换填垫层法地基处理材料的选用及设计

换填垫层法地基处理材料的选用及设计河南科技大学规划与建筑工程学院高笑娟1、换填垫层法适用条件

当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换填垫层法，简称为换填法。

换填法多用于公路构筑物的地基处理，在建筑工程中也有一定范围的应用。换填法的加固原理是根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。2、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土层的应力减小。（2）减小沉陷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。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量的50％，如以密实砂或其他建筑材料代替上部软弱土层，就可以减小这部分的沉降量。砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层的压力较小，这样也会相应减小下卧土层的沉降量。

（3）加速软弱土层的排水固结（4）防止冻胀

因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀。这时，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在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的，对膨胀土地基而言主要是消除膨胀土的脓缩作用。3、垫层材料的选用（1）砂石砂石垫层材料宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂时，应掺入不少于总重30％的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm，并通过试验确定虚铺厚度、振捣遍数、振捣器功率等技术参数。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。（2）粉质粘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，不得夹有砖材料。当含有碎石时，粒径不宜大于50mm。（3）灰土灰土的体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒直径不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒粒径不得大于5mm。（4）粉煤灰可用于道路、堆场和小型建筑物、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.3—0.5m。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。（5）矿渣垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑物、构筑物地基。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。大量填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的环境影响。4、垫层设计（1）垫层厚度的确定垫层厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并结合式对于矩矩形基基础进行垫垫层厚厚度设设计计计算时时，一一般是是先根根据初初步拟拟定的的厚度度，再再用公公式进进行复复核。。垫层层厚度度一般般不宜宜大于于3m，如果果厚度度太大大，则则施工工困难难；也也不宜宜小于于o．5m，厚度度太小小则垫垫层的的作用用不明明显。。（2）垫层层宽度度确定定垫层顶顶面每每边超超出基基础底底边不不宜小小于300mm或从垫垫层底底面两两侧向向上按按当地地开挖挖基坑坑经验验的要要求放放坡确确定垫垫层顶顶面宽宽度，，整片片垫层层的宽宽度可可根据据施工工的要要求适适当加加宽。。