换填垫层法

◆2．I．3换填垫层法适用范围

《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002，以下简称地基处理规范)中规定：换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。工程实践表明，换填垫层法主要用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。

换土垫层法的处理深度常控制在3～5 m范围以内。若换土垫层太薄,其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5 m。换填法各种垫层的适用范围见表2.1。

表2.1各种垫层的适用范围 垫层种类 砂垫层（碎石、砂砾） 素土垫层 适用范围 中、小型建设工程的滨、塘、沟等局部处理；软弱土和水下黄土处理（不适用于湿陷性黄土）；也可有条件用于膨胀土地基 中小工程，大面积回填，湿陷性黄土 灰土垫层 中小型工程，膨胀土，尤其湿陷性黄土 粉煤灰垫层 厂房、机场、港区路线和堆场等大、中小型大面积填筑 中小型建筑工程，地坪、堆场等大面积地基处理和场地平整；铁路、道路路基处理 干渣垫层

◆2．2．i垫层的作用

换土垫层处理软土地基，其作用主要体现在以下几个方面： I)提高浅层地基承载力

浅基础的地基承载力与持力层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料代替软弱的土，可提高地基承载力，并将建筑物基础压力扩散到垫层以下的软弱地基避免地基破坏。

2)减少地基的变形量

一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50％。如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其他垫层的应力扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，会相应减少下卧层土的沉降量。

3)加速软土层的排水固结

建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孑L隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。

用透水材料做垫层相当于增设了一层水平排水通道，起到排水作用。在建筑物施工过程中，孔压消散加快，有效应力增加也加快，有利于提高地基承载力，增加地基的稳定性，加速施工进度以及减小建筑物建成后的工后沉降。

4)防止土的冻胀

因粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

5)消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性 对湿陷性黄土、膨胀土或季节性冻土等特殊土，其处理目的主要是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性。

在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣、二灰或灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用，但垫层厚度应依据变形计算确定，一般不少于0.3 m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填。

换土垫层法在处理一般软弱地基时，可起的主要作用为前3种，在某些工程中也可能几种作用同时发挥，如既起提高地基承载力、减小沉降量的作用，也起排水作用。

◆2．2．2土的压实原理 1)土的压实原理

①当黏性土的含水量(以质量分数计，以下同)较小时，水化膜很薄，以结合水为主，颗粒间引力大，在一定的外部压实功作用下，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差，土的于密度较小。

②当增加土的含水量时，结合水膜逐渐增厚，颗粒间引力减弱，土粒在相同的压实功能下易于移动而挤密，压实效果提高，土的干密度也随之提高。

③当土中含水量增大到一定程度后，孔隙中开始出现自由水，结合水膜的扩大作用并不明显，颗粒间引力很弱，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，并随着含水量的继续增大，移动阻力逐渐增大，压实效果反而下降，土的干密度随之减少。

2)最优含水量

工程实践表明，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。对过湿的土进行碾压会出现“橡皮土”，不能增大土的密实度；对很干的土进行碾压，也不能把土充分压实。这说明填土的压实存在最优含水量的问题。

工程上，对垫层碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度?dmax，一般可通过室内击实试验确定?dmax。

在标准击实方法条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，可绘制出土的干密度(?d)和制备土样含水量(w)之间的关系曲线，在该曲线上干密度?dmax的峰值为最大干密度?d，与之对应的制备土样含水量为最优含水量叫wop，如图2.1所示。从图中曲线分析看出，对于饱和土(Sr=100％)的理论曲线高于制备土样的试验瞳线，这是因为理论曲线假定土中孔隙完全被水充满，无空气存在，但实际土样中的空气不可能被完全排出，故实际土样的干密度小于理论值。

不同土样，其击实试验效果是不同的，黏粒含量多的土，因土粒问的引力较大，只有在较大含水量时才可达到最大干密度的压实状态，如黏土的wop大于粗砂的埘wop。

如果改变压实功能，曲线形态基本不变，但曲线位置会发生移动，如图2.2所示。一般在加大击实功能时，最大干密度?dmax将增大，最优含水量wop却减少。这说明压实功能愈大，愈容易克服土颗粒之间的引力，使之在较低含水量时达到更大的密实程度。

