李卓衡 孔德國(guó) 云南建筑科學(xué)研究院有限公司

1 前言

伴隨我國(guó)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，建筑工程的數(shù)量在不斷提升，工程數(shù)量提升的同時(shí)也要求工程質(zhì)量必須得到保證，工程質(zhì)量關(guān)系到人們的生命財(cái)產(chǎn)安全，所以需要對(duì)工程質(zhì)量予以高度重視。萬(wàn)丈高樓平地起，地基對(duì)于建筑工程而言意義重大，地基的穩(wěn)固性既關(guān)系到建筑工程的質(zhì)量，又關(guān)系到建筑工程的安全性，所以需要采取有效的技術(shù)方法檢測(cè)地基的施工質(zhì)量。在建筑工程中，地基屬于持力層，在建筑工程結(jié)構(gòu)中居于重要地位，而地基質(zhì)量如何，需要依據(jù)相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。壓實(shí)度便是關(guān)鍵性指標(biāo)，若地基壓實(shí)度不足，會(huì)導(dǎo)致建筑整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性受到影響，使建筑工程的使用壽命及工程質(zhì)量受到影響。當(dāng)前對(duì)建筑工程地基項(xiàng)目開(kāi)展壓實(shí)度檢測(cè)的主要技術(shù)方法包括環(huán)刀法、灌砂法以及核子密度技術(shù)，其中最為常用的便是灌砂法，其具有快速檢測(cè)、準(zhǔn)確度高、檢測(cè)全面等突出優(yōu)勢(shì)[1]，目前已廣泛應(yīng)用于道路工程路基壓實(shí)度檢測(cè)方面。本文將結(jié)合具體實(shí)例對(duì)灌砂法在建筑工程中的應(yīng)用展開(kāi)探討。

2 灌砂法概述

2.1 主要原理

房建工程中灌砂法主要是采用粒徑在0.25mm～0.5mm的砂進(jìn)行試驗(yàn)，所用砂必須保證干凈、均勻，將事先準(zhǔn)備好的砂從特定高度自上至下自由落入預(yù)先挖好的試驗(yàn)孔洞中，通過(guò)質(zhì)量不變?cè)頊y(cè)量試驗(yàn)孔洞體積[2]，事實(shí)上，灌砂法便是采用標(biāo)準(zhǔn)砂石置換試驗(yàn)孔洞中的骨料，然后依據(jù)骨料中的含水量，推算試驗(yàn)樣本實(shí)際測(cè)量的干密度，從而得出實(shí)際測(cè)量結(jié)果。

2.2 操作步驟

灌砂法操作是在灌水法試驗(yàn)方法的基礎(chǔ)上開(kāi)展的，操作步驟見(jiàn)圖1所示。

從圖1 中可以了解到，灌砂法在開(kāi)展前，必須做好充分的準(zhǔn)備工作，例如，挖坑工作、標(biāo)準(zhǔn)砂準(zhǔn)備工作等，灌砂法對(duì)于前期準(zhǔn)備工作的要求非常嚴(yán)格，尤其是現(xiàn)場(chǎng)檢定所使用的砂，必須保證其粒徑在0.3mm～0.6mm 之間，并將其處理干凈，以免影響檢測(cè)的準(zhǔn)確性，避免檢測(cè)結(jié)果出現(xiàn)誤差。在操作過(guò)程中還應(yīng)該注意細(xì)節(jié)，例如，注砂時(shí)不要出現(xiàn)震動(dòng)，關(guān)閉閥門時(shí)要緊閉，避免出現(xiàn)漏砂問(wèn)題，從而影響檢測(cè)準(zhǔn)確度；在計(jì)算密度及干密度時(shí)，應(yīng)該先計(jì)算標(biāo)定罐的容積及標(biāo)準(zhǔn)砂的密度，計(jì)算公式如下[3]：

圖1 灌砂法的操作步驟

式中，VR代表容砂瓶容積；MR2代表漏斗、容砂瓶以及誰(shuí)的總體質(zhì)量；MR1代表容砂瓶以及漏斗的質(zhì)量；PWR代表不同水溫時(shí)對(duì)應(yīng)的密度；PS代表標(biāo)準(zhǔn)砂密度；MRS代表漏斗、容砂瓶以及標(biāo)準(zhǔn)砂的總體質(zhì)量。