3、垫层层承载载力的的确定定经换填填处理理后的的地基基，由由于理理论计计算方方法尚尚不够够完善善，垫垫层的的承裁裁力宜宜通过过现场场载荷荷试验验确定定。当当无试试验资资料时时，可可按下下表选选用，，并应应验算算下卧卧层的的承载载力。。例题：：某五五层砖砖石混混合结结构的的住宅宅建筑筑，墙墙下为为条形形基础础，宽宽B＝1.2m，埋深深d=1m，上部部建筑筑物作作用于于基础础上的的荷载载F=150kN/m。地基基土表表层为为粉质质粘土土，厚厚h1=1m，重度度γ1＝17.8kN/m3；第二二层为为淤泥泥质粘粘土，，厚15m，重度度＝＝17.5kN/m3，含水水率w＝55％；第第三层层为密密实砂砂砾石石。地地下水水距地地表面面为1m。因地地基土土比较较软弱弱，不不能承承受上上部建建筑荷荷载，，试设设计砂砂垫层层的厚厚度和和宽度度。（回归归修正正系数数Ψf＝0.9，承载载力基基本值值为60kPa）（承载载力修修正系系数ηb＝0，ηd＝1.1）（应力力扩散散角θ=30°，z/B>0.5）（基础础及其其上填填土平平均重重度γG=20kN/m3。）答：（1）假定定砂垫垫层的的厚度度z＝1.6m，并要要求分分层碾碾压夯夯实，，干密密度达达到大大于1.6g/cm3；则应应力扩扩散角角θ=30°。（2）砂垫垫层厚厚度验验算基础底底面平平均压压力设设计值值砂垫垫层层底底面面的的附附加加应应力力（（条条形形基基础础））砂垫垫层层底底面面的的自自重重应应力力地基基承承载载力力标标准准值值地基基承承载载力力设设计计值值地基基稳稳定定性性故满满足足稳稳定定性性要要求求，，且且较较经经济济，，砂砂垫垫层层厚厚度度确确定定。。（3）确确定定砂砂垫垫层层的的底底宽宽砂垫垫层层底底宽宽可可两两边边各各加加宽宽20cm。（4）绘绘制制砂砂垫垫层层剖剖面面图图4、垫垫层层材材料料的的选选用用（1）砂砂石石砂石石垫垫层层材材料料宜宜选选用用碎碎石石、、卵卵石石、、角角砾砾、、圆圆砾砾、、砾砾砂砂、、粗粗砂砂、、中中砂砂或或石石屑屑(粒径径小小于于2mm的部部分分不不应应超超过过总总重重的的45％)，应应级级配配良良好好，，不不含含植植物物残残体体、、垃垃圾圾等等杂杂质质。。当当使使用用粉粉细细砂砂时时，，应应掺掺入入不不少少于于总总重重30％的的碎碎石石或或卵卵石石。。砂砂石石的的最最大大粒粒径径不不宜宜大大于于50mm，并并通通过过试试验验确确定定虚虚铺铺厚厚度度、、振振捣捣遍遍数数、、振振捣捣器器功功率率等等技技术术参参数数。。对对湿湿陷陷性性黄黄土土地地基基，，不不得得选选用用砂砂石石等等透透水水材材料料。。（2）粉粉质质粘粘土土土料料中中有有机机质质含含量量不不得得超超过过5％，，亦亦不不得得含含有有冻冻土土或或膨膨胀胀土土，，不不得得夹夹有有砖砖材材料料。。当当含含有有碎碎石石时时，，粒粒径径不不宜宜大大于于50mm。（3）灰土灰土的体体积配合合比宜为为2:8或3:7。土料宜宜用粉质质粘土，，不宜使使用块状状钻土和和砂质粉粉土，不不得含有有松软杂杂质，并并应过筛筛，其颗颗粒直径径不得大大于15mm。石灰宜宜用新鲜鲜的消石石灰，其其颗粒粒粒径不得得大于5mm。（4）粉煤灰灰可用于道道路、堆堆场和小小型建筑筑物、构构筑物等等的换填填垫层。。粉煤灰灰垫层上上宜覆土土0.3—0.5m。粉煤灰灰垫层中中采用掺掺合剂时时，应通通过试验验确定其其性能及及适用条条件。作作为建筑筑物垫层层的粉煤煤灰应符符合有关关放射性性安全标标准的要要求。粉粉煤灰垫垫层中的的金属构构件、管管网宜采采用适当当防腐措措施。大大量填筑筑粉煤灰灰时应考考虑对地地下水和和土壤的的环境影影响。（5）矿渣垫层使用的的矿谊是指指高炉重矿矿渣，可分分为分级矿矿渣、混合合矿渣及原原状矿渣。。矿渣垫层层主要用于于堆场、道道路和地坪坪，也可用用于小型建建筑物、构构筑物地基基。易受酸酸、碱影响响的基础或或地下管网网不得采用用矿渣垫层层。大量填填筑矿渣时时，应考虑虑对地下水水和土壤的的环境影响响。（6）其他工业业废碴在有可靠试试验结果或或成功工程程经验时，，对质地坚坚硬、性能能稳定、无无腐蚀性和和放射性危危害的工业业废碴等均均可用于填填筑换填垫垫层。被选选用工业废废渣的粒径径、级配和和施工工艺艺等应通过过试验确定定。（7）土工合成成材料由分层铺设设的土工合合成材料与与地基土构构成加筋垫垫层。垫层层填料宜用用碎石、角角砾、砾砂砂、粗砂、、中砂或粉粉质粘土等等材料。当当工程要求求垫层具有有排水功能能时，垫层层材料应具具有良好的的透水性。。