第二章换填法-地基处理-2课时

换填法一、概念当懦弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，而懦弱土层的厚度又不很大时将基础底面以下处理范围内的懦弱土层的部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为换填法，也叫换填垫层法。二、原理换填法是浅层软土地基的处理方法。是将基础底面以下不太深的处理范围内的懦弱土层挖去，然后以质地坚硬，强度较高，性能稳定好，具有抗侵蚀性的砂，卵石，素土等去分层换填，同时用人工或机械方法进行表层压，夯，振动等处理至满足工程要求的全过程。三、适用范围常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层懦弱土层（淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。一般处理深度为2～3m。适用于处理浅层非饱和懦弱土层、素填土和杂填土等。换填垫层法常用于处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等留意！换填垫层法适用于处理各类浅层懦弱地基。当在建筑范围内上层懦弱土较薄，则可接受全部置换处理。对于较深厚的懦弱上层，当仅用垫层局部置换上层懦弱土时，下卧懦弱上层在荷载下的长期变形可能照旧很大。例如，对较深厚的淤泥或淤泥质土类懦弱地基，接受垫层仅置换上层软土后，通常可提高持力层的承载力，但不能解决由于深层土质懦弱而造成地基变形量大对上部建筑物产生的有害影响；或者对于体型困难、整体刚度差、或对差异变形敏感的建筑，均不应接受浅层局部置换的处理方法。大面积填土产生的大范围地面负荷影响深度较深，地基压缩变形量大，变形持续时间长，与换填垫层法浅层处理地基的特点不同，因而大面积填土地基的设计施工应另行按国家现行有关规范执行。留意！四、垫层的分类垫层分类回填材料砂垫层粉煤灰垫层粉质粘土垫层灰土垫层矿渣垫层其他工业废渣垫层土工合成材料垫层1.砂垫层宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45%），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当运用粉细砂或石粉（粒径小于0.075mm的部分不超过总重的9%）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。对湿陷性黄上地基，不得选用砂石等透水材料。砂石是良好的换填材料，但对具有排水要求的砂垫层宜限制含泥量不大于3%；接受粉细砂作为换填材料时，应改善材料的级配状况，在掺加碎石或卵石使其颗粒不匀整系数不小于5并拌合匀整后，方可用于铺填垫层。提示！2.灰土垫层石灰和土的体积协作比宜为2︰8或3︰7。土料宜用粉质粘土，不宜运用块状粘土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用簇新的消石灰，其颗粒不得大于5mm灰土强度随土料中粘粒含量增高而加大，塑性指数小于4的粉土中粘粒含量太少，不能达到提高灰土强度的目的，因而不能用于拌合灰土。灰土所用的消石灰应符合Ⅲ级以上标准，贮存期不超过3个月，所含活性CaO和MgO越高则胶结力越强。通常灰土的最佳含灰率为CaO+MgO约达总量的8%。石灰应消解3～4d并筛除生石灰块后运用。提示！3.粉煤灰垫层主要工程特性：1.自重轻；7.抗液化性2.击实性能好；8.对环境的影响3.抗剪强度；4.压缩性5.承载实力6.渗透性

可用于道路，堆场和小型建筑，构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.3～0.5m。粉煤灰垫层中接受掺加剂时，应通过试验确定其性能及适用条件。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性平安标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜实行适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。粉煤灰可分为干排灰、湿排灰和调湿灰。按其燃烧后形成玻璃体的粒经分析，应属粉土的范畴。但由于含有CaO、SO3等成分，具有确定的活性，当与水作用时，因具有胶凝作用的火山灰反应，使粉煤灰垫层渐渐获得确定的强度与刚度，有效地改善了垫层地基的承载实力及减小变形的实力。不同于抗地震液化实力较低的粉土或粉砂，由于粉煤灰具有确定的胶凝作用，在压实系数大于0.9时，即可以反抗7度地震液化。提示！4.矿渣垫层垫层运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，构筑物地基。选用矿渣的松散重度不小于11kN/m3，有机质及含泥总量不超过5%。设计、施工前必需对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符合平安规定后方可运用。作为建筑物垫层的矿渣应符合对放射性平安标准的要求。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得接受矿渣垫层。大量填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的环境影响。矿渣的稳定性是其是否适用于做换填垫层材料的最主要性能指标。当矿渣中CaO的含量小于45%及FeS与MnS的含量≈1%时，矿渣不会产生硅酸盐分解和铁锰分解，排渣时不浇石灰水，矿渣也就不会产生石灰分解，则该类矿渣性能稳定，可用于换填。对中、小型垫层可选用8～40mm与40～60mm的分级矿渣或0～60mm的混合矿渣；较大面积换填时，矿渣最大粒径不宜大于200mm或大于分层铺填厚度的2/3。提示！5.粉质粘土垫层土料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。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。

