换土垫层法地基处理垫层设计及垫层施工

地基基处处理理技技术术TechnicalofSoilImprovement河南南理理工工大大学学土土木木工工程程学学院院换土土垫垫层层法法placementcushionmethod换土土垫垫层层法法地地基基处处理理垫垫层层设设计计及及垫垫层层施施工工1概述述2土的的压压实实机机理理3垫层层设设计计4垫层层施施工工5质量量检检验验6工程程实实例例3.1概述述地基基处处理理从从处处理理深深度度上上可可分分为为浅层层处处理理和深层层处处理理，浅浅层层处处理理一一般般认认为为处处理理深深度度大大致致在在地地面面以以下下5m深度度以以内内。。浅层层处处理理与与深深层层处处理理相相比比，，一一般般使使用用比比较较简简便便的的工工艺艺技技术术和和施施工工设设备备，，耗耗费费较较少少量量的的材材料料。。换填填法法就就是是量量大大面面广广，，简简单单、、快快速速和和经经济济的的浅浅层层处处理理方方法法。。换土垫层法的的概念当软弱土地基基的承载力和变形形满足不了建筑筑物对地基的的要求，而软软弱土层的厚度又不是很很大时（一般小于5米），可以将将基础底面一一下软弱土层部分分或全部挖去去，然后换填强度较高的砂砂石或其他性能稳定、无无侵蚀性的材料，并压压（夯、振））实至要求的的密实度为止止。换土垫层：砂砂垫层、砂石石垫层、碎石石垫层、素土土垫层、灰土土垫层、二灰灰垫层、矿渣渣垫层、粉煤煤灰垫层等。。砂石垫层的计计算方法进行行计算垫层法的作用用：1）提高地基承承载力：浅基础地基承承载力与基础础下土层的抗抗剪强强度有关。换换填法以抗剪强度较高的砂或其他填筑筑材料代替较软弱的的土。2）减少沉降量量：一般地基浅浅层部分的沉沉降量在总沉沉降量中所占占的比例较大大的。条形基基础在相当于于基础宽度的深深度范围内的沉降降量约占总沉沉降量的50%左右。采用换填法法可减少这部部分的沉降量量。此外垫层层对应力的扩散作作用，也会减小下卧土层层的沉降量。3）加速软弱土土层的排水固固结：建筑物的不不透水基础直直接与软弱土土层相接触时时，不利于地地基中水的排排出。换填用用的垫层透水性强强，能加速基础础下面的孔隙隙水压力消散散。4）防止冻胀：垫层材料孔孔隙大，不易易产生毛细管现象，因此可以防防止寒冷地区区土中结冰所所造成的冻胀胀。5）消除地基的的湿陷性和胀胀缩性：对与湿陷性性黄土地基，，采用灰土或或素土置换可可消除或减轻轻地基的湿陷变形。同理非膨胀性性材料置换膨膨胀土，可消消除或减轻地地基的胀缩性性。垫层法适用于于适用于浅层地地基处理，包括淤泥、、杂填土、等等地基处理以以及暗塘、暗暗沟等浅层处处理和低洼区区域的填筑。。还适用于一些些地域性特殊殊土的处理：用于消除膨膨胀土地基的的胀缩作用，，可消除湿陷陷性黄土的湿湿陷性。垫层的分类及及适用范围垫层分类适用范围砂(砂石、碎石)垫层

多用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理，适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。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。粉煤灰垫层

适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等大、中、小型工程的大面积填筑。矿渣垫层

适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。但对于受酸性或碱性废水影响的地基不得采用矿渣垫层。土的压实机理理就是对土体的碾压与与夯实使填土或地基基表层疏松土土孔隙体积减小小，密实度提提高，从而降低土的压缩缩性，提高其抗剪强度和承承载能力，减少透水性性，经过处理理的的表层软软弱土能承担担较大的荷载载。3.2土的压实机理理大量工程实践践和试验研究究表明，要使使土的压实效效果最好，其其含水量一定定要适当。对对过湿的土进进行碾压会出出现“橡皮土”，不能增大其其密度。对很干的土机型碾压（夯夯实）也不能能充分夯实。。控制土的压实实效果的主要要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实实效果常用干密度d（单位土体积积内土粒的质质量）来衡量量。