根據(jù)式（1）和式（2）可以得出試樣的密度和干密度計(jì)算公式，其計(jì)算公式如下：

式中，ρ0代表試樣密度（g/cm3）；MP代表試坑試樣的質(zhì)量（g）；MS代表注滿砂石的試坑所使用標(biāo)準(zhǔn)砂質(zhì)量（g）；ρd代表試樣干密度（g/cm3）；ω代表試樣含水率（%）。

在本研究中，所使用的裝砂容器為灌砂筒，通過(guò)上述方法能夠?qū)⒃嚇拥拿芏燃案擅芏扔?jì)算得出，從而實(shí)現(xiàn)灌砂法測(cè)量的目的。

3 灌砂法在建筑工程檢測(cè)中的具體應(yīng)用

在開(kāi)展建筑工程施工中建筑工程容易受到地質(zhì)災(zāi)害影響，且我國(guó)很多地區(qū)的地質(zhì)條件較差，尤其是軟土地質(zhì)條件或者是地質(zhì)比較疏松的地區(qū)，在開(kāi)展地基工程時(shí)，因地質(zhì)疏松導(dǎo)致易變性，所以對(duì)地基底層需要加固處理。常用的處理方法包括換填法、強(qiáng)夯法等，雖然這些壓實(shí)方法對(duì)于地基底層處理均比較有效，但仍需要檢測(cè)地基施工的壓實(shí)度。從上述內(nèi)容可以了解到，灌砂法是檢測(cè)壓實(shí)度的一種常用方法，所以灌砂法在建筑工程中的應(yīng)用具有一定的意義，灌砂法在建筑工程中的具體應(yīng)用體現(xiàn)在以下幾方面。

3.1 可用于提升地基承載力

通常來(lái)講，地基抗剪強(qiáng)度同地基承載力之間存在密切聯(lián)系，針對(duì)軟弱地基采用砂石換填，砂石換填一般是對(duì)軟土地基進(jìn)行開(kāi)挖，使之挖至一定深度，然后將預(yù)先準(zhǔn)備好的砂石料填充進(jìn)去，使砂石料取代原來(lái)的軟弱土，通過(guò)砂石換填能夠提升地基承載力，并且還能夠降低地基變形特性，從而使基層承載的要求得以達(dá)成。但實(shí)際選擇的砂石料，應(yīng)該通過(guò)試驗(yàn)的方式來(lái)確定，綜合考量填料成本及施工成本，保證既能夠滿足地基承載力提升的要求，又能夠降低施工成本，所以可以采用灌砂法進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)確定需要填充的密度和工程量，保證地基承載力能夠滿足實(shí)際建筑需求。

3.2 可用于減輕建筑物沉降產(chǎn)生的破壞

從上述內(nèi)容可以了解到，采用砂石換填的方法提升軟土地基的承載力，需要保證砂石量和填充密度達(dá)到一定要求。通過(guò)灌砂法能夠科學(xué)計(jì)算出砂石使用量以及填充密度，使建筑地基持力層能夠保持均勻狀態(tài)，有效避免建筑物因持力層存在不均勻所致沉降裂縫和結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題，使建筑物的整體性得到保護(hù)，這主要是因?yàn)樵诓捎霉嗌胺ǖ幕A(chǔ)上，能夠使砂石均勻分布，保證墊層整體結(jié)構(gòu)趨于均勻化，從而提升了地基承載力，并且有效提升地基抗變形能力[4]。同時(shí)，基于灌砂法試驗(yàn)檢測(cè)能夠確定地基的壓實(shí)度，對(duì)于建筑物沉降問(wèn)題也能夠提供有效保障，避免因建筑物沉降造成建筑物整體受到破壞。

3.3 可用于地基排水固結(jié)

在灌砂法的作用下可確定砂石填充量及密度，在保證砂石填充量以及密度合理的條件下，不僅可以保證地基壓實(shí)度，而且通過(guò)砂石換填還有利于地下排水。主要是因?yàn)榻ㄖこ痰鼗路降牡叵滤惠^淺，當(dāng)?shù)鼗浲潦艿叵滤饔孟潞苋菀壮霈F(xiàn)塑性破壞，通過(guò)砂石換填能夠?qū)④浲撂鎿Q，換填后的砂石具有較好的透水性、排水性和導(dǎo)水性，可當(dāng)作建筑地基下方的排水通道，從而有利于地基下方出現(xiàn)的地下水從砂石孔隙中較快的排出[5]，地下水的滯留和侵蝕一旦得以控制，會(huì)使地基得到有效保護(hù)，并且還能夠促使建筑地基下方軟土層固結(jié)，從而保證建筑整體的穩(wěn)定性。

