路基工程第八章地基处理

1、第8章地基处理我国地基处理技术由来已久，最早可追溯到秦汉以前的灰土垫层。随着现代土木工程功能化，交通高速化，城市建设立体化，地基处理技术被广泛应用到路基工程中，工程建设的需要也促使地基处理技术快速发展。其中，在铁路路基工程设计中，针对铁路等级、速度目标值、特殊土地基，地基处理技术是路基的工后沉降和稳定性控制的关键性技术之一，也是特殊路基的重要组成部分。本章将对地基处理方法的分类、设计要求、计算方法和施工工艺进行系统阐述。第1节地基处理方法综述1.1国内外研究进展及动态近三十年来，我国土木工程建设水平飞速发展，地基处理技术也相应得到了大规模的开发和推广。表8-1给出了几种地基处理方法在我国应用的

2、最早年份，大部分地基处理技术是改革开放后发展或引进的。为了适应工程建设发展的需要，高压喷射注浆法、振冲法、强夯法、深层搅拌法、土工合成材料、强夯置换法、EPS超轻质填料法等许多地基处理技术从国外引进并在实践中发展；许多已经在我国得到应用的地基处理技术，如排水固结法、土桩和灰土桩法以及砂桩法等也得到不断发展和提高；此外，工程实践中还发展了许多新的地基处理技术，如真空预压法、锚杆静压桩法、孔内夯扩碎石桩法、低强度桩复合地基法、刚性桩复合地基法等。表8-1我国部分地基处理方法最早应用年份地基处理方法年份地基处理方法年份普通砂井法20世纪50年代土工合成材料20世纪70年代末真空预压法1980年强夯置

3、换法1988年袋装砂井法20世纪70年代EPS超轻质填料法1995年塑料排水带法1981年低强度桩复合地基法1990年砂桩法20世纪50年代刚性桩复合地基法1981年土桩法20世纪50年代中锚杆静压桩法1982年灰土桩20世纪60年代中掏土纠倾法20世纪60年代初振冲法1977年顶升纠倾法1986年强夯法1978年树根桩法1981年高压喷射灌浆法1972年沉管碎石桩法1987年浆液深层搅拌法1977年石灰桩法1953年粉体深层搅拌法1983年地基处理技术应用水平的快速提高，不仅可以减少因地基处理方案选用不当而造成的资源浪费，消除工程事故发生隐患，而且对提高铁路路基工程质量，延长使用寿命有非常重

4、要的意义。1.2地基处理技术应用现状我国幅员辽阔，软弱地基种类多，分布广。从沿海地区的软土、西北高原的黄土、北方的冻土、南方的膨胀土和红粘土，到各种填土，都给地基处理带来一定难度。地基处理方法的工作原理分为置换、挤密、固结排水三种。地质条件复杂，施工条件差的工程，往往需要交叉使用多种地基处理方法，因此地基处理应因地制宜实施开展。表8-2为按改良工法工作原理分类的地基处理方法，表中可概要了解各种工法的特征。表8-2地基处理方法分类及其适用范围类别方法简要工作原理适用范围置换换土垫层法将软弱土或不良土开挖至一定深度，回填抗剪强度较高，压缩性较小的岩土材料，如砂、砾、石渣等，分层夯实，形成双层地基。

5、垫层能有效扩散基底压力，提高地基承载力，减少沉降。各种软弱土地基挤淤置换法通过抛石或夯击回填碎石置换淤泥达到加固地基目的，也有采用爆破挤淤置换。淤泥或淤泥质土地基褥垫法当建（构）筑物的地基一部分压缩性较小，而另一部分压缩性较大时，为了避免不均匀沉降，在压缩性较小的区域，通过换填法铺设一定厚度的可压缩的土料形成褥垫，以减少沉降差。建（构）筑物部分坐落在基岩上，部分坐落在土上，以及类似情况砂石桩置换法利用振冲法、沉管法。或其他方法在饱和粘性土地基中成孔，在孔内填入石料，形成砂石桩。砂石桩置换部分地基土体，形成复合地基，以提高承载力，减小沉降。粘性土地基，因承载力提高幅度小，工后沉降大，已经很少应用

6、强夯置换法采用边填碎石边强夯的方法在地基中形成碎石墩体。由碎石墩、墩间土以及碎石垫层形成复合地基，以提高承载力，减小沉降。碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基石灰桩法提高机械或人工成孔，在软弱地基中填入生石灰块或生石灰块加其他掺合料。通过石灰的吸水膨胀、放热以及离子交换作用改善桩间土的物理力学性质，并形成石灰桩复合地基，可提高地基承载力，减少沉降。杂填土、软粘土地基EPS超轻质料填土法发泡聚苯乙烯重度只有土的1/501/100，并具有较好的强度和较低的压缩性能，用作填料，可有效减小作用在地基上的荷载和作用挡土结构上的侧压力，必要时也可置换部分地基土，以达到更好

7、效果。软弱地基上的填方工程排水固结加载预压法在地基中设置排水通道砂垫层和竖向排水系统（竖向排水系统有普通砂井、袋装砂井、塑料排水带等），以缩小土体固结排水距离，地基在预压荷载作用下，排水固结，地基产生变形，地基土强度提高。卸去预压荷载后再建造建（构）筑物，地基承载力提高，工后沉降小。软粘土、杂填土、泥炭土地基等超载预压法原理上与堆载预压法相同，不同之处是预压荷载大于设计使用荷载。超载预压不仅可减少工后固结沉降，还可消除部分工后次固结沉降。软粘土、杂填土、泥炭土地基等真空预压法在软粘土地基中设置排水体系，然后在上面形成一不透气层，通过对排水体系进行长时间抽气抽水，在地基中形成负压区，而使软粘土地

