换填垫层法软土地基处理原理及工程实例

1、1换填垫层法软土地基处理原理及工程实例2地基处理方法分类加密法深层压密法加筋法（土工合成材料、加筋土、土层锚杆、土钉、树根桩法）化学加固法方法众多，分类不统一 换土垫层法复合地基换填法浅层压密法强夯法挤密桩复合地基预压加固法冻结法胶结法(灌浆法、高压喷射注浆法、水泥土搅拌法)3把基础底面下一定范围内的软弱地基土挖除，然后回填以工程性能好的土，压密后作为地基持力层。换填法(Replacement Method)b回填土4软土垫层换填法(Replacement Method)5作用 提高地基承载力；减少基础沉降量；加速软土的固结排 水；防止地基冻胀；减少地基的湿陷和胀、缩应用范围 1.土层： 淤泥

2、、湿陷性黄土、膨胀土、杂填土、冻土等 2.建筑物基础： 中、小型建筑物为主 3.深度： 一般3米以内。垫层材料 中粗砂、卵石、砾石、素土、灰土、矿渣 换填法(Replacement Method)6垫层种类适用范围砂垫层（碎石、砂砾）中、小型建筑工程的滨、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）。可有条件用于膨胀土地基。素土垫层中小型工程，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、港区路域和堆场等大、中小型大面积填筑干渣垫层中小型建筑工程。尤其适用于地坪、堆场等大面积地基处理和场地平整；铁路、道路路基处理。垫层的适用范围7b回填土

3、持力层： p f下卧层： pZ + pCZ fz+d压实系数 c=d/dmax 0.93垫层设计8b回填土垫层厚度应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求： 垫层厚度的确定 pZ + pCZ faz式中垫层底面处的附加应力设计值（kPa）;垫层底面处土的自重压力值（kPa）；经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）。垫层设计91、提高持力层的承载力通过扩散作用使传到垫层下的软弱土层应力减少；2、减小沉降量换填材料代替上部软弱土层，可减小这部分的沉降量；垫层扩散作用，使得下卧土层的压力减小，这相应减小下卧土层的沉降量；3、加速软弱土层的排水固结不透水基础直接与软弱土层相接

4、触时，在荷载作用下，软弱地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下软弱土不易固结，产生较大的孔隙水压力，从而导致地基土强度降低，产生塑性破坏的危险。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，从而提高其强度。4、防治冻胀垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，可防治冻胀。5、消除膨胀土的胀缩作用加固机理10b回填土B= b+2ztgdz填z pCZ pCDpZ + pCZ faz条基独立基础垫层设计11 压力扩散角（） 换填材料粘性土和粉土(8 14) 中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾卵石、碎石灰土0.25206280.503023注：当 0.25时，除灰土仍取 2

5、8外， 其余材料均取 0； 当0.25 0.5时，值可内插求得 。垫层设计12在具体计算时，可先假设一个垫层厚度，然后进行验算。如不满足，应重新假定一个厚度进行验算，直至满足要求为止。 垫层厚度不宜大于3m，太厚施工较困难，而太薄（0.5m）则换填垫层的作用不显著。垫层设计13垫层宽度的确定 垫层的底面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进行设计。 b回填土垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m 按当地开挖基坑经验的要求放坡 土力学与基础工程 西南科技大学垫层设计14垫层的承载力应通过现场试验确定，当无实验资料时，可按下表选用，并验算下卧层承载力。各种垫层的承载力表 垫层设计换填

6、材料压实系数c承载力特征值fak/kPa碎石、卵石0.94-0.97200-300砂夹石（碎、卵石占30%-50%）200-250土夹石（碎、卵石占30%-50%）150-200中砂、粗砂、砾砂150-200粘性土和粉土（8IP14）130-180灰土0.93-0.95200-250土或灰土0.93-0.95150-200注：压实系数小的垫层承载力取低值，反之取高值碾压或振密重锤施工15沉降计算垫层设计垫层压缩模量Es（Mpa)变形模量E0 （Mpa)粉煤灰8-20砂20-30碎石、卵石30-50矿渣35-70模量注：压实矿渣的E0/Es可按1.5-3.0取用按地基基础规范中变形计算方法进行建

