垫层法的作用、分类、设计及施工技术

垫层法的作用、分类、设计及施工技术软土层垫层

垫层法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。

垫层法适用条件：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，且建筑物荷载不太大的地基。换填法的处理深度通常宜控制在3m以内较为经济合理，但不应小于0.5m。

§3－1垫层法分类1.按垫层材料分类：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层、加筋土垫层等。

2.按垫层所起作用分类：换土垫层、排水垫层、加筋土垫层。§3－2垫层的作用1.换土垫层(1)提高地基承载力

地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着基底压力的增大而逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂或其它填筑材料代替软弱土层，就可提高持力层承载力，从而避免地基破坏。

在各类工程中，垫层所起的主要作用有时是不同的，如建筑物基础下的垫层主要是起换土作用；而在路堤和土坝等工程，主要是利用垫层起排水固结作用。（2）减少地基沉降量

基础下地基浅层部分的应力较大，其沉降量一般在地基总沉降中所占的比例也较大，若以密实的砂或密实填筑材料代替浅层软弱土，就可减少地基的大部分沉降量。另外，由于密实垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层上的压力较小，因此也相应减少了下卧土层的沉降量。

（3）加速软弱土层的排水固结

由于砂或碎石等垫层材料的透水性大，当软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力得以迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结，从而提高地基土强度。（4）防止地基土冻胀

由于粗颗粒垫层材料的孔隙较大，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。

2.排水垫层

排水垫层是指软土地基上堤坝或大面积堆载基底等所铺设的水平排水层，一般采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑，必要时在垫层底和上表面增设具有反滤性能的土工合成材料，防止砂石垫层被淤堵和拉裂。其主要作用为：

（1）作为水平排水层和下卧软土层的排水通道，加速地基的排水固结，提高浅层地基的抗剪强度，配合砂井，加固深部软土层；（2）约束软弱下卧层的侧向变形，提高地基的稳定性，并改善其变形性质。3.加筋土垫层

加筋土垫层是指由砂、石和素土垫层中增设各种类型加筋材料组成的复合垫层。如加筋土垫层、土工格室垫层等。其主要作用有以下三个方面：（1）扩散应力，使压缩应力分布均匀；（2）增强砂石垫层的整体性和刚度，减小不均匀沉降；（3）约束软弱土的侧向变形。§3－3换土垫层的设计一、砂垫层的设计垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且应符合经济合理的原则。

设计内容:确定垫层断面合理的厚度和宽度。对于有排水要求的垫层来说，除要求有一定厚度和宽度外，还需形成一个排水面，即在基础底面下设置厚度为30cm的砂、砂石或碎石等透水性大的垫层，促进软弱土的固结，提高强度，以满足上部结构的要求。表达式为：σcz＋σz≤fazfaz——

垫层底面处软弱土层经深度修正后的承载力特征值；

σcz——垫层底面处土的自重应力；

σz——

垫层底面处土的附加应力。1.垫层厚度的确定p0zθσczσzd

垫层厚度一般是根据垫层底面处软弱土层的承载力而确定的。垫层土的类别ηbηd淤泥和淤泥质土01.0人工填土，或e或者大于等于0.85的粘土01.0红粘土含水比大于0.8