8、基产生排水固结，达到提高地基承载力，减小工后沉降目的。软粘土地基真空预压法与堆载联合作用当真空预压法达不到设计要求时，可与堆载预压法联合使用，两者的加固效果可叠加。软粘土地基电渗法在地基中形成直流电场，在电场作用下，地基土产生排水固结，达到提高地基承载力，减少工后沉降的目的。软粘土地基降低地下水位法通过降低地下水位，改变地基土的受力状态，其效果如堆载预压，使地基土产生排水固结，达到加固目的。砂性土或透水性较好的软粘土层灌入固化物深层搅拌法利用深层搅拌机将水泥或水泥粉和地基土原位搅拌形成圆柱状、格栅状或连续墙水泥土增强体，形成复合地基以提高地基承载力，减小沉降，也常用它形成水泥防渗帷幕。淤泥、淤

9、泥质土、粘性土和粉土等软土地基。有机质含量较高时应通过试验确定适用性高压喷射注浆法利用高压喷射专用机械，在地基中通过高压喷射流冲切土体，用浆液置换部分土体，形成水泥土增强体。按喷射流组成形式，高压喷射注浆法有单管法、二重管法、三重管法。高压喷射注浆法可形成复合地基以提高承载力，减少沉降，也常用它形成水泥土防渗帷幕。淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、黄土、砂土、人工填土和碎石土等地基。当含有较多的大块石，或地下水流速较快或有机质含量较高时应通过试验确定适用性渗入性灌浆法在灌浆压力作用下，将浆液灌入地基中以填充原有孔隙，改善土体的物理力学性质，形成高强度、低压缩性加固体。中砂、粗地基砂、砾石劈裂灌浆法

10、在灌浆压力作用下，浆液克服地基土中初始应力和土的抗拉强度，使地基原有孔隙或裂隙扩张，用浆液填充新形成的裂隙和孔隙，改善土体物理力学性质。基岩或砂、砂石土、粘性土地基挤密灌浆法在灌浆压力作用下，向土层中压入浓浆液，在地基形成浆泡，挤压周围土体，通过压密和置换改善地基性能，在灌浆过程中因浆液的挤密作用可产生辐射状上抬力，引起地面隆起。常用于可压缩性地基，排水条件较好的粘土地基振密与挤密表层原位压实法采用人工或机械夯实、碾压或振动，使土体密实，但密实范围较浅，常用于分层填筑。杂填土、疏松无粘性土、非饱和粘性土、湿陷性黄土等地基的浅层处理强夯法采用重量为1040t的夯锤从高处自由落下，地基在强夯冲击力

11、和振动力作用下密实，可提高地基承载力，减少沉降。碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基振冲密实法一方面依靠振冲器的振动使饱和砂层发生液化，砂粒重新排列孔隙减小；另一方面依靠振冲器的水平震荡力，加固填料使砂层密实，从而达到提高地基承载力，减小沉降，并提高地基土抗液化能力。粘粒含量小于10%的疏松砂性土地基挤密砂石桩法采用振动沉管法等在地基中设置碎石桩，在制桩过程中对周围土层产生挤密作用，被挤密的桩间土和密实的砂石桩形成砂石桩复合地基，达到提高地基承载力，减小沉降目的。砂土地基、非饱和性土地基爆破挤密法利用在地基中爆破产生的挤压力和振动力使地基土密实以提高土体抗剪强

12、度，提高地基承载力和减小沉降。饱和净砂、非饱和但经灌水饱和的砂、粉土、湿陷性黄土地基土桩、灰土桩法采用沉管法，爆扩法和冲击法在地基中设置土桩或灰土桩，在成桩过程中挤密桩间土，由挤密的桩间土和密实的土桩或灰土桩形成土桩复合地基或灰土桩复合地基，以提高地基承载力和减小沉降。地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土、素填土等地基夯实水泥土桩法在地基中人工挖孔，然后填入水泥与土的混合物，分层夯实，形成水泥土桩复合地基，提高地基承载力和减小沉降。地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土、素填土等地基孔内夯扩法采用人工挖孔，螺旋钻成孔、或振动沉管法成孔等方法在地基成孔，回填灰土、水泥土、矿渣土、碎石等填料，在孔内夯实填料

13、并挤密桩间土，由挤密的桩间土和夯实的填料桩形成的复合地基，以提高地基承载力，减小沉降。地下水位以上的湿陷性黄土、杂填土、素填土等地基加筋加筋土垫层法在地基中铺设加筋材料（如土工织物、土工格栅等、金属板条等）形成的加筋土垫层，以增大压力扩散角，提高地基稳定性。筋条间用无粘性土，加筋土垫层可适用各种软弱地基加筋土挡墙法利用在填土中分层铺设加筋材料以提高填土的稳定性，形成加筋土挡墙。挡墙外侧可采用侧面板形式，也可采用加筋材料包裹形式。应用于填土挡土结构土钉支护法通常采用钻孔、插筋、注浆在土层中设置土钉，也可以直接将杆件插入土中，通过土钉和土形成加筋土挡墙以维持和提高土坡稳定性在软粘土地基极限支护高度

