宝典02水利工程地基处理垫层

1、合肥工业大学土木与水利工程学院第一节 垫层的作用及适用范围 又称换填法，是浅层处理方法一、垫层处理概念： 当软弱（缺陷）土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱（缺陷）土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱（缺陷）土层部分或全部挖去，然后换填密度大、压缩性低、强度高、水稳性好的天然或人工材料,并分层夯 (振、压)实至要求的密实度,达到改善地基应力分布、提高地基稳定性和减少地基沉降的目的，这种地基处理方法称为垫层处理,也叫换填法。第二章 垫层处理replacement method二、处理对象：软土软土垫层垫层第一节 垫层的作用及适用范围 淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀

2、土、杂填土地基三、垫层材料： 砂砾土、碎（卵）石土、灰土、素土（壤土）、中砂、粗砂、矿渣等四、分类： 按回填不同材料形成的垫层(cushion)进行分类，如砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、矿渣垫层、粉煤灰垫层等。五、换填法加固机理： 换填法的加固原理是据土中附加应力分布规律，让垫层承受上部较大的应力，软弱层承担较小的应力，以满足设计对地基的要求。第一节 垫层的作用及适用范围六、垫层的作用：1、提高持力层的承载力 通过扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小。2、减少沉降量 一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。如条形基础，在相当于基础宽度深度范围内的沉降量约占总

3、沉降的50%左右，如以密实砂代替软弱土层，就可减少这部分沉降。由于砂垫层或其它垫屋对应力的扩散作用，使作用在下卧层土的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。第一节 垫层的作用及适用范围六、垫层的作用：3、加速较弱土层的排水固结 不透水基础直接与软弱上层相接触时，在荷载的作用下，软弱土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，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度。第一节 垫层的作用及适用范围六、垫

4、层的作用：4、防止冻胀 因为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的冰所造成的冻胀，垫层应满足当地冻结深度的要求。5、消除膨胀土的胀缩作用第一节 垫层的作用及适用范围七、换填法适用范围： 规范表述：适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。 课本表述：适用于淤泥、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。 分类及适用范围见表2-1。第一节 垫层的作用及适用范围表2-1 换土的适用范围 换土种类 适 用 范 围 砂石（砂砾、碎卵石） 垫层 适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理；不宜用于湿陷性黄土地基，也不适宜用于大面积堆载、密集基础和

5、动力基础的软土地基处理；可有条件地用于膨胀土地基；砂垫层不宜用于有地下水且流速快、流量大的地基处理；不宜采用粉细砂作垫层 土垫层 素土垫层 适用于中小型工程及大面积回填、湿陷性黄土地基的处理 灰土垫层 适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地基的处理，也可用于膨胀土地基处理 粉煤灰垫层 用于厂房、机场、港区陆域和堆场等大、中、小型工程的大面积填筑，粉煤灰垫层在地下水位以下时，其强度降低幅度在30左右 矿渣垫层 用于中小型建筑工程，尤其适用于地坪、堆场等工程大面积的地基处理和场地平整，铁路、道路地基等；但不得用于受酸性或碱性废水影响的地基处理 八、讨论：1、大面积填土设计按照建筑地基基础设计规范

6、（gb50007-2002）设计2、处理深度3m左右，不小于0.5m3、不同垫层可按照砂垫层设计4、换填法的“压实”与“固结”的不同本节完第一节 垫层的作用及适用范围1、查明地层土性及不良地质2、查明处理场地的地形、地质构造及物理力学性质3、查明地下水情况4、查明地下管线、障碍物等5、查明换填土料的来源、种类、规格、价格等 根据工程地质、建筑要求、材料来源等进行综合比较，提出合理的换填方案，尤其需提供换填土料的最优含水量、最大干密度、压实系数、施工机械、碾压要求、监理标准等施工参数。本节完第二节 勘察和调查一、土的压实机理(compaction mechanics)：1、含水量小时2、含水量增

7、大时，最优含水量3、含水量继续增大第三节 土的压实机理wopcab二、室内击实试验(compaction test)： 垫层施工质量检验控制需要得到最大干密度，可通过击实试验得到。(一)、击实试验1、土料风(烘)干、搅拌均匀2、测土料含水量，按塑限估计最优含水量，依次相差2%计算每份土料需水量3、制备预定含水量的试样第三节 土的压实机理二、室内击实试验(compaction test)：第三节 土的压实机理(一)、击实试验4、按标准方法击实土样修整土样推出土样5、从击实后的土样中取出土测含水量、干密度6、绘出击实曲线7、求出最大干密度和最优含水量二、室内击实试验(compaction test