含水比小于等于0.800.151.21.4填土压实系数大于0.95、粘粒含量大于10％的粉土最大干密度大于2.1t/m3的级配砂石001.52.0粉土粘粒含量大于10％的粉土粘粒含量小于10％的粉土0.30.51.52.0e及IL均小于0.85的粘性土粉砂、细砂(不包括很湿与饱和时的稍密状态)中砂、粗砂、砾砂和碎石土0.32.03.01.63.04.4地基承载力修修正：条形基础矩形基础垫层底面处的的附加应力σz，按计算得：：式中p——基础底面平均均压力(kPa)；σc——基础底面标高高处的自重应应力(kPa)；l、b——基础底面的长长度和宽度(m)；z——垫层的厚度(m)；θ———垫层层的的应应力力扩扩散散角角，，按按下下表表选选取取。。垫层材料z/b中砂、粗砂、砾砂、碎石类土、石屑粘性土和粉土（8<Ip<14）灰土0.2520º6º28º≥0.5030º23º2.垫层层宽宽度度的的确确定定垫层层顶顶面面宽宽度度：：底宽宽确确定定后后，，可可从从垫垫层层底底面面两两侧侧向向上上，，按按基基坑坑开开挖挖期期间间保保持持边边坡坡稳稳定定的的当当地地经经验验放放坡坡确确定定，，垫垫层层顶顶面面每每边边超超出出基基础础底底边边不不宜宜小小于于300mm。垫层层底底面面宽宽度度：：需满满足足应应力力扩扩散散和和防防止止垫垫层层向向两两侧侧挤挤出出的的要要求求。。3.垫层层承承载载力力的的确确定定垫层层承承载载力力宜宜通通过过现现场场试试验验确确定定；；当当无无试试验验资资料料时时，，可可参参考考下下表表确确定定。。施工方法换填材料压实系数λc承载力特征值（kPa）碾压、振密或夯实碎石、卵石0.94~0.97200~300砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）200~250土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）150~200中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾150~200粉质粘土130~180各种种垫垫层层的的承承载载力力特特征征值值施工方法换填材料压实系数λc承载力特征值（kPa）碾压、振密或夯实石屑0.94~0.97120~150灰土0.95200~250粉煤灰0.90~0.95120~150矿渣——200~300重锤夯实土或灰土0.93~0.95150~200续表表注：：矿矿渣渣垫垫层层的的压压实实指指标标为为最最后后二二遍遍压压实实的的压压陷陷差差小小于于2mm。4.沉降降计计算算式中中s———基础础沉沉降降量量；；s1———垫层层自自身身变变形形量量；；s2———压缩缩层层厚厚度度范范围围内内（（自自垫垫层层底底面面算算起起））各各土土层层压压缩缩变形形之之和和。。对于于碎碎石石、、卵卵石石、、砂砂夹夹石石、、砂砂和和矿矿渣渣等等粗粗粒粒换换填填材材料料的的垫垫层层由由于于在在施施工工期期间间垫垫层层自自身身的的压压缩缩变变形形已已基基本本完完成成，，且且量量值值很很小小，，因因而而在在地地基基变变形形计计算算中中，，可可以以忽忽略略该该部部分分；；但但对对于于细细粒粒材材料料，，尤尤其其是是厚厚度度较较大大的的换换填填垫垫层层，，则则应应计计入入垫垫层层自自身身的的变变形形。。s1计算算中中，，应应力力可可取取垫垫层层顶顶面面和和底底面面压压力力的的平平均均值值。。一一般般砂砂垫垫层层Es=2030MPa；粉粉煤煤灰灰则则Es=820MPa，碎碎石石、、卵卵石石为为3050MPa。无无论论是是地地基基还还是是垫垫层层，，其其沉沉降降计计算算均均可可传传统统分分层层总总和和法法计计算算。。