩模量，尚应按规定验算下卧层的承载力和计算地基的压缩变形。然而部分设计单位在采用灰土垫层的承载力特征值进行基础底面尺寸设计时往往不做下卧层验算，在垫层厚度较小时天然地基上的附加应力不能有效扩散，软弱下卧层承载力无法满足要求。3.2.3防止或减小建筑物地基浸水湿陷地基浸水湿陷造成的质量事故证明设计人员往往在地基处理深度不能满足剩余湿陷量要求时只强调地基处理而不能正确采取防水和结构措施，致使造成设计缺陷，在设计中应采取以下措施：1地基处理措施：甲类建筑消除了全部地基土的湿陷性，就不必再考虑防水措施、结构措施，乙类和丙类建筑只消除了地基主要部分湿陷量，还应辅以防水和结构措施，丁类建筑不处理地基，只采取结构措施和防水措施。2防水措施各类建筑采取的防水措施均应满足黄土规范第3.0.2，5.1.1条要求。乙、丙类建筑当剩余湿陷量远不能分别满足规范要求的150 mm、200 mm时应采取严格防水措施。工程设计要对整个场地进行排水、防水设计。当对经常受水浸湿或可能积水的地面还应按防水地面设计严防漏水，建筑场地外埋地管道、排水沟、雨水明沟、水池等与建筑物距离不满足规范要求时还应采取与建筑相同的防水措施。3结构措施加大基础刚度使基底受力较均匀，采用轻质高强材料减小荷载，减小建筑物的不均匀沉降，或加大上部结构整体刚度使结构适应地基的变形。对长度较大、形体复杂的结构物采用沉降缝将其分为若干独立单元；对低层、单层建筑控制长高比小于3。变形缝处采用双墙双柱双梁，结构应闭合。多低层建筑采用钢筋混凝土条形基础代替砖砌条形基础和独立基础，加大埋深可有效解决基础变性协调、地沟的空间尺寸及结构构造问题，确保管沟的完整性。采用地沟穿基础洞口尺寸不满足要求时设钢筋混凝土边框。砌体结构的圈梁及门窗洞口尺寸应满足规范要求。3.3 施工方面3.3.1施工防水应在汛期前完成建筑场地所需排水明渠、护坡、挡土墙等。查明地下管线位置、保证市政管线、水池、淋灰池距建筑物的距离，保证管线不破裂漏水。尽量缩短基坑或基槽的暴露时间，在雨季、冬季施工时，应采取专门措施防水、防冻。大型基坑的底面应有一定的坡度，在基础位置外宜设集水坑，如有积水应及时排除。以上几点对于挖山填沟改变自然地形地貌的复杂湿陷性黄土地基尤为重要，许多工程由于山洪和场地汇水、市政管网破裂造成地基严重湿陷，上部建筑损毁严重不得不拆除的惨痛结果。临时给水管线、管沟施工完毕应及时拆除或回填。3.3.2施工工序施工应遵循先地下，后地上，先先施工深、重、高的部分，后施工浅、轻、低的部分。当发现地基湿陷使建筑物产生裂缝，应暂时停止施工，切断有关水源，查明浸水的原因和范围，对建筑物的沉降和裂缝加强观测，并绘图记录，经处理后方可继续施工。地下工程施工超出设计地面后，应进行室内和室外填土，并宜将散水和室内地面施工完毕后，再进行地上工程的施工。3.3.3 基坑及垫层施工1.基坑施工当基坑或基槽挖至设计规定的深度或标高时，应进行普通探墓，及时组织验槽。挖至坑底不能连续施工时保留3050cm厚的土层，防止其被践踏、受冻或受浸泡，待继续施工时挖除。堆土至基坑或基槽边缘的距离不宜小于lm。当局部表层土的含水量过大碾压形成“橡皮泥”时，应采取晾干或换土、生石灰桩7挤密等措施处理。当基坑底存在古井、古墓、洞穴、地道、暗塘部位时应挖除或采用灰土回填夯实，对旧基础予以挖除，遇到淤泥或饱和淤泥质土层时可先采用大直径生灰桩间隔处理降低含水量后抛砂石垫层机械压实挤淤。通过检查验收合格再进行垫层施工。2.垫层施工 素土和灰土垫层土料的施工含水量按最优含水量或该场地天然土的塑限含水量控制。可通过“手握成团，落地开花”的经验来判断。垫层压实系数达到要求后应避免过度碾压造成剪切破坏。灰土应拌和均匀并应当日铺填夯压，3d内不得受水浸泡。基坑过长时垫层底面宜设在同一标高上分段施工，分界处挖成阶梯状或斜坡搭接，不得在柱基、墙角及承重窗间墙下接缝；垫层厚度不同时并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯砸密实。各种管沟穿过建筑物地基时，不得留施工缝。房心土、基底以上室外回填土压实系数不得小于0.9。 3.4 监理方面监理单位应按照国家规范、标准及勘察设计文件技术要求，严格审批施工单位的施工方案及工序、防水措施、安全专项措施，从人、机、料、法、环各个方面进行监理，杜绝为了回避风险而在相关工序完成后无事故发生才补签监理、施工记录及资料表单的不作为行为，实践证明，凡是发生重大工程事故的，监理单位均未能认真履行职责。3.5使用和维护检修方面 在使用期间，某些建筑场地地势较周围底，长期排水不畅，落水管及散水破损不能及时维修，各种水暖管道破损后跑冒滴漏严重，室内外管沟、给水井、检查井、化粪池检查不到位可能存在渗漏，这些都是造成地基湿陷的直接外因，都将导致湿陷性黄土地基浸水湿陷引发工程事故。使用期间应安排有关部门或人员负责组织制订维护管理制度、检查维护管理工作。使用维护单位应按设计文件的沉降观测点的位置和观测要求进行沉降观测，应经常对建筑物和管道、化粪池、检查井等按设计说明进行维护和检修。对勘察、设计、施工及验收的各项技术资料，如勘察报告、设计图纸、施工资料及竣工图、场地地下管道的竣工图等必须整理归档。在已有建筑物的防护范围内，增添或改变用水设施时，应按有关规定采取相应的防水措施和其他措施，不应修建未采取防水措施的花池、草坪。4结语垫层法适合于湿陷性黄土地区多低层建筑物的地基处理。根据建筑类别及结构形式、上部荷载大小、黄土湿陷等级及类别、浸水的难易程度、场地条件、施工条件及使用维护等，对垫层法常遇工程问题经技术经济比较后采取合理工程对策,对保证建筑安全至关重要。在工程建设和使用的各个阶段，勘察、设计、施工、监理、建设单位技术和管理人员应认真履行职责，严格执行国家规范和技术标准，就会减少和防止地基湿陷事故发生，减轻和避免因地基浸水湿陷造成建筑损害。参考文献：1 GB 50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范S.北京:中国建筑工业出版社,20042 JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范S.北京:中国建筑工业出版社,20023罗宇生.湿陷性黄土地基处理.北京:中国建筑工业出版社, 20084胡爱萍.对小型丙类建筑物勘探点及地基处理深度的几点看法J.陇东学院学报 , 2007(2),69 70 5文云芝. 对湿陷性黄土地区建筑规范有关条款的认知 J.科技情报开发与经济 , 2009(6),216 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