7、筑物沉降计算，保证地基处理效果及建筑物安全。16土的压实机理因换填法在换填后将土层压实，从而提高了地基的承载力。为了更好的掌握换填法的机理，首先应了解土的压实机理。压实的本质土料孔隙率减小，密实度提高W增大，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好 ，直至wop时达到dmaxW继续增大，孔隙中就出现了自由水，此时自由水填充在孔隙中，产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，d 反而减小。压实机理W较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，还不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。170 4 8 12 16 20 2

8、4 28含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)饱和曲线dmax=1.86wop=12.11.最优含水量:在一定压实能量下，使土最容易压实，并能达到最大干重度的含水量wop，与之相对应的干密度称为最大干密度dmax2.击实曲线特点：具有峰值：峰值点对应于dmax和op。塑限等于土样风干时的含水量工程中常按opp218垫层施工垫层施工按压密采用的不同机械和工艺，一般可分为:机械碾压法重锤夯实法平板振动法按密实方法分类19平碾拖式羊足碾一、机械碾压法 采用压路机、推土机、平碾、羊足碾或其他碾压机械在地基表面来回开动，利用自重把垫层或松散地基压实。适于地下水位以上及非饱和粘性土与

9、杂填土的浅层处理。20气胎碾 蛙式夯振动压实机2振动压实机121碾压法与夯实法 碾压与夯实是修路、筑堤、加固地基表层最常用的简易处理方法。通过处理，可使填土或地基表层疏松土孔隙体积减小，密实度提高，从而降低土的压缩性，提高其抗剪强度和承载力。目前我国常用的有机械碾压、振动压实和重锤夯实，以及70年代发展起来的强夯法等机械碾压法 机械碾压法是利用压路机、羊足碾、平碾、振动碾等碾压机械特地基土压实。 粘性土：每层铺土(虚铺)厚度为200300mm 碾压的效果：压实能量、最佳含水量。 压实系数=施工时所控制的土的干密度d 最大干密度dmax之比 一般控制在0.94-0.97之间。22振动平板夯YT系

10、列冲击压实机可转向式手扶振动压路机四冲程汽油机式高频振动冲击夯 斜坡型单钢轮压振动路机23FX-130凸块轮沟槽压实机 YZ20全液压振动式压路机 蛙式打夯机24垫层碾压主要施工参数垫层碾压质量检验指标为填土最大干密度，关键在于控制每层的铺设厚度和最优含水量（由室内击实试验确定）施工机械、铺填厚度、碾压遍数与填筑含水量注：为了将室内击实试验结果用于设计和施工，必须研究室内击实试验与现场碾压的关系，各施工参数应由现场试验确定，在现场应以压实系数和施工含水量进行控制。施工机械每层铺填厚度每层压实遍数平碾（8-12t)200-3006-8羊足碾（5-16t)200-3508-16蛙工夯（200kg)

11、200-2503-4振动碾（8-15t)600-13006-8振动压实机1200-150010冲击碾压机700-1200插入式振动器200-500平板式振动器150-250现场碾压12遍较为合适25二、重锤夯实法 用起重机将夯锤提升到一定高度，然后自由下落，不断重复夯击以加固地基。适于地下水位距地表大于0.8m的稍湿粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土。注：1、重锤夯实宜一夯挨一夯的顺序进行；2、单独柱基基坑内，宜按先外后里的夯击顺序进行；3、同一基坑底面标高不同时，应先深后浅、逐层夯实；4、累计夯击10-20次，最后两击平均夯沉量，砂土不超过5-10mm，细料土不超过10-20mm；5

12、、现场试验应确定最少夯击遍数、最后平均夯沉量、有效夯实深度（有效夯实深度达1m，可消除1-1.5m厚土层的湿陷性。）26三、平板振动法 使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少，透水性好的松散杂填土地基的方法。振实效果与填土成份、振动时间等因素有关注：1、施工前需试振，得到稳定下沉量与时间的关系(建筑垃圾振动时间约在1min以上，细粒填土振动时间约在3-5min，有效振深为1.2-1.5m)2、振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两侧，后振中间；3、振动合格标准为振动机原地振实不再继续下沉，并辅以轻便触探检验其均匀性与影响深度。27 砂石是良好的换填材料（以中粗砂为好）。砂垫层含泥量

