换填垫层法处理液化地基

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换填垫层法处理液化地基摘要郯庐断裂带是我国东部大陆上的一条北东向的主干断裂带，贯穿中国东部不同大地构造单元，该地震带影响范围广泛，周围分布有较厚的松散液化砂土和粉土。本文对位于该地震带中段的江苏省宿迁市洋河镇的某产业园的液化土地基处理方案进行综合比对，最终采取了换填垫层法进行处理，对处理后的效果通过载荷试验、标准贯入试验及动力触探进行测试，证明该法解决该地区松散液化地基效果显著。关键词液化地基；地基处理；标准贯入试验；抗液化措施；换填垫层法一、工程概况及地质条件本工程拟建场地位于郯庐断裂带影响范围内的江苏省宿迁市，场地上部地层属黄河冲积平原地貌单元，自上而下分为六个工程地质层及两个亚层，分层描述如下：①层素填土：局部为松软状耕土，下部以软塑状粘性土为主含少量碎石块等建筑垃圾，厚度为0.30～1.80m。②层粉土：呈稍密状态，很湿，切面无光泽，摇震反应迅速，干强度低，韧性低，厚度为0.90～2.90m，承载力特征值85kPa。③—1层淤泥质粉质粘土：流塑、无摇震反应，干强度中等，韧性中等，夹杂淤泥质粉土，厚度为0.00～8.40m，承载力特征值70kPa。④层粉土：呈稍密状态，很湿，切面无光泽，摇震反应迅速，干强度低，韧性低，厚度为2.10～5.10m，承载力特征值110kPa。⑤层粉土：稍密至中密状态，很湿，切面无光泽，摇震反应迅速，干强度低，韧性低，厚度为1.60～3.80m，承载力特征值140kPa。⑥—1层粉土：稍密至中密状态，很湿，切面无光泽，摇震反应迅速，干强度低，韧性低，厚度为0.00～2.10m，承载力特征值140kPa。⑦层淤泥质粉质粘土：流塑、无摇震反应，干强度中等，韧性中等，夹杂淤泥质粉土，厚度为1.50～3.50m，承载力特征值70kPa。⑧层含砂姜粘土：硬至可塑状态，切面有光泽，无摇震反应，干强度高，韧性高，夹有大量砂姜石，厚度大于8.70m，承载力特征值280kPa。拟建场地浅层潜水主要赋存予～层土层中，其稳定水位埋深约为0.60～1.00m，地下水对钢筋混凝土结构有微腐蚀性，场地为中软场地土，根据三孔土层波速测试得到等效剪切波速范围为184.3m/s、172.4m/s及181.7m/s，确定场地类别为Ⅲ类，特征周期值可取0.45S。根据宿迁市地方条文规定，宿迁市抗震设防烈度为8度，宿迁市洋河镇可按抗震设防烈度7.5度进行抗震设计，设计基本地震加速度为0.15g（第二组）。该场地覆盖层厚度大于80米，根据抗震规范第4.1.7规定可忽略发震断层错动对地面建筑的影响。根据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010），采用标准贯入试验按公式Ncr=N0βln0.6ds+1.5-0.1dw3ρc（式1-1）判别饱和土标准贯入锤击数小于或者等于液化判别标准贯入锤击数临界值，根据判别结果，可初步判定层粉土、层粉土、层粉土及-1层粉土为可液化土层。土工实验 计算结果得到三孔的液化指数为14.94,16.51及17.09，根据表1.1可综合判定地基液化等级为中等液化。表1.1液化等级与液化指数的对应关系液化等级轻微中等严重液化指数IlE0＜IlE≤66＜IlE≤18IlE＞18二、地基处理方案比较和选取该项目单体均基本为三～四层框架结构，抗震设防类别为丙类建筑，依据《建筑抗震设计规范》（GB50011-2010）采用的抗液化措施为基础和上部结构处理并采取相应的构造措施。可综合采用以下措施：1)选择合适的基础埋置深度；2)调整基础底面积，减少基础偏心；3)加强基础的整体性和刚度，如采用箱基、筏基或钢筋混凝土交叉条形基础，加设基础圈梁等；4)减轻荷载，增强上部结构整体刚度和均匀对称性，合理设置沉降缝，避免采用对不均匀沉降敏感的结构形式等。根据场地的工程地质条件，对以下几种常用消除地基液化的处理方案在技术经济上进行分析、比较：1.桩基础，桩尖持力层可选择第层含砂姜粘土层，使用桩基础优点是处理液化效果明显，且承载力高，能满足设计要求。缺点是如若采用预制桩沉桩时会产生挤土效应并导致孔隙水压力继续升高，如若采用钻孔灌注桩，施工周期长，桩身质量难以保障且需要将泥浆外运。综合考虑对于三层框架结构，成本较高，故不采用此法处理。2.强夯法，采用强夯法优点是设备简单，适用范围广，经济易行，施工周期短。