图2．1砂土和黏土的压实曲线 图2．2现场碾压与室内击实试验的比较 a一碾压6遍；b一碾压12遍； c一碾压24遍；d一室内击实试验

由于现场施工的土料土块大小不均，含水量和铺填厚度又很难控制均匀，其压实效果要比室内击实试验差。因此，对于现场土的压实，以压实系数?c(土的控制干密度?d与最大干密度?dmax之比)和施工含水量w＝wop±(2％－3％)来控制填土的工程质量。压实系数计算公式为：

?c??d/?dmax (2.1)

?dmax??wds1?0.01wopds3

(2.2)

式中 ?d——现场土的实际控制干密度，g/cm；

?dmax——土的最大干密度，g/cm3； ?w——水的密度，可取?w=1.0 g/cm3；

ds——土粒相对密度；

wop——土的最优含水量。

垫层的压实标准按地基处理规范执行，具体参见表2.3。 设计计算

垫层的设计内容主要包括垫层厚度和宽度两方面，要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，有足够的宽度防止砂垫层向两侧挤出。主要起排水作用的砂(石)垫层，一般厚度要求30 cm，并需在基底下形成一个排水面，以保证地基土排水路径的畅通，促进软弱土层的固结，从而提高地基强度。

◆2．3．1垫层的厚度确定

图2．3垫层内应力分布

如图2．3所示，垫层厚度z应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合式(2.3)要求：

pz?pcz?faz (2.3) 式中 pz——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值，kPa；

pcz——垫层底面处土自重压力值，kPa；

faz——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。 垫层底面处的附加压力设计值pz见可按压力扩散角?进行简化计算：

条形基础

pz?b(pk?pc)b?2ztan? (2.4)

矩形基础 pz?bl(pk?pc) (2.5)

(b?2ztan?)?(l?2ztan?)式中 b——矩形基础或条形基础底面的宽度，m； l——矩形基础底面的长度，m；

pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值，kPa； pc——基础底面处土的自重压力值，kPa； z——基础底面下垫层厚度，m；

?——垫层的压力扩散角(o)，宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表2.2选用。 地基处理规范规定，换填垫层的厚度不宜小于0.5 m，也不宜大于3 m。

表2.2压力扩散角 换填材料 中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、粉质黏土娄、粉煤灰 卵石、碎石、矿渣 z/b 0.25 ≥0.50 灰土 28 20 30 006 23 注：①当z/b<0.25时，除灰土取?=28外，其余材料均取?=0，必要时，宜由试验确定。

②当0.25

◆2．3．2垫层的宽度确定

垫层底面的宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则确定，可按式(2.6)计算或根据当地经验确定。

b'?b?2ztan? (2.6) 式中 b'——垫层底面宽度，m；

?——压力扩散角((o)，可按表2.2选取，当z／b<0.25时，仍按z／b=0.25取值。 垫层顶面每边宜比基础底面大0.3 m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡，整片垫层的宽度可根据施工要求适当加宽。

◆2．3．3垫层承载力的确定

垫层承载力宜通过现场载荷试验确定。当无试验资料时，可按表2.3选用，并应进行下卧层承载力验算。

表2.3各种垫层的承载力

承载力特征值施工方法 碎石卵石 砂夹石其中碎石卵石占全重的30%~50% 土夹石其中碎石卵石占全重的30%~50% 中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾 碾压、振密或重锤夯实 粉质黏土 灰 土 粉煤灰 石 屑 矿 渣 0.93～0.95 0.90～0.95 0.94～0.97 — 0.94～0.97 换真材料类别 压实系数?c fak/kPa 200～300 200～250 150～200 150～200 130～180 200～250 120～150 150～200 200～300 注：①压实系数小的垫层，承载力标准值取低值，反之取高值；原状矿渣垫层取低值，分级矿渣或混合矿

渣垫层取高值。

②采用轻型击实试验时，压实系数?c宜取高值；采用重型击实试验时，压实系数?c宜取低值。重锤夯实土的承载力标准值取低值，灰土取高值。

③矿渣垫层的压实指标为最后两遍压实的压陷差小于2 mm。

④压实系数?c，为土控制干密度?d与最大干密度?dmax的比值，土的最大干密度宜采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取(2.0～2.2)×10kg/m。