13、不宜超过5 % ，也不得含有草根、垃圾等有机质杂物。如用作排水固结砂石材料垫层,含泥量不宜超过3 %；并且不应夹有过大的石块或碎石,因为碎石过大会导致垫层本身的不均匀压缩,一般要求碎(卵) 石最大粒径不宜大于50mm ，对于湿陷性黄土地基不应选用透水性的砂石垫层。 采用细砂作为换填材料，应改善材料的级配状况，应掺入30%-50%的碎石（最大粒径不超过50mm），当碾压（或夯、振）功能较大时，亦不宜大于80mm。一、砂（或砂石）垫层按垫层材料分类1、材料选用282.施工参数干密度d是砂垫层施工质量控制的技术标准。设计要求的d为室内击实试验dmax与压实系数c的乘积；无击实试验资料时，可把中密状态

14、的d作为设计要求的干密度：中砂为1.6t/m3；粗砂为1.7t/m3；碎石和卵石为2.0-2.2t/m3。注：1.粉质粘土或灰土（夯压）：现场含水量控制在wop2%2.粉质粘土或灰土（振动碾压）：现场含水量控制在wop的-6%+2%3.粉煤灰（夯压）：现场含水量控制在wop4%29碾压法振动法夯实法 分层铺筑分层压实3.施工要点砂和砂石垫层采用什么方法和机具对于垫层的质量至关重要，除下卧层是高灵敏度的软土在铺设第一层时要注意不能采用振动能量大的机具扰动下卧层外，在一般情况下,砂和砂石垫层首选振动法,因为振动比碾压更能使砂和砂石密实。垫层最优含水量可根据施工方法确定：平板振动器： wop=15%

15、-20%平碾及蛙式夯：wop=8%-12%插入式振动器：宜为饱和的碎石、卵石或矿渣充分洒水湿透分层压实质量应控制机械碾压速度：平碾：2km/m 羊足碾：3km/m振动碾：2km/m 振动压实：0.5km/m30二、素土（或灰土、二灰）垫层2.素土垫层土料中有机质含量不得超过5%，不得含有冻土、膨胀土，不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料，碎石粒径不得大于50mm；3.灰土垫层土料宜用粘性土或Ip4的粉土，不得含有松软杂质，粒径不得大于15mm，宜用新鲜的消石灰，石灰粒径不得大于5mm；4.控制垫层质量的压实系数c应符合：当垫层厚度不大于3m时，c大于等于0.93；当垫层厚度大于3m， c大于等于0.

16、95；6.分段施工时不得在柱基、墙角及承重间墙下接缝，接缝处应夯压密实，上下两层的缝距不得小于500mm，灰土应拌合均匀，应当日铺填夯压，压实后3天内不得受水浸泡。5.采用分层填夯（压）实的施工方法，分层虚铺厚度 ；1.垫层承载力由现场载荷试验确定，若无试验资料时，素土垫层不宜超过180kPa，灰土垫层不宜超过250kPa；31碾压法振动法分层铺筑分层压实1.虚铺厚度和碾压遍数应通过现场小型试验确定，若无试验资料，可选用铺筑厚度200-300mm，碾压后的压实厚度为150-200mm；施工压实含水量可控制在wop4%。2.对小型工程可用人工分层摊铺，在整平后用平板振动器或蛙式打夯机压实；对大中

17、型工程可用机械摊铺，整平后用履带式机具初压二遍，再用中、重型压路机碾压；碾压次数一般为4-6遍。注：3.施工宜当天铺筑、当天压实；若压实时呈松散状，应洒水后再压实；若出现“橡皮土”现象应暂缓压实，并开槽、翻开晾晒或换灰；4.施工时最低气温不低于零度，以免其出现冻胀现象；5.每一层粉煤灰垫层经验收合格后，方可进行上层施工。粉煤灰的分层施工检验标准为压实系数0.9-0.95三、粉煤灰垫层32a.对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验可用环刀法、标准贯入法、静力触探、轻型触探试验检验。b.对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验，并均应通过现场试验以设计压实系数所对应的贯入度为标准检验垫层的施

18、工质量。注：用贯入仪检验垫层质量, 对于砂垫层可用钢筋检验, 钢筋直径为20mm 的平头钢筋, 长1. 25m , 垂直距离砂表面0.7m , 自由落下, 测量贯入深度，贯入深度以不大于根据该砂的控制干密度测定的深度为合格。检验点间距应小于4m。质量检验注：环刀容积不应小于200cm3,径高比为1：1，取样前测点表面应刮去30-50mm厚的松砂，环刀内砂样应不包含尺寸大于10mm的泥团和石子。砂垫层干密度控制标准为：中砂为1.6t/m3；粗砂为1.7t/m3 。33c.垫层的施工质量检验必须分层进行，应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。d.采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应位于每