粘土及粉土均难以夯压密实，故换填时均应避开接受作为换填材料，在不得己选用上述土料回填时，也应掺入不少于30%的砂石并拌合匀整后，方可运用。当接受粉质粘土大面积换填并运用大型机械夯压时，土料中的碎石粒径可稍大于50mm，但不宜大于100mm，否则将影响垫层的夯压效果。提示！6.其他工业废渣垫层在有牢靠试验结果或成功工程阅历时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等均可用于填筑换填垫层。被选用工业废渣的粒径、级配和施工工艺等应通过试验确定。7.土工合成材料垫层由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。作为加筋的土工合成材料应接受抗拉强度较高、受力时伸长率不大于4%～5%、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工垫或土工织物等土工合成材料；垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质粘土等材料。当工程要求垫层具有排水功能时，垫层材料应具有良好的透水性。在软土地基上运用加筋垫层时，应保证建筑稳定并满足允许变形的要求。土工合成材料是近年来随着化学合成工业的发展而快速发展起来的一种新型土工材料，主要由涤纶、尼龙、睛纶、丙纶等高分子化合物，依据工程的须要，加工成具有弹性、柔性、高抗拉强度、低伸长率、透水、隔水、反滤性、抗腐蚀性、抗老化性和耐久性的各种类型的产品。如各种土工格栅、土工格室、土工垫、土工网格、土工膜、土工织物、塑料排水带及其他土工复合材料等。用于换填垫层的土工合成材料，在垫层中主要起加筋作用，以提高地基土的抗拉和抗剪强度、防止垫层被拉断裂和剪切破坏、保持垫层的完整性、提高垫层的抗弯刚度，因此利用土工合成材料加筋的垫层有效地变更了自然地基的性状，增大了压力扩散角，降低了下卧自然地基表面的压力，约束了地基侧向变形，调整了地基不匀整变形，增大地基的稳定性并提高地基的承载力。提示！五、垫层的作用(1)提高地基承载力(2)削减沉降量(3)加速懦弱土层的排水固结(4)防止冻胀(5)消退膨胀土的胀缩作用垫层基础六、换填法处理地基前的准备工作查明地层土性质及不良地质现象；查明沟、塘、洞等分布范围和深度；查明填土的成分、范围、厚度、匀整性、填筑年限和方法等查明地下水的埋藏条件、类型、埋深等；查明地下管线、防空洞及地下障碍物的分布范围和走向；查明换填土的来源、种类、规格、价格等垫层的设计一、原则对垫层的设计，即要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的懦弱土层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。二、垫层设计的步骤垫层厚度的确定沉降计算垫层宽度的确定垫层承载力的确定垫层设计垫层尺寸1.垫层厚度的确定(1).垫层厚度应依据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：pz—垫层底面处的附加应力设计值（kPa）;pcz—垫层底面处土的自重压力值（kPa）；faz—经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）(2).pz

、pcz、

faz的确定垫层底面处的附加压力值pz：条形基础：矩形基础：b-矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；l-矩形基础底面的长度（m）；P-基础底面压力的设计值（kPa）；Pc-基础底面处土的自重压力值（kPa）；

z-基础底面下垫层的厚度（m）；θ-垫层的压力扩散角（°）

2.垫层宽度的确定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。关于宽度计算，目前还缺乏牢靠的方法。一般可按下式计算或依据当地阅历确定。b’—垫层底面宽度(m)；θ—垫层的压力扩散角（°），可查表；压力扩散角θ

换填材料z/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾卵石、碎石黏性土和粉土（8＜IP＜14)灰土0.2520628≥0.5302328注:当z/b<0.25时,除灰土取30°外,其余材料均取θ=0°；