8、)：(二)、压实功能与最大干密度、最优含水量关系 压实功能增大更易克服粒间吸引力，故干密度更大第三节 土的压实机理二、室内击实试验(compaction test)：第三节 土的压实机理(三)、土性与最大干密度、最优含水量关系 粘粒越多颗粒间引力越大，相同压实功能下，只有较大含水量下才能达到更大干密度。三、现场压实控制：(一)、击实试验与现场压实的差别1、有无侧向约束2、土料颗粒级配等差别第三节 土的压实机理三、现场压实控制：(二)、现场控制参数1、压实系数：即压实度，c= d/dmax2、施工含水量：最优含水量/2%3、碾压遍数：达到设计的压实度时的碾压遍数本节完第三节 土的压实机理一、砂(

9、砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计： 对砂垫层的设计，既要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤出。 设计时需要确定垫层的厚度、宽度、承载力和沉降量。第四节 砂(砂石、碎石)垫层一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定1、基本要求： 满足承载力和变形要求2、计算公式： 当下卧土层的承载力确定时，应满足下式(2-1):pz-垫层底面处的附加压力值pcz垫层底面处土的自重压力faz经深度修正后垫层底面处软弱下卧层的地基承载力第四节 砂(砂石、碎石)垫层zzazcppfpzpcz一、砂(砂石、碎石)

10、垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求pz：a. 垫层底面处的附加压力值pz可按压力扩散角法进行简化计算:第四节 砂(砂石、碎石)垫层()2kczb pppbztg()(2)(2)kczbl pppbztglztg条形基础(2-2)矩形基础(2-3)b回填土回填土其中：b、l 矩形基础地面的宽和长一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求pz：b. pk为基础底面的平均压力，为上部结构荷载(地表面以上)和基础底面以上基础及土的自重：第四节 砂(砂石、碎石)垫层b回填土回填土abdfpgk

11、fdd- 为基础埋深gg-为基础及基础上土的平均有效容重(即：有地下水应扣浮力)一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求pz：c. pc为基础底面处原地基土的自重压力(若有地下水则水下用浮容重)：第四节 砂(砂石、碎石)垫层b回填土回填土21ddpcd-为地下水以上原地基土湿容重d1d2-为地下水以下原地基土浮容重一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求pz：d. 可以看出，式(2-2)(2-3)中的pk -pc的实际上为考虑了土回弹后的基底净压力。pz 为净压力扩散

12、后在垫层底面形成的附加应力第四节 砂(砂石、碎石)垫层b回填土回填土dd1d2pk -pcpz一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(1)求pz：e. 垫层的压力扩散角取值第四节 砂(砂石、碎石)垫层b回填土第四节 砂(砂石、碎石)垫层一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(2)求pcz：垫层底面处土的自重压力值：按原地基处土的自重压力计算，地下水位以下采用浮容重。第四节 砂(砂石、碎石)垫层b回填土回填土dd1d2zz1z2.2211zzppccz一、砂(砂石、碎石)垫层(sa

13、nd cushion)设计：(一)、砂垫层厚度的确定2、计算公式：(3)求faz： 地基承载力的修正见建筑地基基础设计规范gb50007-2002第四节 砂(砂石、碎石)垫层一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(二)、砂垫层宽度的确定1、垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定： 2、 取值： 当z/b0.25时，仍按表中 z/b0.25取值。3、整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。4、垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。第四节 砂(砂石、碎石)垫层ztgbb2

14、一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(三)、砂垫层承载力的确定1、垫层的承载力决定于填筑料的性质、施工机具能量大小及施工质量的优劣等，宜通过现场试验确定。 2、垫层的承载力尚必须对软弱下卧层的承载力验算后再确定。3、垫层的承载力也可通过取土分析、标贯实验、动力触探等实验资料综合分析确定。4、无试验资料时可参见表24。第四节 砂(砂石、碎石)垫层一、砂(砂石、碎石)垫层(sand cushion)设计：(四)、沉降计算1、原则： 建筑物基础沉降总量s=垫层变形sc+下卧土层变形sp2、垫层： 粗颗粒垫层一般可忽略变形，需计算时方法：第四节 砂(砂石、碎石)垫层szckcez