但是缺点是产生的噪音和振动对周围的居民和建筑物造成一定的影响，而且强夯的有效加固深度受地基土的性质、厚度以及地下水位的影响，造成有效加固深度的实测值往往要比梅那Menard公式（h=aWH10）推算值偏小,参数a为饱和度、夯坑深度和夯坑半径的函数，其取值受影响变化较大，故不采用此法处理。3.换填垫层法，适于浅层地基处理，处理深度可达2～3米。在饱和软土上换填砂垫层时，砂垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。优点是：可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期，又能降低造价。以上几种方案经过综合对比，考虑三层框架结构荷载不大，采取相应的抗震措施增强上部结构的整体刚度和均匀对称性，选择钢筋混凝土交叉条形基础，加强了基础的整体性和刚度，最终决定采用方案3换填垫层法处理液化土层，将基础埋置于层土内。三、换填垫层法设计及施工中的注意事项本工程地基处理方案采用换填垫层法，设计的主要目的是提高承载力，增加地基强度；减少基础沉降；垫层采用透水材料可加速地基的排水固结(1)置换作用。将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为 较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。(2)应力扩散作用。基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。(3)加速固结作用。用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。(4)防止冻胀。由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。施工时，宜选用碎石、卵石、角砾、原砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质，最大粒径不宜大于50mm。换填砂石的分层铺填厚度为200~250mm，每层压实遍数为6~8次，并应控制机械碾压速度。砂石垫层的压实系数不小于0.97，通过现场静载试验确定的砂石垫层承载力不应低于150kPa，压缩模量不应低于20MPa，最大干密度及最优含水量根据试验确定。图3.1砂石垫层的换填厚度z应根据下卧土层的承载力确定，即作用在垫层底面处的土的自重应力与附加应力之和不应大于软弱下卧层土的承载力特征值（图3.1）即满足：Pz+Pcz≤faz（式3.1）垫层底面处的附加压力值Pz按软弱下卧层验算方法计算，垫层的压力扩散角θ可按表3.1采用并分别按下列公式进行简化计算；条形基础pz=b(pk-pc)b+2ztgθ(式3.2)表3.1压力扩散角θ换填材料z/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、卵石、碎石、矿渣粉质粘土粉煤灰灰土0.2520628 ≥0.503023根据《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012，换填垫层的厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。经过设计计算砂石换填的厚度为柱下条基C15素砼垫层下1500mm，基础边缘以外的换填宽度为砂石垫层底面两侧往柱下条基外扩1000mm，底面两侧向上按照当地的地基开挖的经验及要求放坡。为防止粗粒换填材料挤入软弱土层破坏其结构，在软弱下卧层顶面设置厚300mm的砂垫层。开挖基坑时预留约200mm的土层（保护层）暂不挖去，待做好铺填垫层的准备后，对保护层挖一段随即用换填材料铺填一段，直到完成全部换填，以保护下卧土层的结构不被破坏。换填垫层的施工质量检验应分层进行，并应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层。换填施工完成后采用静载试验检验砂石垫层承载力时，每个单体工程不小于3点。四、地基处理效果五、结论参考文献：【1】《建筑抗震设计规范》GB50011-2010【2】《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2012