土的击实性（（压实性）压实：指通过过夯打、振动动、碾压等，，使土体变得密实实、以提高土土的强度、减减小土的压缩性和和渗透性压实性：指土土在一定压实实能量作用下下密度增长的特性性研究击实性的的目的：以以最小的能量量消耗获得最最大的压实密度，揭示击击实作用下土土的干密度、、含水率和击击实功三者之间的关系系和基本规律律。击实方法：室内击实试验验现场试验:夯打、振动、、碾压土干密度与含水水量的关系曲曲线（击实试试验结果）1.最优含水量对粘性土，当当压实功能和和条件相同时时，土的含水水量过大或过过小，土体都都不易压实，，只有把土的的含水量调整整到某一适宜宜值时，才能能收到最佳的的压实效果。。在一定压实机机械的功能条条件下，土最易于被被压实，并能能达到最大密密度时的含水水量，称为最优含水量wop，相应的干密密度则称为最大干密度dmax。2.粘粒含量的影影响相同压实功能能对于不同的的试料的压实实效果也不同同，粘粒含量较多多的土，土颗颗粒间引力就就越大，只有比较大大的含水量时时才能达到最最大干密度。。3.压实功能的影影响对于同类土，，随着压实功功能的变化，，最大干密度和和最优含水量量也随之变化。。当压实功能较较小时，土压压实后的最大大干密度较小小，对应的最最优含水量则则较大；反之，干密度度较大，对应应的最优含水水量则较小。。4.土的压实参数数经验系数，粘粘土取0.95粉质粘土取0.96粉土取0.975.压实方法1.机械碾压法顾名思义，用用机械自重把把松散土地基基压实加固。。常用于地下水位以上上大面积填土土压实及一般般非饱和粘性性土和杂填土土地基的浅层层处理。2.平板振动法用振动压实机机械在地基表表面施加振动动力以振实浅浅层松散地基基处理方法。。使地基土的的颗粒受振动动，移动至稳稳固位置，减减小土的孔隙隙而压实。实践证明：用用振动压实法法处理砂土地地基以及碎石石、矿渣等渗渗透性较好无无粘土为主的的松散填土地地基效果良好好。振密后的的地基是有较较强的抗震能能力。3.重锤夯实法将重锤提到一一定高度，用用自由落下的的冲击能来夯夯实浅层地基基。经过多次次重复提起、、落下，地基基表面形成一一层较为均匀匀密实的硬壳壳层，从而提提高了地基强强度。经过重重锤夯实的地地基承载力可可通过静荷载载试验确定，，一般可达100～150kPa。羊脚碾：羊脚碾的羊脚脚插入土中，，不仅使羊脚脚底部的土料料受到压实，，而且使侧向向上午土料也也受到挤压，，从而达到均均匀的压实效效果。羊脚碾碾仅适用于压压实粘性土料料和粘土，不适合压非粘粘性土。土料压实层层在一定深度度的范围内，，可以获得较较高的压实干干表观密度，，但土体的干干表观密度沿沿深度方向的的分布不均匀匀。羊脚碾的的独特优点是是能够翻松表表面土层，可可省去刨毛工工序，保证了了上下土层的的结合质量。。此外，羊脚脚碾还能起到到混合土料的的作用，可以以使土料级配配和含水量比比较均匀。羊羊脚顶端接触触应力的过大大或过小，都都会降低碾压压效果。气胎碾：气胎碾适用于于压实粘土料料，也适合于于压实非粘性性土料，如粘粘性土、粘土土、砂质土和和沙砾料等，，都可以获得得较好的压实实效果。气胎胎碾的充气轮轮胎，在压实实过程中具有有一定的弹性性，可以和压压实的土料同同时发生变形形，轮胎与土土料的接触应应力，主要取取决于轮胎的的充气压力，，与轮胎的荷荷载大小无关关。振动碾：振动碾是一种种以碾重静压压和振动力共共同作用的压压实机械，较较之没有振动动的压实机械械，土中应力力可提高4～5倍，因而它能能有效地压实实堆石体、砂砂砾料和砾质质土；也可用用与压实粘性性土和粘土。。夯实机械（重重锤）：夯板使用用于压实沙砾砾料、砾质土土和粘性土，，也可用于压压实粘土。羊脚碾碾碾压压PY220C-2液力驱驱动自自行式式平地地机振动压压路机机重捶夯夯实法法三种处处理方方法的的作用用原理理及适适用范范围3.3垫层的的设计计主要内内容：垫层设设计不不但满满足建建筑物物对地地基变变形及及稳定定的要要求，，而且且符合合经济济合理理的原原则，，应根根据建建筑物物体型型、结结构特特点、、荷载载性质质、岩岩土工工程条条件、、施工工设备备及填填料性性质和和来源源进行行综合合分析析设计计。确定断断面的的合理理厚度度和宽宽度要有足足够的的厚度度来置置换可可能被被剪切切破坏坏的软软弱土土层，，又要要有足足够宽宽度防防止垫垫层向向侧向向挤出出。