刚性加强层在高填方地基处理中的应用

刚性加强层在高填方地基处理中的应用

刘彬

（新疆建筑设计研究院有限公司）

【摘要】分层压实回填与水泥土加强层结合的处理方法，解决大厚度回填及周边环境限制（不允许强夯产生的震动）问题，人为调整填土层刚度，使地基附加应力在竖向方向传递发生变化，减小填土地基的沉降。并通过多种监测、检测手段对施工过程及工后质量进行检测，验证设计的实施效果，确保施工质量满足设计要求。

关键词：高填方、垫层、刚性加强层、变形模量、基底附加应力、变形

1.工程概况

项目概况、场地概况： 某油库项目，占地面积250.0m×155.0m，场地地形呈现北高南低、高差约15米，东西高程近水平状，场区地层结构单一，表层覆盖1.0m～2.0m回填土，其下为第四系巨厚冲洪积碎石土层，中密～密实，干～稍湿，骨架颗粒呈交错排列，中砂、细砂混少量土充填，颗粒磨圆度较好，质硬，一般粒径2 cm～4cm，大者6 cm～8cm，个别可达20cm。

2.地基处理设计：

依据地基处理目的要求，综合考虑场地工程地质条件、拟场地和油罐等竖向设计要求、施工的设备和工期要求等，需要填筑厚度1.0～18.0m。整个场区采用分层压实回填土(碎石土)处理方法，其中储油罐基底范围增加变刚度垫层，采用分层压实回填土(碎石土)+刚性加强层的处理方法。回填用料选用场地开挖碎石土，地基处理质量控制要求：压实系数≥0.97，承载力特征值f_ak≥250kPa，变形模量E₀≥20MPa。

在油罐区填土范围设置三层变刚度垫层，每层厚度1.0m，材料为天然级配碎石土与水泥的混合料,碎石土最大粒径不大于100mm，混合料中水泥含量3～5%，拌和均匀，水泥为R42.5普通硅酸盐水泥，初凝时间3h以上、终凝时间6h以上。

3 .地基处理施工

压实回填土（碎石土）垫层和变刚度（碎石土加水泥）垫层的分层回填厚度35cm，严格控制虚铺厚度，允许偏差为+5cm，采用质量大于25t的碾压设备碾压，每层碾压遍数按振动碾压8~10遍控制，回填压实系数≥0.97控制，每层合格后方可铺填上层继续施工。

变刚度垫层混合料采用现场碎石土和R42.5普通硅酸盐水泥混合，要求初凝时间3h以上和终凝时间6h以上，水泥拌合量为3.8t/100㎡。

变刚度垫层施工流程：回填碎石土虚铺→刮平机找平→水泥布撒车布撒水泥→就地冷再生机械搅拌混合料均匀→洒水车洒水湿润→压路机碾压→试验检测→检测合格后进行下一层施工。

4.检测与监测

4.1密度检测

现场密度试验采用灌砂（灌水）法。干密度介于3.36～3.39g/cm³之间，因碎石土垫层和变刚度垫层统一采用现场挖掘的碎石土料，干密度区间值一致，无明显差异。

4.2载荷试验

4.2.1回填碾压碎石土层载荷试验

原位静力载荷试验，采用慢速维持荷载法。碎石土垫层试验荷板面积0.25m²（直径0.56m），变刚度垫层试验荷板面积0.07m²（直径0.30m）。

碎石土垫层载荷试验，600kPa压力沉降4.33～6.80mm，变形模量26～49MPa。

4.2.2水泥土加强层载荷试验

在


水泥土加强层进行载荷试验，分为两个时间点，即初凝时间和终凝时间。初凝时间，在水泥土加强层碾压完成随即安装试验设备进行试验，试验点数2点；终凝时间，在水泥土加强层碾压完成24小时后安装试验设备进行试验，试验点数4点。

变刚度垫层、600kPa压力沉降：2.40、2.89mm（初凝）、0.72～0.85mm（终凝）；变形模量45、55 MPa（初凝）、154～182 MPa（终凝）.终凝后变形模量显著增加，加强层变形模式为碎石土垫层变形模量的3～4倍。变形模量对比柱状图如下：

4 .3波速试验

波速检测采用SWS—5型工程面波动测仪，整个系统由计算机控制。在变刚度垫层处剪切波速频散曲线呈凸起状，波速值大于450m/s。

波速试验变刚度垫层频散曲线如图：

基础底面压力的分布与基础的刚度、作用于基础上的荷载大小和分布、基础的埋置深度、地基土的力学性质等许多因素有关。在均质地基中，地基附加应力随深度越向下越小。

油罐设计容量1000m³，油罐基础底面积120m²，油罐自身重量45t。本油罐采用筏板基础，地基持力层为碎石土（压实填土）人工地基，可按均质各向同性土体的地基考虑。在基础底增设变刚度垫层，通过水泥的稳定作用，主要靠水泥水化后的产物——水化硅酸钙和水化铁酸钙凝胶以及水化铝酸钙和水化硫铝酸钙晶体等自身的凝结硬化。凝结硬化后形成的水泥石能将松散材料紧紧地黏结在一起，遂产生力学强度；其次是水泥水化后生成的Ca(OH)，与松散材料起稳定其中颗粒骨架的作用，整体提高该垫层的刚度。其附加压力传递加下：

假 设仅考虑双层地基，我们在基底增加设置水泥土加强层（上层），其变形模量高于下部碎石土垫层（下层），其一，相同厚度的垫层，加强层的变形量大于碎石土垫层；其二，因加强层（上层）变形模量大于碎石土垫层（下层）的变形模量，地基附加应力沿荷载中心线下分布发生应力扩散现象，作用在下层碎石土垫层上的附加应力减小，碎石土垫层的变形量减小。那么在基底下一定范围内增加设置加强层，再次将该处的地基附加应力扩散，而地基土由弱到强产生的地基附加应力集中远小于地基附加应力扩散，通过设置多层加强层从而减小整体地基变形。

2021年10月油罐建成后，在油罐内注水，对油罐区人工处理地基进行加载预压，在三个油罐设置12个沉降监测点，沉降值为1～3mm，远远小于常规碎石土垫层的设计要求。

5.结语

在多层地基产生的地基附加应力扩散和集中，与地基土的厚度、变形模量、泊松比等有关。水泥土加强层设计不但要满足建（构）筑物对地基强度和变形的要求，而且也应符合经济合理的原则。

5.1在坚硬的上层与相对软弱的下层中产生的附加应力，其扩散随上层的厚度增大而下层的附加应力扩散显著。但是相对软弱的下层垫层具有一定的强度，根据下层地基强度计算水泥土加强层厚度，保证加强层的经济性、施工便捷性。根据基底压力分布特点，加强层应设置在地基变形计算深度范围内。

5．2由于碎石土的泊松比变化不大，一般取值0.15～0.25，故地基附加应力的扩散主要取决于变形模量的比值E1/E2，调整加强层的变形模量是垫层设计的核心。