某砖砖混混结结构构办办公公楼楼，，承承重重墙墙下下为为条条形形基基础础，，宽宽1.2m，埋埋深深1.0m，承承重重墙墙传传至至基基础础的的荷荷载载F=180kN/m；地地表表为为1.5m厚的的杂杂填填土土，，γ=16kN/m3，γsat=17kN/m3；下下面面为为淤淤泥泥层层，，γsat=19kN/m3，地地基基承承载载力力特特征征值值fak=67kPa，地地下下水水埋埋深深1.0m。试试设设计计基基础础的的垫垫层层。。【解】⑴垫层层材材料料选选中中砂砂，，并并设设垫垫层层厚厚度度z=1.5m，则垫垫层层的的应应力力扩扩散散角角θ=30°°。例题题（2）垫垫层层厚厚度度的的验验算算基础础底底面面平平均均压压力力设设计计值值p为：：基底底处处的的自自重重应应力力：：σc=16××1.0=16kPa垫层层底底面面处处的的附附加加应应力力垫层层底底面面处处的的自自重重应应力力:经深深度度修修正正得得地地基基承承载载力力设设计计值值faz（查查表表得得深深度度修修正正系系数ηd=1.1）:故满满足足强强度度要要求求，，垫垫层层厚厚度度选选定定为为1.5m合适适。。（3）确确定定垫垫层层底底宽宽b′取b′为3m，按按1：1.5边坡坡开开挖挖。。二、、土土垫垫层层设设计计素土土、、灰灰土土、、二二灰灰土土总总称称土土垫垫层层。。适适于于处处理理1~3m厚的的软软弱弱土土层层。。灰土土：：熟石石灰灰与与粉粉质质粘粘土土按按2：8或3：7比例例拌拌和和。。垫垫层层强强度度随随灰灰量量的的增增加加而而提提高高。。2：8的灰土：当时，其容许承载力也可达300kPa。3：7灰土,当时，其容许承载力可达300kPa以上。基础础灰灰土土垫垫层层施施工工软土土地地基基上上土土垫垫层层厚厚度度的的确确定定与与砂砂垫垫层层相相同同。。（1）对对非非自自重重湿湿陷陷性性黄黄土土地地基基上上的的垫垫层层厚厚度度应应保保证证天天然然黄黄土土层层所所受受的的压压力力小小于于其其湿湿陷陷起起始始压压力力值值。。（2）对对自自重重湿湿陷陷性性黄黄土土地地基基上上，，垫垫层层厚厚度度应应大大于于非非自自重重湿湿陷陷性性黄黄土土地地基基上上垫垫层层的的厚厚度度，，或或控控制制剩剩余余湿湿陷陷量量不不大大于于20cm才能取取得好好的效效果。。1.厚度确确定2.宽度确确定按照处处理范范围素素土垫垫层或或灰土土垫层层可分分为局局部垫垫层和和整片片垫层层。式中b——灰土顶顶面基基础砌砌体宽宽度；；z——灰土厚厚度。。灰土垫垫层的的宽度度可取取（1）局部部垫层层：一般设设置在在矩形形（或或方形形）基基础或或条形形基础础底面面下，，其平平面处处理范范围，，每边边超出出基础础底面面的宽宽度不不应小小于垫垫层厚厚度的的一半半。（2）整片片垫层层：一般设设置在在整个个建筑筑物（（跨度度大的的工业业厂房房除外外）的的平面面范围围内。。每边边超出出建筑筑物墙墙基础础外缘缘的宽宽度不不应小小于垫垫层的的厚度度，并并不得得小于于2m。1.化学性性质粉煤灰灰和天天然土土中的的化学学成分分具有有很大大的相相似性性，具具有火火山灰灰的特特性，，在潮潮湿条条件下下具有有凝硬硬性，，与二二氧化化硅，，三氧氧化二二铝等等物质质进行行水化化反应应，生生成水水化产产物，，使碾碾压密密实的的粉煤煤灰颗颗粒胶胶结固固化形形成块块状结结构，，可提提高粉粉煤灰灰的强强度，，降低低压缩缩变形形，增增强抗抗渗性性和水水稳定定性。。2.物理性性质粉煤灰灰的压压实曲曲线与与粘性性土相相似，，具有有相对对较宽宽的最最优含含水量量区间间，其其干密密度对对含水水量的的敏感感性比比粘性性土小小，最最优含含水量量易于于控制制。三、粉粉煤灰灰垫层层垫层分类适用范围砂垫层多用于中小型工程的局部处理，适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。