19、层土厚度的2/3深度处。检验点数量，对大基坑每50-100m2不应少于1个检验点，对基槽每10-20m不应少于1个点，每个独立柱基不应少于1个点。采用贯入仪或动力触探检验垫层的施工质量时，每分层检验点间距应小于4m。e.竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点，对于大型工程则应按单体工程的数量或工程的面积确定检验点数量。垫层施工完后应满足的压实系数0.94-0.9734 工程实例35例题1某油灌站机房的基础进行设计时, 由钻探资料显示, 该地为很厚的软粘土层, 其承载力标准值fak=80kN/m2, 重度=17kN/m3, IL=1.00, e=1.00。已知机房独立基础

20、承受上部结构荷载设计值F=155kN, 设计室内高差为0.3m, 室外基础埋深0.80m。从以上数据可知, 该基承载力和变形不能满足设要求。如何采用换填法处理上述地基？1、确定垫层材料在垫层材料方面, 采用中砂作为垫层, 其承载力设计值按f=180kN/m2 计算( 施工时砂垫层密度控制在中密程度) , 重度取=19.5kN/m3。解：所以，取l=b=1m2、确定基底尺寸考虑该独立基础为正方形基底，由公式得：平均埋深363、确定垫层厚度假定该砂垫层厚度为1m，所以：由z/b=1查表得扩散角=30o对软土地基承载力标准值进行深度修正， 由IL=1.00, e=1.00查表得d=1.1，所以：故砂

21、垫层厚度为z=1m符合要求。374、确定垫层宽度取垫层顶底面宽度为2.5m，满足垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m的要求。 38例题2某基础底面积和埋深如图所示。bl4m5m，埋深d3m，作用基础顶面竖向荷载F10000kN，土层08m皆为细砂，6个细砂试样的内摩擦角平均值为21.7。，变异系数为0.1，重度为17kN/m3。是否要进行地基处理？若采用换填垫层法进行地基处理，填料为碎石，重度为19.5kN/m3，换填垫层厚度为2m，分层压实，使土的内摩擦角达到36。垫层底面宽度应不小于多少？若换填的碎石的最大干重度为1.60t/m3，分层压实的每层控制干密度不应小于多少？39是否要进行地基处理

22、？（pk？fa）由砂土抗剪强度确定地基承载力特征值统计修正系数由规范查得Mb0.51,Md=3.064041下卧层承载力验算 pzpczfaz42各层控制干密度？压实系数43实例3 砂石垫层处理多层建筑下软土地基1、工程概括 某综合楼地质状况大致如表2-4所示。该工程原设计采用振动沉管灌注桩。在桩基施工中，由于振动和排污问题，使得工程在施工了部分桩基后，被迫停工。图2-3为已实施了桩基的部分建筑。4445在重新设计此工程中，面临着所处场地的地基表层很软弱，地基表层约为4m厚的杂填土。此层杂填土的成分较复杂，有碎石、瓦砾等建筑垃圾并含有少量腐殖质。杂填土比较疏松和不均匀，在同一建筑物场地的不同位

23、置，其承载力和压缩性往往有较大差异。地质勘探报告建议此层杂填土不能作为基础的持力层。 另外，新设计的建筑物层数、荷载均相差较大，并且原设计的桩基已有部分施工完等复杂情况。因此，要设计好复杂软弱地基的基础设计有很大难度。462、砂垫层的设计方案为了充分利用天然地基强度，减小基底附加应力和调整基础变形沉降，设计时从三方面入手： （1）在土体不发生整体剪切破坏的前提下，以基础变形沉降为控制条件，对杂填土层在设计六层基础和三层基础区别对待。六层部分，由于荷载较大，杂填土作为持力层，其承载力显然不够。因此，必须将杂填土挖除，采用砂石垫层进行处理。其主要目的在于提高浅基础的承载力，减少基础的沉降量。另外，