14、5m左右，砂性土地基应配以降水措施，极限支护高度与土体抗剪强度和边坡高度有关锚杆支护法锚杆通常由锚固段、非锚固段和锚头三部分组成。锚固段处于稳定土层，可对锚杆施加预应力，用于维护边坡稳定。软粘土地基中应慎用锚定板挡土结构由墙面、钢拉杆和锚定板和填土组成，铆钉版处于填土层，可提供较大的锚固力。锚定板挡土结构用于填土支挡结构。应用于填土挡土结构树根桩法地基中设置如树根状的微型灌注桩（直径70250mm），提高地基承载力，减小沉降。各类地基低强度混凝土桩复合地基法在地基中设置低强度混凝土桩，与桩间土形成复合地基，提高地基承载力，减小沉降。各类深厚软粘土地基钢筋混凝土桩复合地基法在地基中设置钢筋混凝土

15、桩，与桩间土形成复合地基，提高地基承载力，减少沉降。各类深厚软粘土地基长短桩复合地基由长桩和短桩与桩间土形成复合地基，提高地基承载力减小沉降。长桩和短桩可采用同一桩型，也可采用两种桩型。通常长桩采用刚度较大的桩型，短桩采用柔性桩，或散体桩。深厚软弱地基冷热处理冻结法冻结土体、改善地基土截水性能，提高土体抗剪强度形成挡土墙或止水帷幕。饱和砂土或软粘土，作施工临时措施烧结法钻孔加热或焙烧，减少土体含水量，减少压缩性，提高土体强度，达到地基处理目的。软粘土、湿陷性黄土，适用于有富余热源的地区托换基础加宽法通过加大原建筑物基础底面面积减小基底接触压力，使原地基承载力满足要求，达到加固目的。原地基承载力

16、较高桩式托换法在建筑物基础下设置钢筋混凝土桩以提高地基承载力，减小沉降，达到加固目的。按设置桩的方法分静压桩法，树根桩法和其他桩式托换法。原地基承载力较低综合托换法将两种或两种以上的托换法综合应用达到加固目的。纠倾与迁移加载纠倾法通过堆载或其他加载形式使沉降较小的一侧产生沉降使不均匀沉降减小，达到纠倾目的。较适用于深厚软土地基掏土纠倾法在建筑物沉降较少的部位以下地基中或在其附近的外侧地基中掏取部分土体，迫使沉降较小的一部分进一步产生沉降以达到纠倾目的。各类不良地基顶升纠倾法在墙体中设置顶升梁，通过千斤顶顶升整栋建筑物，不仅可以调整不均匀沉降，并可整体顶升至要求标高。各类不良地基综合纠倾法将加固

17、地基与纠倾结合，或将几种方法加以综合应用，如综合应用静压锚杆和顶升法，静压锚杆法和掏土法。各类不良地基迁移将整栋建筑物与原地基基础分离，通过顶推或牵拉，移到新位置。需要迁移的建筑物近年来，由于铁路路基沉降控制标准的提高，复合地基在铁路路基工程地基处理中的应用越来越广泛。复合地基形式的选择，应以具体的工程地质条件为基础，因为它既关系到建筑物的安全和使用，又对工期和造价有很大影响。比如，碎石桩法处理软土是普遍采用的一种方法。采用碎石桩法加固软土地基，存在加固效果的不确定性，碎石桩加固饱和砂土，桩体内孔隙水压及时消散容易引起桩体强度降低，影响加固效果。对于软土地基而言，即使加固成功，承载力提高的幅度

18、也不大，而且变形得不到有效控制。为判明碎石桩法对这种工程地质条件的适用性，有关规范规定，必须通过现场载荷试验确定。美国统计资料表明，对于粘粒含量高于25%30%的土质，碎石桩法不再适用。针对这种软土工程地质条件，近年来国内外相继开发了CFG桩复合地基、双灰低强度混凝土桩复合地基及水泥碎石桩复合地基，它们均以碎石作为骨干材料，加入水泥及适当比例的其它材料，进而形成一种低强度的混凝土桩，将其称为半刚性碎石桩复合地基。1.3地基处理方案选择和设计1.地基加固机理地基加固按照加固目的有以下不同特点：（1）强度特性改良，即提高抗剪强度。通过土体强度的改良，提高地基承载力，提高斜坡稳定性，防止基坑涌土。（

19、2）降低土体压缩性。主要是减小土体压缩变形或减小土体侧向位移引起的地基下沉。（3）改善渗透性。通过加固减小土的渗透性以形成防水帐幕，阻止渗水或防止流砂、管涌发生。（4）改善动力特性。对松散砂进行地基加固，可防止地基液化，改善抵抗振动荷载的性能。在选定某种地基改良方法时，要从下述三方面对其适用性探讨：（1）改良目的包括沉降对策、稳定性对策、地表层强化、抗液化对策等；（2）改良效果包括沉降对策（促进或抑制）、稳定性对策（增加强度、促进强度、减轻荷重）、地表层改良、抗液化对策等；（3）施工条件包括地基土特性（粘性土、腐质土、砂质土）、软弱层厚度（3m未满、310m、10m以上）、对邻近构造物的影响、