不适宜用于湿陷性黄土地基。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垫层分分类及及适用用范围围§3－4垫层施施工一、土土的压压实机机理土一般般由固固体颗颗粒、、水、、空气气组成成。土土中固固、液液、气气三相相组成成的比比例反反映干干湿、、密实实程度度，对对评价价土的的工程程性质质有重重要意意义，，是垫垫层压压实参参数选选择的的依据据。实践证证明，，要使使土的的压实实效果果最好好，其其含水水量一一定要要适当当。对对过湿湿的土土进行行碾压压会出出现“橡皮土土”，不能能增大大土的的密实实度。。对很很干的的土进进行碾碾压，，也不不能把把土充充分压压实。。0481216202428含水量量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dmax=1.86wop=12.11.最优含含水量量在干密密度——含水量量曲线线上干干密度度的峰峰值即即为最最大干干密度度，与与之对对应的的含水水量即即为最最优含含水量量。（1）当粘粘性土土的含含水量量较小小时，，水化化膜很很薄，，以结结合水水为主主，颗颗粒间间引力力大，，在一一定的的外部部压实实功作作用下下，还还不能能克服服这种种引力力而使使土粒粒相对对移动动，压压实效效果差差，土土的干干密度度较小小；（2）当增加加土的含含水量时时，结合合水膜逐逐渐增厚厚，颗粒粒间引力力减弱，，土粒在在相同的的压实功功能下易易于移动动而挤密密，压实实效果提提高，土土的干密密度也随随之提高高；2.干密度——含水量曲曲线的物物理意义义（3）当土中中含水量量增大到到一定程程度后，，孔隙中中开始出出现自由由水，结结合水膜膜的扩大大作用并并不明显显，颗粒粒间引力力很弱，，但自由由水充填填在孔隙隙中，阻阻止了土土粒间的的移动，，并随着着含水量量的继续续增大，，移动阻阻力逐渐渐增大，，压实效效果反而而下降，，土的干干密度随随之减少少。3.土的压实实系数λc式中ρd——现场土的的实际控控制干密密度；ρdmax——土的最大大干密度度。机械碾压压法、重重锤夯实实法和振振动压实实法三种种。（一）机机械碾压压法机械碾压压法是采采用压路路机、推推土机、、羊足碾碾、振动动碾或其其它压实实机械来来压实软软弱地基基土或分分层填土土垫层。。常用于于基坑面面积宽大大和开挖挖土方量量较大的的工程。。二、垫层层施工方方法粘性土等软弱土杂填土砂土、碎石土、湿陷性黄土狭窄场地、边角平碾或羊足碾平碾振动碾或振动压实机蛙式夯实机土类和场场地对碾碾压设备备选用的的影响压路机振动压路路机多边轮振动动压路机轮胎碾羊足碾－粘粘性土或粉粉土Sheepsfootroller蛙式打夯机机平板夯施工步骤:1.将拟建范围围内一定深深度内的软软弱土挖出出至设计要要求；2.将底部土体体碾压加固固；3.分层填筑，，逐层加密密。施工参数：：如施工机械械、铺筑厚厚度、碾压压遍数与填填筑含水量量等由工地地试验确定定。为保证有效效压实质量量，碾压速速度要有所所控制，平平碾控制在在2.0km/h，羊足碾控控制在3.0km/h，振动碾控控制在2.0km/h。施工设备每层铺填厚度mm每层压实遍数平碾（8~12t）200~3006~8（矿渣10~12）羊足碾（5~6t）200~3508~16蛙式夯（200kg）200~2503~4振动碾（8~15t）600~13006~8插入式振动器200~500平板式振动器150~250垫层每层铺铺填厚度及及压实遍数数施工中，随随层检验平平均干密度度、含水量量。采用环环刀法或贯贯入测定法法。每个基基坑或100~500m2设一个检验验点。质量检验：：碾压法对表表层地基加加固深度一一般可达2~3m。一般粘性性土经表层层压实处理理，其地基基承载力可可达80~100kPa。