3

3

◆2．3．5垫层材料的选用

1)砂石

砂石垫层材料宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2 mm的部分不应超过总重的45％)，且级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质，其含泥量不应超过5％。当使用粉细砂或石粉(粒径小于0.075 mm的部分不超过总重的9％)时，应掺入不少于总重30％的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。

2)粉质黏土

粉质黏土中有机质含量不得超过5％，不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质黏土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。

3)灰土

灰土体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质黏土，不宜使用块状黏土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。

4)粉煤灰

粉煤灰可用于道路、堆场，以及小型建筑、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.3～0.5 m。粉煤灰垫层中采用掺加剂时，应通过试验确定其性能及适用条件。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采取适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。

5)矿渣

垫层矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于

3

堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑、构筑物地基。矿渣的松散重度不小于11kN／m，

有机质及含泥总量不超过5％。设计、施工前必须对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符合安全规定后方可使用。作为建筑物垫层的矿渣应符合放射性安全标准的要求。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的环境影响。

6)其他工业废渣

在有可靠试验结果或成功工程经验时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等亦可用于填筑换填垫层。工业废渣的粒径、级配和施工工艺等应通过试验确定。

7)土工合成材料

由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。土工合成材料的品种、性能及填料的土类应根据工程特性和地基土条件，按照《土工合成材料应用技术规范》(GB 50290—1998)的要求，通过设计并进行现场试验后确定。

作为加筋的土工合成材料应采用抗拉强度较高，受力时伸长率不大于4％～5％，耐久性好，抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工垫或土工织物等土工合成材料。垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质黏土等材料。当工程要求垫层具有排水功能时，垫层材料应具有良好的透水性。在软土地基上使用加筋垫层时，应保证建筑稳定并满足允许变形的要求。

施工技术

◆2．4．1施工方法

按密实方法和施工机械，换填垫层法有机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法。垫层施 工应根据不同的换填材料选择施工机械。 1)机械碾压法

机械碾压法是采用各种压实机械来压实地基土的密实方法。此法常用于基坑底面积宽 大开挖土方量较大的工程。

机械碾压法的施工设备有平碾、振动碾、羊足碾、振动压实机、蛙式夯、插入式振动器和平板振动器等。一般粉质黏土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾；中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯；砂石等宜用振动碾；粉煤灰宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯；矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。

工程实践中，对垫层碾压质量的检验，要求获得填土最大干密度。其关键在于施工时控 制每层的铺设厚度和最优含水量，其最大干密度和最优含水量宜采用击实试验确定。所有施 工参数(如施工机械、铺填厚度、碾压遍数与填筑含水量等)都必须由工地试验确定。由于现 场条件与室内试验不同，因而对现场试验应以压实系数?c与施工含水量进行控制。不具备 试验条件的场合，可按表2.4选用垫层的每层铺填厚度及压实遍数。

表2.4 垫层的每层铺填厚度及压实遍数 施工设备 平碾 羊足碾516 蛙式夯200kg 振动碾815 振动压力机2t,振动力98KN 插入式振动器 平板振动器 每层铺填厚度/mm 200～300 200～350 200～250 600～1300 1200～1500 200～500 150～250 压实遍数 6～8 8～16 3～4 6～8 1～0 — —

为获得最佳夯压效果，宜采用垫层材料的最优含水量wop作为施工控制含水量。对于粉质黏土和灰土，现场可控制在最优含水量wop±2％的范围内；当使用振动碾压时，可适当放宽下限范围值，即控制在最优含水量wop的一6％～+2％的范围内。

最优含水量可按《土工试验方法标准》(GB／T 50123--1999)中轻型击实试验的要求求 得。在缺乏试验资料时，也可近似取0.6倍液限值，或按照经验采用塑限wp±2％的范围值作为施工含水量的控制值。粉煤灰垫层不应采用浸水饱和施工法，其施工含水量应控制在最优含水量wop±4％范围内。若土料湿度过大或过小，应分别予以晾晒、翻松、掺加吸水材料或洒水湿润以调整土料的含水量。

为了保证有效压实深度，机械碾压速度控制范围为：平碾为2 km／h，羊足碾3 km／h，振动碾2 km／h，振动压实机0.5 km／h。 2)重锤夯实法

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