換填墊層下地基變形量的計算分析

□畢程敏

在工程設(shè)計中，當基礎(chǔ)底下有軟土層時且厚度小于3m時，經(jīng)常采用換填墊層法進行處理，一般適用于淺層軟弱土層或不均勻土層的地基處理，換填厚度一般為0.5m～3.0m。但在換填后對于基礎(chǔ)底面以下土層的地基變形量如何計算，是采用應力擴散結(jié)合分層總和法還是分層總和法。此文結(jié)合例題進行分析、討論，可為相關(guān)工程設(shè)計提供一定參考和借鑒。

1.基本情況

某泵房附屬建筑物采用混凝土條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)寬度2m，埋深1.5m。土層分布如下：

地面以下0～3.5m：淤泥質(zhì)土，重度γ為17kN/m3，地基承載力fak為80kPa，壓 縮 模 量Es為2MPa；3.5～7.5m：黏性土，重度γ為19kN/m3，地基承載力fak為150kPa，壓縮模量Es為5MPa，以下為不可壓縮層，不考慮其沉降量。

采用換填墊層法進行地基處理，砂石墊層厚度2m，墊層厚度、寬度和壓實度均滿足規(guī)范要求，基礎(chǔ)兩側(cè)回填土滿足要求?；A(chǔ)底面處相應荷載效應準永久組合的附加應力為150kPa，試計算基底下黏性土的地基變形量（沉降系數(shù)取1.0）。計算斷面示意圖如圖1所示（基礎(chǔ)簡化，圖中單位為m）。

方法一：采用應力擴散法計算墊層底的附加應力，將擴散后的墊層寬度作為基底，對下層黏性土采用分層總和法進行變形量計算。

方法二：將墊層和黏性土作為地基，利用平均附加應力系數(shù)法，采用分層總和法對黏性土進行變形量計算。

圖1 計算斷面示意圖

2.計算方法一

換填墊層厚度z=2m，基礎(chǔ)寬度b=2m，z/b=1>0.50，查表得知應力擴散角θ=30°,則墊層底部附加應力pz：

擴散后墊層寬度為：

此時計算下層黏性土的變形量，變形計算深度為z=7.5-3.5=4.0m，z/(b’/2)=1.86>0.50，條形基礎(chǔ)L/(b’/2)>10，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）附錄表K.0.1-2，內(nèi)插得到平均附加應力系數(shù)為0.2064。則地基黏性土變形量為：

3.計算方法二

基礎(chǔ)底面下附加應力為150kPa，把墊層看成第一層土，黏性土看成第二層土，則計算黏性土的變形量：

墊層變形計算深度為z=2.0m，z/(b/2)=2>0.50，條形基礎(chǔ)L/(b/2)>10，查得平均附加應力系數(shù)為0.2018；

黏性土變形計算深度為z=7.5-1.5=6.0m，z/(b/2)=6>0.50，條形基礎(chǔ)L/(b/2)>10，查得平均附加應力系數(shù)為0.1216；則地基黏性土變形量為：

4.兩種方法比較分析

經(jīng)比較，兩種計算方法結(jié)果不同，具體分析如下：

平均附加應力系數(shù)的定義是指從基底下某點至地基任意深度z范圍內(nèi)的附加應力面積A對基底附加應力p0與地基深度z的乘積的比值α=A/(P0Z)。其前提假設(shè)為地基土是均質(zhì)的，地基土的壓縮模量是不變的。題中將基礎(chǔ)下淤泥質(zhì)土改為換填墊層，其壓縮模量很大與現(xiàn)狀地基土已不在一個土性范圍內(nèi)，不符合分層總和法的計算前提條件：地基為均質(zhì)土的要求，故按方法二計算是錯誤的。

圖2 土層沉降計算成果圖

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（GB50007-2011）確定的計算分層總和法的案例，其基底下各層地基土均為壓縮模量相差不大的地基土時才能符合均質(zhì)土的假定，換填墊層法一方面提高了承載力，另一方面在滿足其壓實度要求時，本身沉降可忽略不計，這也符合規(guī)范《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-2012）4.2.7的要求：換填墊層在滿足規(guī)范4.2.2～4.2.4條要求的條件下，墊層地基的變形可僅考慮其下臥層的變形量。

所以，本題應按方法一計算黏土層的地基變形量，對墊層本身壓縮量可利用其上下附加應力平均值與厚度的乘積再除以其壓縮模量進行計算，因其值很小可忽略不計。

同時，為了進一步驗證，采用邁達斯GTSNX軟件建模對基礎(chǔ)底下土層進行變形量計算，基礎(chǔ)寬度、土層參數(shù)及邊界條件均一致，計算結(jié)果見圖2。

通過圖2可知，黏性土層的變形量為46.12mm，與采用方法一計算結(jié)果45.98mm基本一致，墊層變形很小，約為4mm，說明采用換填墊層法處理地基后，地基的變形量主要在下層地基土中，而其變形量應先用應力擴散法計算附加應力，再利用分層總和法計算其變形量。

5.結(jié)論

通過對以上例題采用兩種方法進行計算分析，并結(jié)合軟件建模進行了驗證，說明對于工程中采用換填墊層法處理地基，墊層以下地基土的變形量應按照應力擴散法計算，即采用應力擴散法計算墊層底的附加應力pz，將擴散后的墊層寬度b′作為基底，對下層地基土再采用分層總和法計算變形量。在實際工作中，我們不能脫離理論分析計算，要明白公式的適用條件，這樣才能有利于具體工程設(shè)計，對實際工程起到一定的輔助作用。