4 案例分析

從上述內(nèi)容中了解到，灌砂法在建筑工程檢測(cè)中發(fā)揮重要的作用，也是砂石換填法提升地基承載力的重要保障，總體來(lái)講，灌砂法在建筑工程檢測(cè)中的應(yīng)用，主要是檢測(cè)地基壓實(shí)度，并為砂石換填法的應(yīng)用提供數(shù)據(jù)依據(jù)，為了進(jìn)一步探討灌砂法在實(shí)際工程中的應(yīng)用，本文以實(shí)際案例探究該方法的應(yīng)用。

4.1 工程概況

國(guó)內(nèi)某市養(yǎng)老院建設(shè)項(xiàng)目在該市的市郊區(qū)域，處于該市的南部地區(qū)，與該市附近河流靠近，建筑場(chǎng)地原屬于洗砂場(chǎng)，且該場(chǎng)地部分地區(qū)屬于洗砂場(chǎng)取砂回填區(qū)域，地勢(shì)南高北低，通過(guò)地質(zhì)勘察結(jié)果得出：該區(qū)域地基表層土屬于素填土，是由人為的方式堆積形成，地基表層下方是由第四系沖洪積作用下形成的卵石和粉土，在卵石層中還包含礫砂、圓礫以及中砂等亞層構(gòu)成，具體地質(zhì)特征見(jiàn)表1所示。

表1 養(yǎng)老院建設(shè)項(xiàng)目地質(zhì)特征

從表1中可以觀察到，該工程所處地理位置的地質(zhì)條件較差，在開(kāi)展地基工程施工時(shí)，因地表素填土層的結(jié)構(gòu)疏松，且粉土層軟弱，所以需要采取措施對(duì)地基原土進(jìn)行換填，基于砂石換填法的優(yōu)勢(shì)，可以采取此法，但換填前的砂石使用量及密度計(jì)算以及換填后的壓實(shí)度檢測(cè)，需要采用灌砂法進(jìn)行，具體需要采用試驗(yàn)的方法解決這些計(jì)算和檢測(cè)問(wèn)題。

4.2 灌砂法試驗(yàn)內(nèi)容

首先取自來(lái)水裝入標(biāo)定罐之中，對(duì)標(biāo)定罐的體積（V）進(jìn)行測(cè)量，將預(yù)先選好的砂置入儲(chǔ)砂桶之中，儲(chǔ)砂質(zhì)量設(shè)為m1，然后將灌砂筒置入到標(biāo)定罐的上方，將開(kāi)關(guān)裝置打開(kāi)，使砂從中流出，流至灌砂筒內(nèi)無(wú)砂流出為止，然后將開(kāi)關(guān)關(guān)閉，灌砂筒內(nèi)余砂質(zhì)量，將其設(shè)定為m3，將灌砂筒下椎體內(nèi)部砂質(zhì)量設(shè)定為m2，則可得出標(biāo)定罐填滿狀態(tài)下所需砂質(zhì)量m，即：

根據(jù)計(jì)算結(jié)果可繼而計(jì)算砂單位質(zhì)量ρ，即：

取平坦表面，將帶孔基板放于其上，將帶砂灌砂筒放置于基板孔的正上方，砂質(zhì)量記為m5，然后將開(kāi)關(guān)裝置打開(kāi)，使筒內(nèi)砂通過(guò)基板孔流出，直至停止流出為止，然后將開(kāi)關(guān)裝置關(guān)閉，幾個(gè)灌砂筒取下，并將筒內(nèi)砂質(zhì)量進(jìn)行稱量，將稱量結(jié)果記為m6，完成上述操作后清掃地面，將基板重新放置原來(lái)位置，進(jìn)行取樣，為了避免取得樣本在空氣中出現(xiàn)水分蒸發(fā)，特將其放置在密閉塑料袋之中，從樣品之中選出代表性材料，并測(cè)量其含水率（ω），然后將基板置于試坑的上方，在基本正中間防止灌砂筒，使灌砂筒中的砂通過(guò)基板孔流至試坑之中，直至砂不再流出為止，然后關(guān)閉開(kāi)關(guān)裝置，將灌砂筒取走，對(duì)灌砂筒內(nèi)部余砂質(zhì)量稱量，記為m4，則可計(jì)算室內(nèi)填滿所使用的砂質(zhì)量m`。