20、噪音及振动的影响、路堤高度（低路堤、高路堤）、施工效率等。表8-3为国内外线路工程（道路、铁路、堤坝等）软弱地基（粘质土地基、砂质土地基）对策工法初步选定方法一览表。该表从处理目的、地基情况、环境影响三方面对各种工法的特征及适用性进行了概要性分析。表8-3各种常用地基处理方法适用条件地基处理方法 浅层处理排水固结挤密置换注浆结构物换填垫层振动碾压冲击碾压袋装砂井塑料袋水版强夯挤密砂石桩沉管碎石桩灰土与水泥土挤密桩柱锤冲扩桩振冲碎石桩强夯碎石墩水泥搅拌桩水泥粉煤灰碎石桩素混凝土桩旋喷土注浆钢筋混凝土桩网（筏）结构钢筋混凝土桩板结构处理目的控制沉降提高稳定性提高地基承载力增强抗液化能力提高抗渗性地

21、基情况淤泥及流塑状淤泥质土饱和黏性土非饱和粘性土松散砂土湿陷性黄土人工填土及杂填土岩溶、采空区、人为空洞环境影响对临近构造物的影响噪声、振动水质、泥浆污染最大处理深度参考值（m）323202081515152515820303030606080注：优先选用 ：适用 ：有条件适用 ：不适用2.地基设计方案选择和设计地基处理方法繁多，合理选择处理方案对确保工程质量、进度，降低处理费用都具有重要意义。一般地讲，当软弱地基土层厚度较薄时，选用简单的浅层加固方法，如换填垫层、机械碾压、重锤夯实等；当软弱土层厚度较大时，可按加固土的性状和含水量情况采用挤密桩法、振冲碎石桩法、强夯法或排水堆载预压法等；如遇

22、软土层中夹有砂层，则可直接采用堆载预压法，而不需设置竖向排水井；当遇粉细砂地基，如仅为防止砂土液化，一般可选用强夯法、振冲法、挤密桩法等；当遇淤泥质土地基，因其透水性差，一般宜采用设置竖向排水井的堆载预压法、真空预压法以及土工合成材料加固法等；当遇杂填土、冲填土（含粉细砂层）和湿陷性地基，一般可采用深层密实法，效果较佳。表8-4给出了特殊土及特殊条件下铁路工程地基处理常用方法。表8-4特殊土及特殊条件下铁路工程地基处理常用方法特殊土及特殊条件下地基类别可选用的地基处理方法软弱黏性土（软土、松软土）地基换填、加筋垫层、袋装砂井、塑料排水板、强夯、强夯置换、碎石桩、搅拌桩、旋喷桩、水泥粉煤灰碎石桩

23、、素混凝土桩、碎石注浆桩、现浇混凝土薄壁管桩、预应力管桩、钢筋混凝土桩网结构、钢筋混凝土桩板结构人工填筑土、杂填土地基换填、冲击碾压、强夯、强夯置换、碎石桩、挤密桩、柱锤充扩桩松散砂土地基强夯、碎石桩、挤密砂桩、旋喷桩湿陷性黄土地基换填、冲击碾压、强夯、灰土挤密桩、水泥土挤密桩、柱锤冲扩桩、钢筋混凝土桩板结构膨胀土地基换填、掺灰改良、封闭、石灰桩、灰土桩山区斜坡软弱地基碎石桩、搅拌桩、水泥粉煤灰碎石桩结合侧向约束桩岩溶灌浆、结构物跨越、揭盖回填采空区、人为坑洞灌浆、强夯、充填方案选择一般应先做好调查研究，详细了解上部结构体系与类型、地质情况、环境影响以及施工条件等。地基处理方案的选定，一般可按

24、以下步骤进行：（1）收集详细的工程地质、水文地质及地基设计资料根据上部结构类型、荷载大小及使用要求，结合了解的地质资料、周围环境和相邻建筑物等情况，初步选定几种可供考虑的地基处理方案。在选择地基处理方案时，也可考虑采取加强上部结构、基础刚度（整体性）的措施，使其与地基处理方法共同作用。（2）初步拟定方案选用的几种地基处理方案进行筛选应分别从工程、地质、水文状况以及加固效果、材料消耗和来源、施工机具、场地条件、工程进度要求、环境影响、地基处理费用等方面进行综合的技术与经济性比较，根据技术可行，质量安全可靠，施工方便，经济合理、又能满足进度要求等原则，要因地、因工程制宜进行优选。在选用某一方法时，

25、还应注意克服盲目性，因每一种地基处理方案都有其一定的适用条件、优缺点和局限性，没有哪一种方法是万能的。在确定地基处理方法时，还应注意节约资源、环境保护，避免因地基处理对地面水和地下水产生污染以及噪声对环境产生不良影响。（3）对选定方案的实地检验对已选定的地基处理方案，在有代表性的场地上进行相应的原位试验或试验性施工，以检验设计参数、施工工艺的合理性和处理效果。如未达到设计要求，应查明原因，采取措施或者修正地基处理方案，直至满足要求。（4）地基处理方案施工及监测地基处理方案确定后，应搞好施工技术管理，以保证方案的正确实施，达到预期良好处理效果。由于地基处理后，土体强度增长往往需要经过一段时间，才