15、ppps2)(es-垫层压缩模量3、下卧土层： 土力学分层总和法，建筑地基基础设计规范gb50007-2002二、砂(砂石、碎石)垫层施工：(一)、砂(砂石、碎石)料 要求级配良好，质地坚硬，有机质、泥等的限制(二)、施工参数 最大干密度、最优含水量、压实系数c、现场碾压干密度 第四节 砂(砂石、碎石)垫层二、砂(砂石、碎石)垫层施工： (三)、施工要点1、施工方法： 按密实方法分类，施工机械包括：机械碾压法和平板振动法。(1)机械碾压法： 常用于基坑面积大、开挖土方量大的工程。 平碾、羊角碾、振动碾第四节 砂(砂石、碎石)垫层振动压路机18t自行式振动压路机 18t拖式振动5边凸块压路机振动

16、平胎碾砾石羊足碾粘性土或粉土二、砂(砂石、碎石)垫层施工： (三)、施工要点1、施工方法：(2)平板振动法： 用来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好松散杂填土等地基。第四节 砂(砂石、碎石)垫层http:/ (三)、施工要点2、砂石料宜采用振动碾压密实3、垫层底部存在软硬不均部位时，应先清理、再砂石回填密实，合格后再进行上层施工。4、严禁扰动下卧软土5、垫层底部尽量在同一标高，若不同应合理连接6、垫层应分层铺筑、碾压，参数现场试验定7、填筑材料应拌和均匀8、注意排水、降水、边坡稳定第四节 砂(砂石、碎石)垫层三、砂(砂石、碎石)垫层质量检验： 检验方法：环刀法、贯入测定法1、环刀法：测定干密

17、度2、贯入法：钢筋贯入深度3、检验点数量：参考规范 4、竣工质量验收：载荷试验、标贯、触探等。本节完第四节 砂(砂石、碎石)垫层一、粉煤灰垫层(flyash cushion)适用范围： 适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程大面积填筑。（废料资源化） 按粉煤灰排放系统不同可分为干排灰、湿排灰、调湿灰；按含钙量不同可分为高钙灰、低钙灰。我国大多为水排低钙灰。 按照土工规范粉煤灰属于：砂质粉土第五节 粉煤灰垫层二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响：(一)自重轻： 轻型击实后干密度0.921.35t/m3(二)击实性能好： 击实曲线峰值段比天然土具有相对较宽的最优含水量区间。4%，施工质量易保证。(三

18、)抗剪强度： 固结不排水剪：c=530kpa，=23300。第五节 粉煤灰垫层二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响：(四)压缩性： 压实系数为0.90.95时，es=820mpa，为低压缩性(五)承载力： 压实系数为0.90.95时的浸水垫层，承载力特征值可采用120150kpa。(六)渗透性： 颗粒类似砂质粉土，渗透系数10-310-5cm/s。随着时间增加，因为火山灰反应使得垫层强度增加、渗透系数减小，后期形成一个相对隔水层。第五节 粉煤灰垫层二、粉煤灰的工程特性及其对环境影响：(七)抗液化性： 因火山灰反应，强度增长，颗粒形成具有胶凝能力的化合物，实验证明不会发生液化。(八)对环境的影响：

19、 粉煤灰中微量有害元素会对环境造成一定程度的影响，建设时需充分论证，并采取相应的工程措施。第五节 粉煤灰垫层三、粉煤灰垫层的设计和施工：1、设计方法同砂石垫层。2、施工时分层压实。3、运输需含水量1525%。4、施工压实参数可依据轻型击实实验得到。5、填筑应分层铺筑与碾压，设置排水、泄水沟。6、虚铺厚度和碾压遍数需实验确定。7、铺设方式：人工和机铺。第五节 粉煤灰垫层三、粉煤灰垫层的设计和施工：8、当天铺筑、当天碾压。9、控制碾压含水量为最优含水量4%。10、施工气温大于0，防冻胀。11、施工时防尘。12、施工质量检验可采用环刀法、钢筋贯入法。13、施工质量验收可采用载荷板试验等。本节完第五节