24、砂石垫层可以加速软土层的排水固结，不但可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，而还可以加速砂石垫层下软土层的固结，提高其强度。三层部分，由于荷载相对较小，如果同样采用砂石垫层进行处理，将会增加基础的造价。因此，采用杂填土碾压加固地基的方法。实际工程中先挖除大约2m厚的杂填土，余下2m左右的杂填土采用80kN压路机碾压。杂填土的质量以压实系数和现场含水量控制。实际工程的设计压实系数达到0.940.97. 为了协调桩基、砂石垫层之间的差异沉降，碾压后的杂填土的变形模量控制在40005000kPa范围。47（2）扩大基础底面积，减小附加应力。通过利用基础底板宽度和刚度的变化以及持力

25、层的变形模量的改变，调整基础的沉降差和基础内力。（3）尽量减轻结构自重，对基础部分，采用补偿基础原理，将基础埋置深些，底层采用架空板，基础底板和架空板之间尽量少覆盖土。上部结构非承重隔墙均采用大孔砖，以减轻上部结构自重。在新设计中，将六层和三层部分以及已施工完的桩基部分用沉降缝分开，见图22。已施工的部分桩基采用振动灌注桩，桩断面尺寸为425mm425mm，桩长为17m左右。桩尖持力在粉质黏土上，桩的承载力设计值为500kN，见图23。 经过二年多的使用，通过回访和建设单位的反映，该建筑物使用正常，未发现任何异常情况。建筑物的沉降及沉降差控制在规范允许范围之内，各单元的沉降差没有明显的差异。说

26、明该建筑物的基础设计是成功的。4849505152工程实例灰土和素土垫层处理二期工程湿陷性黄土地基工程概括主楼12层框架结构，裙房三层，钢筋混泥土筏板基础。平面形状为燕翼形。基底压力为200kpa。工程地质条件据勘察报告，在深度38m范围内可分为18个亚层，与地基处理有关的是最上面的七层土，以下列出六层土的物理力学指标，见下表所示。从表中可看出，第六层以下各土层湿陷性已完全消除，土层分布见图所示。535455565758垫层材料选择 1)砂石 应选用级配良好的中粗砂，含泥量不超过3，并应除去树皮、草皮等杂质。若用细砂，应掺入3050的碎石，碎石最大粒径不宜大于50mm。2)粘土(均质土) 土料

27、中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。3)灰土 体积比宜为2:8或3:7。土料宜用粘性土及塑性指数大于4的粉土，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。土力学与基础工程 西南科技大学59垫层材料选择 4)素土 素土土料中有机质含量不得超过5，亦不得含有冻土或膨胀土，不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料，碎石粒径不得大于50mm。5)粉煤灰 可分为湿排灰和调湿灰。可用于道路、堆场和中、小型建筑、构筑物换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土300cm。6)干渣 干渣垫层材料可根据工程的具体条件选用分级干渣、混

28、合干渣或原状干渣。小面积垫层一般用840mm与4060mm的分级干渣，或060mm的混合干渣；大面积铺垫时，可采用混合干渣或原状干渣，原状干渣最大粒径不大于200mm或不大于碾压分层虚铺厚度的2/3。 60击实筒护筒击锤导筒试验所用设备：击实仪测定最佳含水量方法：击实试验轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm 重型击实试验适用于粒径小于20mm的土，击实筒容积为2130cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm 。分五层击实，每层56击。根据击

29、实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度现场填土的压实质量用下列两个指标来检验：压实系数c=d/dmax、施工含水量w=wop2%61素土（灰土、二灰）垫层设计(1)素土、灰土垫层简介素土垫层（土垫层）灰土垫层（石灰与土体积比2：8，3：7）湿陷性黄土地区处理厚度1-3m减小地基的总湿陷量(以土治土)素土垫层 灰土垫层局部垫层 整片垫层 分类设置在矩形基础或条基下，每边超出基底宽度不小于其厚度一半，用于消除地基部分湿陷量；无法阻水从垫层侧面渗入下部未处理湿陷性土层。设置在整个建筑物的平面范围内，每边超出基底宽度不小于其厚度，并不得小于2m，用于消除被处理土层的湿陷量，并防止水从垫层上部或侧向渗入下部未处理湿陷性土层。消除湿陷性消除湿陷性，提高承载力和水稳性62(2)局部垫层一般设置在基础底面下，可消除部分湿陷量，其平面处理范围每边超出基底宽度，可按下式计算，并不小于垫层厚度一半：式中： B为需处理土层底的宽度 b为条基短边宽度 c为考虑机具影响而增设的附加宽度0.2m 为基底压力扩散角，宜为22-30o，用素 土时