26、能达到设计要求，压缩模量提高，地基稳定，因此对地基的处理要尽量提早施工，以便通过调整施工进度，发挥时间效应，确保地基稳定安全。在地基处理前、施工中和处理后，还应定时对被加固的软弱土地基进行现场测试和沉降观测以便了解地基加固效果，有时还应对周围邻近建筑物及地下管线、通信电缆等进行沉降、位移和裂缝等监测，以保护周围环境。1.4铁路地基处理技术要求随着经济快速发展，我国新建或改建了大量高速铁路。高速铁路对线路的稳定性和平顺性的严格要求，对工后沉降控制也更加严格。地基作为铁路路基工程的基础，对线路工程起着重要的支撑作用，以往依赖传统的勘察手段、评价方法和简单的地基处理措施，无法满足高速铁路对地基的承载

27、要求和沉降控制标准。一般而言，在铁路路基工程中进行路基工程地基处理时应从路堤稳定性、路基承载力(路基下地基承载力)、沉降三个方面对路基进行设计和验算。对铁路路堤而言，施工期沉降对部轨道结构及以后铁路运营不会产生显著影响。目前，规范中以工后沉降作为首要设计控制指标，然后对地基承载力和稳定性进行验算。值得注意的是，理论上尽管地基承载力和沉降控制都可作为铁路路基工程地基处理的设计依据，但是在工程实际中，在满足沉降要求的情况下，出现承载力不足，发生塑性破坏或失稳的案例屡见不鲜，尤其是在软土地基中这种现象尤为显著。因此，高速铁路路基工程地基设计中，如何平衡地基承载力和沉降变形是一个非常突出的热点问题，对

28、工程质量和造价都具有决定性作用。对于铁路路堤，路堤填方的总沉降量在其时间曲线上可分为：（1）施工期沉降：指施工期间路基产生的沉降，它包括路基施工完成后，静置期内所产生的那部分沉降。路基沉降绝大部分发生在施工期间；（2）工后沉降：路堤建成后铺轨工程（包括铺砟）开始时计算至最终的路基剩余沉降。有的国家以铺轨完成，交付运营后的沉降为工后沉降。控制路基工后沉降及不均匀工后沉降是高速铁路建设的关键。目前，铁路设计部门对于路基工后沉降仍采用经验估计，并无严格的理论支持。第2节浅层处理2.1换填法2.1.1概述换填法(replacement method)就是将基底以下一定深度范围内的软弱土层挖除，换填无侵

29、蚀性的低压缩性散体材料（中砂、粗砂、砾石、碎石、卵石、矿渣、灰土及素土等），分层夯实作为基础持力层。此法适用于基坑面积宽大和土方工程量较大的工程，一般用于浅层软弱地基处理、低洼地域筑高（平整场地）和堆填筑高（道路路基）。当软弱地基承载力、稳定性和变形不能满足建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不很大时，换填法能取得较好的效果。采用这种方法施工，不用抽水、不用挖淤，施工简单迅速。此法适应于池塘、河流等积水洼地，常年积水，且水不易抽干，表层无硬壳，软土液性指数大，层厚薄，片石能沉达下卧硬层者。换填法按施工方法不同，分为机械换填法，爆破排淤法以及抛石挤於法。换填法可用于处理软基淤泥、淤泥质土，杂填土、素

30、填土、湿陷性黄土和膨胀土地基以及地基内的暗沟和暗塘。对于上述各类土的浅层软弱地基及不均匀地基的处理，一般换填是合理且较为经济的处理方法；换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理；换填垫层应根据荷载性质、结构特点、地基条件、施工机械设备及换填材料等进行设计，并选择合理的施工方法。换填垫层宜采用砂砾石垫层、碎石垫层、灰土垫层、水泥土垫层和加筋垫层等。1.换填垫层作用与砂垫层相同，不同材料垫层的主要作用包括以下六方面：（1）提高地基承载力由于挖去软弱土，换填抗剪强度较高的砂或其他填筑材料，必然提高地基承载力。（2）减少垫层下天然土层的压力（减少沉降量）由于砂垫层或其他垫层的应力扩散作用，减少了

31、垫层下软弱土层的附加应力，所以也减少了软弱土层的沉降量。（3）排水加速软土固结由于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，使基础下面的软弱土层中的孔隙水压迅速消散，从而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。（4）防止冻胀因为粗颗粒垫层材料孔隙大，可切断毛细管，所以可防止寒冷地区土中冬季结冰所造成的冻张。这是砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。（5）消除膨胀土的胀缩作用由于膨胀土具有遇水膨胀、失水收缩的特性，因此挖除基础底面以下的膨胀土，换填砂或其他材料垫层，可消除膨胀土的胀缩作用，从而可避免膨胀土对建筑物的危害。（6）消除或部分消除黄土

32、的湿陷性。由于黄土具有遇水下陷的特性，因此挖除基础底面以下的黄土，换填不透水性材料的垫层，可消除或部分消除黄土的湿陷性。为使换填达到预期效果，应保证垫层本身的强度和变形满足设计要求，同时垫层下地基所受压力和地基变形在容许范围。这要求采用合适填料，并使垫层具有足够断面，必要时需验算地基变形。因此，换填垫层的设计内容原则上包括选择填料、确定垫层断面和验算地基变形。2. 垫层填料的选取一般来讲，垫层填料应易于夯压密实，做成垫层后抗剪强度较高，压缩性较低，并具有良好的水稳性，有可能发生震害的情况下还应符合防震要求。砂土、圆砾、角砾、卵石、碎石、黏性土、粉土、灰土及工业废渣均可用作垫层填料，选择时应注意