20、 粉煤灰垫层一、矿渣(cinder)及矿渣垫层适用范围：1、矿渣： 也称高炉重矿渣或干渣，是高炉冶炼生铁过程中所产生的固体废渣经自然冷却而成。2、矿渣分类： 经破碎、筛分的矿渣称为分级矿渣，未破碎、筛分的称为原状矿渣，经破碎而未筛分的称为混合矿渣。第六节 矿渣垫层一、矿渣(cinder)及矿渣垫层适用范围：3、矿渣垫层及适用： 矿渣取代天然砂石等作为垫层，是废物利用，资源化。 适用于中、小型建筑工程，尤其适用于地坪和堆场等工程大面积地基处理和场地平整。第六节 矿渣垫层二、矿渣垫层的工程特性：1、稳定性： 需注意其硅酸盐分解、石灰分解和铁锰分解。2、松散密度： 矿渣的强度可用松散密度指标表示，分

21、级矿渣要求松散密度不小于1.1t/m3。3、变形模量： 变形模量可达3570mpa4、矿渣力学特点： 压密实时荷载与变形具有直线变形体特性，压实不佳时会有显著变形。设计时应了解矿渣成份、级配、密度、场地条件、施工机械条件，以确定合理设计参数。第六节 矿渣垫层三、矿渣垫层的设计和施工要点：1、按砂石垫层设计2、垫层承载力和变形模量宜通过现场试验确定3、矿渣垫层材料根据工程情况选用4、矿渣垫层材料的基本要求： 稳定性合格、松散密度不小于1.1t/m3、泥土和有机质含量应小于5%5、采用分层压实法6、垫层质量检验要求本节完第六节 矿渣垫层一、素土垫层(plain soil cushion)和灰土垫层

22、 (lime soil cushion)及适用范围：1、素土垫层： 指土中不掺入其他成分以改变土性的垫层。2、灰土垫层： 石灰和土按照一定比例掺合形成的垫层，常用石灰和土的体积比为2:8或3:7。第七节 土(素土)和灰土垫层一、素土垫层(plain soil cushion)和灰土垫层 (lime soil cushion)及适用范围：3、适用范围： 素土垫层和灰土垫层常用来处理湿陷性黄土，处理深度13m。当只需处理湿陷性时，宜采用素土垫层；当还需要提高承载力和水稳性时，宜采用灰土垫层。4、分类： 可分为局部垫层和整片垫层。局部垫层一般处理矩形和条形基础，超出基础底边的宽度不小于其厚度一半；整

23、片垫层超出基础底边外缘不小于2m。第七节 土(素土)和灰土垫层二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：1、局部垫层的平面范围： 每边超出基础底边宽度按公式计算，并不小于前述规定（不小于其厚度一半）；2、整片垫层： 整片垫层超出基础底边外缘不小于2m。3、垫层的承载力： 易现场载荷试验得到。参考值：素土垫层不超过180kpa，灰土垫层不超过250kpa。第七节 土(素土)和灰土垫层二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：4、土料要求： 素土有机质少于5%；不含冻土、膨胀土、砖石块，碎石粒径不大于5cm。 灰土的石灰和土的体积比宜为2:8或3:7。土料粘性土或ip4的粉土，不含软土、粒径小于15mm。石灰新鲜

24、，粒径小于5mm。5、垫层施工： 分层施工，灰土夯实后3day内不得浸水。第七节 土(素土)和灰土垫层二、素土垫层和灰土垫层设计和施工：6、质量检验： 取样深度：每层2/3深度处； 干密度测定：环刀法、钢筋贯入法； 取样数量：参考规范本节完第七节 土(素土)和灰土垫层一、粉质粘土垫层： 粘土及粉土难以夯实，应掺入不少于30%的砂石。二、石屑垫层： 石料场废弃物，性质接近砂，注意含泥及含粉量。三、工业废料垫层： 矿渣、煤矸石等，需作现场试验确定参数。四、加筋垫层： 土工合成材料等。第八节 其他垫层五、聚苯乙烯板块(expanded polystyrene sheet)：1、材料： 聚苯乙烯板即为泡沫苯乙烯，添加发泡剂。2、特性：（1）超轻质性：重度0.20.4kn/m3，为土的1/1001/50（2）耐抗压性：5%应变抗压强度100350kpa，变形模量2.511.5mpa。（3）摩擦性：与砂、砂浆等间摩擦系数（4）直立性