在软土地地基上使用用加筋垫层层时，应保保证建筑稳稳定并满足足允许变形形的要求。。（8）聚苯乙烯烯板块垫层层EPSEPS是发泡聚苯苯乙烯俗名名泡沫塑料料。这种材材料具有超超轻的特点点（密度约约0.2～0.3kN/m3），仅为普普通路堤填填料质量的的1/50～1/100；具有耐压压缩性（压压缩强度可可达30～140kN/m2）；具有耐耐水性及化化学稳定性性。EPS块体具有自自立性，对对挡土结构构承受侧向向压力很小小。用EPS块铺筑路堤堤，施工简简单、快速速、方便，，无需大型型施工机械械，工期很很短。EPS材料是公路路路基理想想的超轻质质填筑料。。特别是在在软土地基基上修筑高高速公路，，可起到稳稳定路基，，大幅度减减少沉降，，消除桥头头跳车及降降低对构造造物的水平平推力等作作用。从国外工程程实例分析析，EPS材料50%以上用于道道路工程，，而且主要要用于路堤堤填筑。由由于EPS具有超轻性性、耐压缩缩性、自立立性、耐水水性和施工工简单、方方便等优点点，应用范范围比较广广泛，不仅仅使用于各各种道路，，而且在铁铁路、停车车场、公园园、住宅和和各种建筑筑物上使用用，可以用用作填土、、结构物背背面填料、、防护设施施等。目前该技术术已推广应应用在沪杭杭、杭宁、、甬台温、、杭金衢、、杭州绕城城线等高速速公路上，，上海已用用于同三国国道上海段段的路基设设计。1995年，杭甬望望童跨线桥桥工程，与与原扩孔建建桥方案相相比节省投投资近80万元。1996年，杭州过过境一级汽汽车专用公公路，与原原桩式路堤堤方案相比比节省投资资近105万元。1996年，玉环76省道泽坎线线桥头滑移移EPS处理，与扩扩孔建桥方方案相比节节省投资55万元。1999年，杭宁高高速公路湖湖州段，与与原扩孔建建桥方案相相比节省投投资125万元。2001年，杭金衢衢高速公路路（杭州——金华——衢州）萧山山段，与相相应建桥方方案相比节节省投资115万元。（9）粉煤灰垫垫层粉煤灰垫层层是对软土土地基采用用的换填加加固技术之之一。粉煤煤灰排放堆堆积，不仅仅占用宝贵贵的土地资资源，而且且对生态环环境构成不不同程度的的污染。建建造贮灰场场又要耗费费国家大量量的基本建建设投资费费用和农业业用地。因因此，对粉粉煤灰的处处理和利用用已成为我我国一个比比较突出的的经济和社社会问题，，迫切需要要在岩土工工程范围内内开发利用用粉煤灰资资源，把粉粉煤灰作为为软土换境境材料使用用。经上海海宝钢工程程、上海冷冷轧薄板工工程、上海海关港港区区工程、上上海外高桥桥港区工程程等各项重重点建设工工程境筑粉粉煤灰垫层层的工程实实例证明，，粉煤灰是是一种良好好的地基处处理材料资资源，具有有良好的物物理、力学学性能，能能满足工程程设计技术术要求。1）自重轻。。粉煤灰相对对密度比粘粘性土小得得多，一般般松散重度度为6—7kN/m3，经轻型击击实试验击击实后干重重度为9.2—13.5kN/m3。因此粉煤煤灰的相对对密度和重重度均比粘粘性土为小小。粉煤灰灰自重轻给给回填土工工程带来有有利的一面面，可降低低对下卧土土层的压力力，减少沉沉降，如利利用该特点点，道路路路堤的填筑筑工程高度度现在可提提高至8m，打破了土土路堤4.5m的高度极限限。2）击实性能能好。粉煤灰的颗颗粒组成特特点，使它它具有可振振实或碾压压的条件，，击实试验验曲线峰值值段比天然然土具有相相对宽度的的最优含水水量区间，，粉煤灰的的最优含水水量变动幅幅度是±4％，大于土土的±2％的变动幅幅度。因此此，物煤灰灰在回演施施工过程中中达到设计计密实皮要要求的含水水量容易控控制，施工工质量容易易得到保证证。3）抗剪强度度抗剪试验按按直剪（快快剪）和三三轴剪（固固结不排本本剪）分别别进行，粉粉煤灰的内内摩擦角Φ粘聚力c均与粉煤灰灰的灰种、、剪切方法法、压实系系数大小和和龄期长短短有关。4）渗透性由于粉煤灰灰的颗粒组组成近似砂砂质粉土，，压实过程程与压实初初期都具有有较大的渗渗透系数，，但随着龄龄期的增加加，渗透性性能逐渐减减弱，粉煤煤灰还具有有较强的龄龄期效应。。处于松散散状态下的的细颗粒并并有水存在在时，会在在常温下与与氢氧化钙钙产生化学学反应，形形成具有胶胶凝能力的的化合物，，这种反应应即称为火火山反应。。这种反应应的产物有有效填充了了孔隙，从从而使强度度和抗渗性性能得到改改善，这一一特性还能能使垫层在在后期形成成——块具有隔水性性能的板块，，其刚度和强强度均较好，，这就大大地地改善了地基基的承载能力力。