33、以下原则：（1）砂石填料应具有良好的颗粒级配，最大粒径不宜大于50mm，不含植物残体和垃圾等杂物。当应砂土作填料时，宜尽量采用中砂、粗砂或砂砾；如果采用粉细砂，应掺入25%30%的卵石或碎石。对湿陷性黄土地基的换填处理不宜采用砂石及其他渗水材料作为填料，以防水透过垫层浸湿其下土层。（2）用作填料的黏性土和粉土通常称之为素土，其中的有机质含量应不超过5%，且不得含有膨胀土或冻土等不良土；如果夹有块石，其粒径最好不超过50mm，对湿陷性黄土地基则不得采用夹有石块或砖瓦块等粗颗粒的土料。（3）灰土是石灰与素土拌和而成的。用作垫层填料时，素土宜采用黏性土或塑性指数大于4的粉土，其中应不含松软杂质及粒径

34、大于15mm的颗粒；石灰最好采用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。石灰与土的体积配合比常为2：8或3：7。（4）用作垫层填料的工业废渣应质地坚硬，性能稳定且无侵蚀性，最大粒径及合适的级配宜通过试验确定。除上述外，选用垫层填料应尽可能就地取材。2.1.2原则1.换填垫层种类的选择换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基。当在工程范围内上层软弱土较薄，则可采用全部换填处理。对于较深厚软弱土层，通过技术经济比较，也可只换填上部部分厚度的软弱土层或采用换填与其他地基处理措施相结合的综合方法。工程实践表明，采用换填垫层全部置换厚度不大的软弱土层，可取得良好效果。换填法效果受地基上部荷载影响显著。对于铁路路

35、基、站场场坪等工程，采用换填垫层处理上层部分软弱土时，传递到下卧层顶面的附加应力较小时，也可取得较好的效果。对于高填方路基，由于附加荷载对下卧层的影响较大，如仅换填软弱土层的上部，地基仍将产生较大的变形及不均匀变形。针对线路工程的不同特点和所在区域的工程地质条件，应考虑换填材料的强度、稳定性、压力扩散能力、密度、渗透性、耐久性等因素。当换填量较大时，应综合考虑换填材料的性能、价格、来源、对环境的影响、及使用条件。此外，还应考虑所能获得的施工机械设备类型、适用条件等因素，从而合理地进行换填垫层设计及选择施工方法。不同垫层方法的适用范围参见说明表8-5。表8-5 不同垫层适用范围垫层种类适用范围砂

36、石垫层多用于铁路工程滨、塘、沟、水田等的基底的局部处理，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处理、大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理，砂垫层不宜用于地下水流速快、流量大的地层灰土垫层适用于含水量较高的软弱地基处理，尤其适用于湿陷性黄土地基处理水泥土垫层适用于含水量较低的软弱地基处理加筋垫层对靠近岸、边坡边缘的铁路基底，存在路堤滑动稳定时，优先采用2.垫层设计原则（1）垫层厚度合理确定垫层厚度是垫层设计的主要内容。垫层厚度的设计应遵循以下原则：首先垫层能换除基础下直接承受上部荷载的软弱土层，代之以能满足承载力要求的垫层；其次荷载通过垫层的应力扩散，使

37、下卧层顶面受到的压力满足小于或等于下卧层承载能力的条件；再者基础持力层被低压缩性的垫层代换，以减少地基的沉降量。通常根据土层的情况确定需要换填的深度，对于浅层软弱土厚度不大的工程，应置换掉全部软弱土。对需换填的软弱土层，首先应根据垫层的承载力确定基础的宽度和基底压力，再根据垫层下卧层的承载力，设置垫层厚度。压力扩散角应随垫层材料及下卧土层的力学特性差异而定，可按双层地基的条件来考虑。考虑到地下水位较高区域，换填基坑开挖过深需要采用降水措施。同时，基坑开挖工程量大，坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护，易引起邻近地面、管网、道路与建筑的沉降变形破坏因此，换填法的处理深度通常控制在3m内较为经济合理。

38、（2）垫层宽度确定垫层宽度时，除应满足应力扩散要求外，还应考虑垫层应有足够的宽度及侧面土的强度条件，防止垫层材料向侧边挤出而增大垫层竖向变形。常用方法依然是按扩散角法计算垫层宽度或根据当地经验取值。当z/b0.5（z为路基底面以下垫层厚度，b为路基底面宽度）时，垫层厚度较大，按扩散角确定垫层的底宽较宽，而按垫层底面应力计算值分布的应力等值线在垫层底面处的实际分布则较窄。当两者差别较大时，也可根据应力等值线的形状将垫层剖面做成倒梯形，以节省换填的工程量。当基础荷载较大，或对沉降要求较高，或垫层侧边土的承载力较差时，垫层宽度可适当加大。2.1.3设计通过分析现场试验结果，各种不同材料的垫层，虽然其