重锤夯实法法是用起重重机械将夯夯锤（15~30kN）提升到一一定高度（（2.5~4.5m），然后自自由落锤，，不断重复复夯击以加加固地基。。（二）重锤锤夯实法1.施工顺序重锤夯实宜宜一夯挨一一夯顺序进进行。在独独立柱基基基坑内，宜宜按先外后后里的顺序序夯击。同一基坑底底面标高不不同时，应应按先深后后浅的顺序序逐层夯实实。（1）现场试夯夯；（2）夯击前应应检查坑中中土的含水水量；（3）施工夯打打工艺；（4）现场有边边坡或邻近近建筑物时时，应当采采用必要的的防护措施施。3.质量检验不仅要检查查施工记录录及试夯最最后下沉量量，而且要要检查加固固质量。基基槽每30m一点，整片片地基每100m2两点以上。。经过重锤锤夯实的地地基承载力力可达100~150kPa。2.施工要点振动压实法法是利用各各种振动压压实机，将将松散土振振压密实。。适用于处理理无粘性土土或粘粒含含量少，透透水性较好好的松散杂杂填土地基基。振动压实机机的工作原原理是由电电动机带动动两个偏心心块以相同同速度反向向转动而产产生很大的的垂直振动动力。压实效果：：一般杂填土土经振实后后，地基承承载力特征征值可达100~120kPa。(三)平板振动法法振动压实的的效果与填填土成分、、振动时间间等因素有有关，一般般振动时间间越长，效效果越好，，但振动时时间超过某某一值后，，振动引起起的下沉基基本稳定，，再继续振振动就不能能起到进一一步的压实实作用。因因此，施工工前需进行行试振，得得出稳定下下沉量和时时间的关系系。参考考：：对对主主要要由由矿矿渣渣、、碎碎砖砖、、瓦瓦块块组组成成的的建建筑筑垃垃圾圾，，振振动动时时间间约约在在1min以上上；；对对含含炉炉灰灰等等细细粒粒填填土土，，振振动动时时间间约约为为3~5min，有有效效振振实实深深度度为为1.2~1.5m。振实实范范围围应应从从基基础础边边缘缘放放出出0.6m左右右，，先先振振基基槽槽两两边边，，后后振振中中间间，，其其振振实实的的标标准准是是以以振振动动机机原原地地振振实实不不再再继继续续下下沉沉为为合合格格，，并并辅辅以以轻轻便便触触探探试试验验检检验验其其均均匀匀性性及及影影响响深深度度。。1.垫层层材材料料砂石石：：颗粒粒级级配配良良好好、、质质地地坚坚硬硬的的砂砂石石（（砂砂料料的的不不均均匀匀系系数数不不能能小小于于5，以以中中粗粗砂砂为为好好，，可可在在砂砂中中掺掺入入一一定定数数量量的的碎碎石石，，但但要要分分布布均均匀匀）），，不不得得含含有有草草根根、、垃垃圾圾，，含含泥泥量量应应小小于于5％，对对具具有有排排水水要要求求的的砂砂垫垫层层宜宜控控制制在在含含泥泥量量不不大大于于3%。灰土土：：土料料宜宜用用粉粉质质粘粘土土，，不不宜宜使使用用块块状状粘粘土土和和砂砂质质粉粉土土，，石石灰灰宜宜用用新新鲜鲜的的消消石石灰灰。。三、、砂砂（（砂砂砾砾、、碎碎石石））垫垫层层施施工工（1）施施工工机机械械应应根根据据不不同同垫垫层层材材料料进进行行选选择择，，压压实实参参数数由由现现场场试试验验确确定定。。（2）不不同同施施工工机机具具应应采采用用不不同同的的最最优优含含水水量量，，尤尤其其对对素素土土和和灰灰土土垫垫层层应应严严格格控控制制。。粉质粘土土和灰土土的施工工含水量量宜控制制在最优优含水量量wop±2%的范围内内;粉煤灰宜宜控制在在最优含含水量wop±4%范围内;砂石料，，当用平平板式振振动器时时可取15%~20%，采用平平碾或蛙蛙式夯时时可取8%~12%，用插入入式振动动器时宜宜为饱和和；对于于碎石及及卵石应应充分浇浇水湿透透后夯实实。2.施工要点点（3）不良地地质现象象（如垫垫层下存存在古井井、古墓墓、洞穴穴、旧基基础、暗暗塘等）），应先先进行清清理，然然后再施施工垫层层。（4）施工过过程中严严禁扰动动垫层下