2.2.1砂垫层层厚度度的设设计：垫层层底面面处的的附加加应力力设计计值（（kPa）;：垫层层底面面处土土的自自重压压力值值（kPa）；：经深度度修正正后垫垫层底底面处处土层层的地基承承载力力特征征值（kPa）垫层底底面处处的附附加压压力值值可按压压力扩扩散角角进行行简化化计算算条形基基础：：矩形基基础：：要求有有足够的的厚度度以置换换可能能被剪剪切破破坏的的软弱弱土层层，又又要求求有足足够大大宽度度以防防止砂砂垫层层向两两侧挤挤出。。1.垫层厚厚度确确定图3-2砂垫层层内应应力分分布2.垫层宽宽度的的确定定垫层宽宽度应应满足足基础础底面面应力扩扩散和防止向向两侧侧挤出出的要求求。:垫层底底面宽宽度(m)；:垫层的的压力力扩散散角，，可按按表2.1-1采用满足基基底应力力扩散散要求，，垫层层顶面面每边边宜超超出基基础300mm,按经验验从垫垫层底面两两侧向向上放放坡。P:基地平平均有有效压压力（（kPa)Fk:基础顶顶面的的竖向向承载载力值值（kN）A:基底面面积（（m2)d：基础础埋深深（m）：回填填土与与基础础的混混合重重度：基底底压力力扩散散系数数对于重重要的的建筑筑或垫垫层下下存在在软弱弱下卧卧层的的建筑筑，还还应进进行地地基变变形计计算。。建筑物物基础础沉降降等于于垫层层自身身的变变形量量S1与下卧卧土层层的变变形量量S2之和。。4)沉降计计算3)垫层承承载力力的确确定例子：：某砖混混结构构办公公楼，，承重重墙为为条形形基础础。宽宽b=1.4,基础埋埋深d=1.5m,传至基基础顶顶部的的竖向向力F=250kN,地基的的表层层为1.8m厚的杂杂填土土，容容重为为；其下下为的的淤泥泥，含含水量量w=50%，承承载力力特征征值fak=80kPa.地下水水位深度为为1.5m,试设计计该基基础的的砂垫垫层。。解：1）垫层层材料料选用用碎石石，设设垫层层厚度度z=1.8,z/b=1.8/1.4=1.29＞0.5,压力扩扩散角角30°°。2）垫层层厚度度验算算：基础底底面以以下平平均压压力：：基底面面处自自重应应力：：条形基基础是基础础的长长度大大于或或等于于10倍基础础宽度度的一一种基基础形形式，，按上上部结结构分分为墙墙下条条形基基础和和柱下下条形形基础础.重度：：20kN/m31.8m承载力力特征征值fak=80kPad=1.5m1.5m垫层底底面处处附加加应力力：垫层底底面处处的自自重应应力：：经过深深度修修正淤淤泥的的地基基承载载力特特征值值因为验算垫垫层厚厚度确定垫垫层宽宽度故取b’=3.6m，按照照1:1.5边坡开开挖建筑地地基基基础设设计规规范（（GB50007-2002）垫层材材料的的选用用砂石,粉质粘粘土,灰土,粉煤灰灰,矿渣,其他工工业废废渣,土工合合成材材料,聚苯乙乙烯(EPS)聚苯乙乙烯(EPS)：在软弱弱地基基的填填土工工程中中，有有时采采用垫垫层材材料的的密度度大，，难以以满足足设计计要求求。这这时采采用EPS，可有有效减减少作作用在在地基基上的的荷载载，借借以取取得设设计和和施工工上的的良好好效果果。可用于于公路路及铁铁路路路堤，，桥头头，挡挡土墙墙，机机场建建设等等换填垫垫层设设计的的总结结垫层材材料碎石，，素土土，灰灰土，，矿渣渣，粉粉煤灰灰等垫层厚厚度要求垫垫层底底面处处自重重应力力与荷荷载作作用下下产生生的附附加应应力之之和不不大于于同一一标高高处的的地基基承载载力标标准值值，一一般0.5-3m。铺设范范围满足基基底应应力扩扩散要要求，，垫层层顶面面每边边宜超超出基基础底底边不不小于于300mm或按按经经验验从从垫垫层层底底面面两两侧侧向向上上放放坡坡。。地基基沉沉降降计计算算一般般仅仅考考虑虑下下卧卧层层沉沉降降。。垫层层施施工工注注意意事事项项基坑坑保保持持无无积积水水。。铺筑筑垫垫层层材材料料之之前前，，应应先先验验槽槽。。施工工中中必必须须避避免免扰扰动动软软弱弱下下卧卧层层的的结结构构，，防防止止降降低低土土的的强强度度、、增增加加沉沉降降。。如采采用用碎碎石石或或卵卵石石垫垫层层，，宜宜先先铺铺一一层层15～20cm的砂砂垫垫层层作作底底面面，，用用木木夯夯夯夯实实，，以以免免坑坑底底软软弱弱土土发发生生局局部部破破坏坏。。3.4垫层层施施工工垫层层底底面面应应等等高高。