39、应力分布有所差异，但其极限承载力比较接近，并且沉降特点基本相似，所以各种材料的垫层都可近似按砂垫层计算方法设计。砂垫层的设计不但要求满足铁路路基对地基强度、稳定性以及变形方面的要求，而且要符合技术经济的合理性。砂垫层设计的主要内容是确定垫层断面的合理厚度和宽度。以此，加筋垫层土工合成材料应选用耐久性好的土工格栅、土工格室和土工织物等，其性能和铺设要求应满足铁路路基土工合成材料应用设计规范（TB 10118）的规定。垫层材料应具有良好的透水性，垫层填料宜采用碎石、砾石、中粗砂等材料。（1）确定垫层厚度垫层厚度应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合式（8-1）要求：砂垫层的厚度应根

40、据垫层底部软弱土层的地基承载力设计值来确定，即作用在垫层底面处的总应力（自重应力和附加应力之和）不超过垫层底部软弱土层的地基承载力设计值，即满足式(8-1) （8-1）式中：垫层底面处的附加压力（kPa）；垫层底面处土的自重压力（kPa）；垫层底面地基容许承载力（kPa）。地基承载力计算修正系数，对于挡土墙、涵洞等刚性基础地基其值取1；对于路堤、场坪等柔性基础地基其值可取1.21.5。垫层底面处的附加压力可分别按下式计算：条形基础 （8-2）矩形基础 （8-3）式中： 矩形基础或条形基础底面的宽度(m)；矩形基础底面的长度(m)；基础底面处的平均压力(kPa)；基础底面处土的自重压力(kPa)

41、；垫层的厚度(m)；垫层的压力扩散角（），宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表8-6选用。表8-6压力扩散角 (扩散换填材料砂层（中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、碎石、卵石）灰土、水泥土0.2520280.503028注：1 当0.25，除灰土取=28外，其余材料均取=0，必要时，宜由试验确定；2 当0.250.5时，值可内插求得。换填垫层的厚度z不宜小于0.5m，也不宜大于3m。垫层底面的宽度应满足应力扩散的要求，可按式（8-4）确定： （8-4）式中：垫层底面宽度(m)；压力扩散角，可按表8-6选用；当0.25时，仍按表中=0.25取值。（2）确定垫层宽度垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，

42、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300 mm。砂垫层的宽度除要满足应力扩散的要求外，还要根据垫层侧面土的承载力特征值来确定，防止垫层向两边挤出。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又比较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面土中，使路基沉降增大。砂垫层材料应选用级配良好的中、粗砂为好，可掺入一定数量的碎（卵）石，但要分布均匀，含泥量不超过3%，并要除去树皮、草根和垃圾等杂物。如果用细砂，应掺入30%50%的碎（卵）石，碎（卵）石的最大粒径不应大于50 mm。若用作排水固结地基砂、石材料，含泥量也不超过3%，碎（卵）石的最大粒径也不应大于50 mm。（3）换填垫

43、层下卧层沉降和承载力验算换填垫层应对下卧层承载力验算，必要时垫层承载力可通过现场试验确定。垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。沉降包括垫层自身的变形量和下卧层变形量之和，见式（8-5）。 （8-5）式中：基础沉降量，单位为mm；垫层自身的竖向压缩量，单位为mm；压缩层厚度范围内（自垫层底面算起）各土层竖向压缩变形量之和，单位为mm。粗粒换填材料垫层在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小。因而对于碎石、卵石、砾石及砂垫层，在地基变形计算中，可以忽略垫层自身部分的变形。但对于细粒材料的尤其是厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。垫层下卧层的变形量按公式（8-6）计算：

44、（8-6）式中：地基总沉降量； 瞬时沉降量；主固结沉降；次固结沉降。地基压缩层厚度按照式（8-7）计算： （8-7）式中：sz沉降计算深度z处的地基垂直附加应力；st沉降计算深度z处的地基自重附加应力；垫层压缩模量由荷载试验确定。当无试验资料时，砂垫层压缩模量可选用2430MPa，其他垫层的压缩模量可以查阅相关规范。垫层竖向压缩量按式（8-8）计算， （8-8）式中：垫层厚度；垫层的压缩模量；基底有效应力扩散系数，平面问题，空间问题；基底平均有效应力，单位为kPa。大小为式（8-9）。 （8-9）式中：地表面以上建筑物传给基础的竖向荷载，单位为kN；基础底面积，单位为m2；基础埋置深度，单位为

45、m；基础底面以上原土的重度，单位为kN/m3；基础底面以上回填土与基础的平均重度（地下水位以下用浮重度），一般可取20 kN/m3。2.1.4施工垫层施工前应对换填范围和深度进行复核。垫层的施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过现场试验确定。除接触下卧软土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，一般情况下，垫层分层铺填厚度可取200300 mm。基坑开挖时应避免坑底土层受扰动，可保留约200 mm厚土层暂不挖去，防止其被践踏，受冻或受水浸泡，待铺填垫层前再挖至设计标高。在碎石或卵石垫层底部宜设置150300 mm厚砂垫层或铺一层土工织物，以防止下卧土层表面局部破坏，同时

46、必须防止基坑边坡坍土混入垫层。垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。2.1.5质量检验换填垫层质量检验内容包括垫层压实质量及承载力等。压实质量检验应符合以下要求：1.换填垫层应检测压实系数，灰土垫层和水泥土垫层还应检测无侧限抗压强度；2.对路基基底换填，沿线路纵向每一压实层每100m抽样检验3个点，其中换填层中间1个点，两侧距换填层边缘2m处各1点；对刚性基础基底换填，每层100m2检查不少于5处。3.对刚性基础基底换填垫层应通过载荷试验进行承载力检验，每个单体工程不宜少于2处。旋喷桩质量检验内容应包括桩身完整性

