試論碎石土墊層的壓實機理及其應用

閆帥

【摘 要】用振動碾壓機對開挖出的天然戈壁砂石（碎石土）進行分層碾壓，以提高它的密實度、強度和穩(wěn)定性，用來作為對軟弱土地基進行加固的有效技術，被廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、路橋、土壩、水渠、水庫等工程中。

【關鍵詞】碎石土；軟弱土地基；振動碾壓

在工程建設中，對于軟弱土地基的處理方法有很多種，其中之一就是用碎石土作為回填地基材料，這對新疆地域內(nèi)的建設工程來說，當遇到軟弱土地基時，不失為一種因地制宜、就地取材的好辦法，因為新疆地大物博，有的是戈壁沙灘。2007年我們在對某住宅小區(qū)作地勘工作時就遇到了較大面積的軟弱土地基，該住宅小區(qū)占地約18000m2，擬建8幢6層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓。由于該建設場地為山前沖洪積扇與山前沖洪積平原的交界處，其土質(zhì)以粘質(zhì)粉土為主，土層厚約3.5m，屬壓縮性較大的軟弱土地基。若采用換土壓實法，工程量大，且工期較長；若采用強夯法，則會對距現(xiàn)場僅7.5m遠的既有12層住宅樓安全造成嚴重威脅。經(jīng)再三分析、比選后，決定采用挖去1m厚原土層，以碎石土作為回填地基材料，整平后用振動碾壓機分層碾壓至設計要求的干密度和承載力標準值后，作為擬建住宅樓的地基。應用此法后，該住宅小區(qū)8幢住宅樓均順利竣工，按期交付使用，至今未發(fā)生任何工程質(zhì)量問題。

1 碎石土的物理力學性質(zhì)

新疆地區(qū)大部分土層屬西北戈壁沙灘，沙漠和戈壁土層較多，而戈壁土又多為正常固結(jié)的砂石混合體，具有良好的顆粒級配，一般均處于中密—密實狀態(tài)，其天然密度為2.19～2.26g/cm3，天然干密度為2.15～2.20g/cm3，天然含水量僅為1.6～1.9%，內(nèi)磨擦角為40°，變形模量為56.5MPa，通過對50組天然戈壁作篩分試驗，得到其不均勻系數(shù)Cu>10，說明天然戈壁土具有較高的抗壓強度和抗剪切強度。

2 碎石土的壓實機理

當天然戈壁土被挖出后，其結(jié)構(gòu)遭到破壞，而作為地基回填材料的碎石土（戈壁土），如要滿足上部建筑物對地基變形和抗壓強度的要求，就必須具有足夠的密實度，所以就必須采用分層碾壓的方法來提高其密實度和強度，降低其透水性和壓縮性。筆者通過對50組挖出的天然戈壁土作擊實試驗，經(jīng)數(shù)理統(tǒng)計后得出其最大干密度為2.34g/cm3，最優(yōu)含水量為4.98%；又根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》（JGJ79-2002）確定碎石土的壓實系數(shù)為不小于0.94，現(xiàn)場控制干密度為不小于2.20g/cm3。碎石土作為粗骨料回填土，其中大于2mm的骨架顆粒在激振力作用下，重新排列，構(gòu)成新的骨架，其穩(wěn)定性與激振力、外部靜荷載以及碎石土本身的自重應力有關：激振力、外部靜荷載越大，產(chǎn)生的附加應力也越大，骨架就越穩(wěn)定，因此，當戈壁土墊層有一定厚度時，其下部土層在自重應力作用下，組成骨架的顆粒在一定程度上會趨于穩(wěn)定，而小于2mm的細顆粒土，則主要起充填空隙和增加碎石土密實度的作用。但是，這種細顆粒土對含水量的要求較高：當含水量較低時，土粒周圍的結(jié)合水膜很薄，使顆粒之間具有很大的分子引力，阻止顆粒移動，充填效果就差，擊實就較困難；當含水量增加很多，以致土粒周圍出現(xiàn)多余的自由水時，空隙中過多的自由水勢必在擊實或碾壓時會阻止土粒的靠攏，使充填效果反而下降，出現(xiàn)“橡皮土”現(xiàn)象。只有當含水量適當增大至土粒周圍出現(xiàn)弱結(jié)合水時，水膜變厚些，使土粒之間的分子引力減弱，使土粒易于移動，充填效果變好，擊實或碾壓就會收到最佳效果，此時的含水量就叫最優(yōu)含水量。

通過上述對碎石土作的擊實試驗，說明：用碎石土回填軟弱地基的各項指標，完全可以滿足上部建筑結(jié)構(gòu)對地基變形和強度的要求。

3 碎石土墊層的施工工藝

碎石土（戈壁土）作為墊層加固軟弱土地基的工藝流程是：先用挖土機挖去0.9m原土，用推土機清理基底、推去表層浮土，再用平路機整平，然后用自重12t、激振力為30kN的振動碾壓機分層碾壓，其有效加固深度為1m左右?？紤]到實際操作時不可能達到滿負荷，故設計虛鋪厚度控制在0.5～0.6m，然后分兩次灑水，控制其含水量在2～5%之間，保證碎石土浸潤均勻；碾壓遍數(shù)控制在8～12遍，牽引速率為2km/h，碾跡搭接寬度約0.4m。分片碾壓時在搭接處應放坡，坡面長約2～3m，碾跡重疊4～5m，碾壓完畢，用現(xiàn)場大密度試驗儀檢驗壓實效果，達不到現(xiàn)場控制干密度2.2g/cm3時，必須補碾至達到要求。

4 結(jié)束語

碎石土（戈壁土）作為回填地基材料，在對軟弱土地基加固技術方面，特別是對多層建筑的淺基礎，具有較明顯的優(yōu)勢：

4.1 能較大地提高地基承載力

眾所周知，地基中的剪切破壞，多是從基礎底面開始，并隨著地基土應力的增加向縱深發(fā)展。碎石土抗壓和抗剪強度高，可有效避免地基土的剪切破壞。

4.2 能減少地基土的沉降量

當密實的碎石土取代軟弱土層后，基礎下淺層地基的沉降量及側(cè)向變形引起的附加沉降量都將大大減少；同時，碎石土對應力的擴散作用，可減少上部結(jié)構(gòu)對下臥土層的壓力，相應也就減少了下臥層的沉降量。

4.3 可加速軟土層的排水固結(jié)作用

碎石土墊層提供了基底下的排水面，使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，避免了地基土的塑性破壞；同時可加速軟土層的固結(jié)，提高其承載力。

4.4 取材方便，經(jīng)濟合理

實踐證明，碎石土回填軟弱土地基，尤其在新疆地區(qū)，因其可就地取材，經(jīng)濟合理，施工技術又易于掌握，只要控制好碎石土的最優(yōu)含水量、每層虛鋪厚度和碾壓遍數(shù)，其壓實效果完全能滿足設計要求，可廣泛應用于工業(yè)與民用建筑、路橋、土壩、水渠、水庫等工程中。

[責任編輯：鄧麗麗]