根據(jù)式（3）和式（4）可計(jì)算出材料密度及干密度，材料的壓實(shí)度可以利用干密度值計(jì)算得出，即：

其中，K為材料壓實(shí)度；ρd為材料干密度；ρc為試驗(yàn)獲取的試樣最大干密度；ρs為量砂單位質(zhì)量。

4.3 灌砂法試驗(yàn)結(jié)果。

本次試驗(yàn)研究所選取的取樣部位共計(jì)10 層，通過(guò)計(jì)算得出各層砂石換填材料的含水率、干密度，并根據(jù)壓實(shí)度計(jì)算公式算出了壓實(shí)系數(shù)，通過(guò)對(duì)這些數(shù)據(jù)記性歸集統(tǒng)計(jì)得出，本次試驗(yàn)研究結(jié)果見(jiàn)表2所示。

表2 灌砂法試驗(yàn)得出的結(jié)果統(tǒng)計(jì)

從表2中可以觀察到，從第一層～第十層，其砂石換填材料的含水率在持續(xù)降低，這說(shuō)明砂石換填的層數(shù)與材料含水率之間存在負(fù)相關(guān)的關(guān)系。之所以產(chǎn)生這種情況，主要是因?yàn)樯笆靥畈牧吓c天然土相比，其含水率比較高，同時(shí)受到室外溫度影響，所以會(huì)導(dǎo)致層數(shù)增加的過(guò)程中，含水率會(huì)隨之降低；伴隨含水率的降低，填料的壓實(shí)度也會(huì)隨之降低，這主要是因?yàn)樯笆靥盍系暮室坏┙档?，?huì)導(dǎo)致砂石回填料縫隙之間產(chǎn)生更大的摩擦阻力，從而導(dǎo)致砂石回填料的壓實(shí)度得以降低，若砂石回填料的含水率比較高，則水能夠在使回填料顆粒間發(fā)揮潤(rùn)滑作用，導(dǎo)致砂石回填料的壓實(shí)度得以提升，而干密度與含水率之間是負(fù)相關(guān)的關(guān)系，所以當(dāng)砂石回填料的含水率歲層數(shù)增加而降低時(shí)，干密度反而會(huì)升高。

4.4 試驗(yàn)結(jié)果討論

通過(guò)以上試驗(yàn)結(jié)果得知，灌砂法不僅能夠計(jì)算出材料含水率、密度及干密度，而且還能夠計(jì)算出壓實(shí)系數(shù)，根據(jù)壓實(shí)系數(shù)判斷砂石回填材料的壓實(shí)度，對(duì)于提升地基回填質(zhì)量具有重要意義，通過(guò)質(zhì)量及密度計(jì)算也能夠?yàn)閷?shí)際工程量設(shè)計(jì)提供一定的支持。由此可見(jiàn)，灌砂法可以作為建筑工程檢測(cè)工作的可行方法，但在實(shí)際應(yīng)用的過(guò)程中，還應(yīng)該注意所用材料設(shè)備的預(yù)先準(zhǔn)備，保證材料設(shè)備能夠滿足實(shí)際檢測(cè)要求，使檢測(cè)的準(zhǔn)確度和有效性得到提升。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，通過(guò)實(shí)際工程案例開(kāi)展的試驗(yàn)研究可知，伴隨砂石換填層數(shù)的逐漸增加，材料含水率在不斷降低，導(dǎo)致壓實(shí)度也不斷降低，這說(shuō)明砂石換填法對(duì)于軟弱地基土層處理具有重要作用。而本文研究的灌砂法則是這種地基處理技術(shù)，能夠有效檢測(cè)建筑工程地基壓實(shí)度，可指導(dǎo)建筑工程地基回填壓實(shí)工作，從而有效控制壓實(shí)度，保證地基施工質(zhì)量，提升建筑工程整體質(zhì)量和安全性。