47、、均匀性，桩身强度，单桩或复合地基承载力等。旋喷桩的完整性、均匀性、无侧限抗压强度可采用以下方法检验：1.成桩7d内，可采用低应变检查桩身均匀性。检查数量为施工总桩数的2，且不少于3根；2.成桩7d后，可采用浅部开挖桩头(深度宜超过停浆面下0.5 m)，目测检查搅拌的均匀性，量测成桩直径。检验数量为总桩数的2，且不少于3根；3.成桩28d后，应采用双管单动取样器在桩径方向1/4处、桩长范围内垂直钻孔取芯，观察桩体完整性、均匀性，取不同深度的不少于3个试样作无侧限抗压强度检验。检验数量为施工总桩数的2，且不少于3根。旋喷桩承载力检验宜在成桩28d后进行。应采用单桩或复合地基载荷试验，检验数量为总

48、桩数的2 ，且不少于3根。2.2冲击碾压2.2.1概述冲击碾压施工是采用冲击式压实机（一种高振低频率的新型压实设备），配备压实轮，压实轮在牵引拖动行驶滚动中将高位势能转化为动能对地面进行冲击从而对土体深层产生较强的冲击能量，同时辅以滚压、揉压的综合作用，使土石颗粒之间发生位移、变形和剪切，随着土石密实度增加，其影响深度也逐渐增加，从而使土体深层随着冲击波的传播得到压实。有效减少路基的工后沉降量，大大改善不均匀沉降而形成的道路病害，提高路基整体强度和均匀性，对于暴露地基或路基的内部缺陷、避免隐患、提高施工质量等具有显著的效果。由于冲击碾压具有加固效果显著、适用土类广、施工简便、施工期短、施工费用

49、低等优点。冲击碾压适用于浅层碎石土、砂土、低饱和度的粉土与黏性土、湿陷性黄土、素填土和杂填土等地基处理。冲击碾压设计与施工应根据具体的地形地貌、土质条件等因素结合冲击碾压的适用范围综合确定，大面积施工前应选取代表性场地进行试验性施工。冲击碾压施工应考虑对居民、构造物等周边环境可能带来的影响。冲击碾压的适用区域概括如下：为解决路基差异沉降问题填挖方交界段应采用冲击碾压；保证挖方路段密度均匀，路堑地基应进行填前冲击碾压；为消除填方路段天然地基的不均匀性，填方路基或零填路基一般均应该采用填前冲击碾压，同时可检查有无软基存在，消除沉降差异；为保证路基不发生纵向开裂，小于0.8 m的低填方路段采用冲击碾

50、压；当填土质量难于控制时，整体分层压实后应进行追密冲击碾压；高填方路段应采用冲击碾压；锯齿形纵断面因为填土高度不同，应该全段采用冲击碾压；低于最佳含水量的缺水地区的低塑性土宜采用冲击碾压；为增加轨道而加宽路基时，加宽部分的原地面和填方后的路基顶面均应该进行冲击碾压；遇水膨胀的膨胀岩（土），湿陷性黄土的天然地面应该采用冲击碾压。不宜采用冲击碾压的路段：重力式桥台台背50 m以内的路段；填方高度小于5 m有涵管的路段；距原地面23 m存在软土夹层的路段；相对含水量大于0.6的天然地面；距坡脚50 m以内有古建筑或危房的地方；距防洪堤50 m以内的路段；已设路肩挡墙的路段；粉性土路堤；有古墓的地点；

51、探明有溶岩和溶洞的地点。2.2.2设计（1）冲击碾压范围冲击碾压处理范围应大于基底范围，宜超出路堤坡脚或基础外缘3 m。冲击碾压的宽度不宜小于6 m，长度不易小于100 m。（2）加固深度冲击碾压的加固深度原则上部易超过3 m，实际的压实深度和压实影响深度应根据现场冲击碾压试验或当地经验确定。地基和路堑的冲击碾压效果等与土质条件、冲击压路机型号、冲击碾压等密切相关；因此施工前应选取代表性场地修筑试验路段对于强夯机夯实土基，工程实践中美国人Menard提出过影响深度经验式： （8-10）式中： H影响深度（m）；M夯锤质量（1000kg）；h落锤高度（m）根据国内实际施工情况并考虑土壤参数的影响

52、因素，对上式进行修正得： （8-11）其中：H加固深度（m），加固系数，一般湿陷性黄土取0.340.5，高填方土取0.60.8，砂性土和杂土取0.450.6。（3）地基稳定性和沉降计算冲击碾压后的地基沉降按照附录计算，土层变形指标应根据原位测试、土工试验和地区经验及类似工程计算参数等因素综合选取。换填后的地基软弱土层较薄，稳定性分析方法可采用圆弧滑动法和不平衡推力法计算。冲击碾压压实影响深度内击碾压遍数应根据设计要求的压实标准和沉降量控制值来确定，或现场施工时以冲击轮轮迹高差小于15mm来控制冲击碾压次数。冲击碾压宽度不宜小于6m，自行式冲击压实机单块最小冲压施工面积不宜小于1000m2，牵引式冲击压路机单块施工面积不宜小于1500m2，工作面较窄时需设置转弯车道，冲压最短直线距离不宜小于100m。天然地基可直接进行填前冲击