当0.25<z/b<0.5时，θ值可内插法求得。垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑阅历的要求放坡，整片垫层的宽度可依据施工的要求适当加宽。留意！3.垫层承载力的确定垫层的承载力宜通过现场试验确定，并应验算下卧层的承载力。三、垫层施工

（一）、垫层所接受的换填材料不同，垫层的施工方法和施工机械也有所不同。垫层施工应依据不同的换填材料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜接受平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可接受蛙式夯、柴油夯；砂石等宜用振动碾；粉煤灰宜接受平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯；矿渣宜接受平板振动器或平碾，也可接受振动碾。振动碾羊足碾平板振动夯

平板振动器蛙式夯柴油夯平碾蛙式夯（二）、施工方法、分层厚度每层压实遍数

垫层的施工方法、分层铺填厚度，每层压实遍数等宜通过试验确定。除接触下卧软土层的垫层底部应依据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，一般状况下，垫层的分层铺填厚度可取200～300mm。为保证分层压实质量，应限制机械碾压速度。施工设备每层铺填厚度（mm）每层压实遍数平碾（8t～12t）200～3006～8羊足碾（5t～16t）200～3508～16蛙式夯（200kg）200～2503～4振动碾（8t～15t）600～13006～8振动压实机(2t，振动力98kN)1200～150010插入式振动器200～500

平扳式振动器150～250

垫层的每层铺填厚度及压实遍数（三）、含水量的限制粉质粘土和灰土垫层土料的施工含水量宜限制在最优含水量ωop±2%的范围内；粉煤灰垫层的施工含水量宜限制在ωop±4%的范围内，最优含水量可通过击实试验确定，也可按当地阅历取用。（四）、其他施工要点

1.当垫层底部存在古井、古墓。洞窟、旧基础、暗塘等软硬不均的部位时，应依据建筑对不匀整沉降的要求予以处理，并经检验合格后，方可铺填垫层。2.基坑开挖基坑开挖时应避开坑底上层受扰动，可保留约200mm厚的土层暂不挖去，侍铺填垫层前再挖至设计标高。严禁扰动垫层下的懦弱土层，防止其被践踏。受冻或受水浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置150～300mm厚的砂垫层或铺一层土工织物，以防止懦弱土层表面的局部破坏，同时必需防止基坑边坡坍土混入垫层。3.基坑排水换填垫层施工应留意基坑排水，除接受水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应接受降低地下水位的措施。4.垫层分段施工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，并按先深后浅的依次进行垫层施工，搭接处应夯压密实。粉质粘土及灰土垫层分段施工时，不得在柱基、墙角及承重窗间墙下接缝。上下两层的缝距不得小于500mm。接缝处应夯压密实，灰土应拌合匀整并应当日铺填夯压。灰土夯压密实后3d内不得受水浸泡。粉煤灰垫层铺填后宜当天压实，每层验收后应刚好铺填上层或封层，防止干燥后松散起尘污染，同时应禁止车辆碾压通行。垫层竣工验收合格后，应刚好进行基础施工与基坑回填。5.土工合成材料垫层的留意事项铺设土工合成材料时，下铺地基土层顶面应平整，防止土工合成材料被刺穿、顶破。铺设时应把土工合成材料张拉平直、绷紧，严禁有折皱；端头应固定或回折锚固；切忌曝晒或袒露；连结宜用搭接法、缝接法和胶结法，并均应保证主要受力方向的连结强度不低于所接受材料的抗拉强度。四、垫层质量检验

垫层施工过程中和施工完成以后，应进行垫层的施工质量检验，以验证垫层设计的合理性和施工质量。必需首先通过现场试验，在达到设计要求压实系数的垫层试验区内，利用贯入试验测得标准的贯入深度或击数，然后再以此作为限制施工压实系数的标准，进行施工质量检验。1.检验方法对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验也可用环刀法、贯入仪、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验；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工质量。压实系数也可接受环刀法、灌砂法、灌水法或其他方法检验。垫层的施工质量检验必需分层进行。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。环刀取样法在夯（压、振）实后的垫层中用容积不小于200cm3的环刀取样，测定其干土重度，以不小于该换填料在中密状态时的干土重度数值为合格。（例如：中砂在中密状态时的干土重度一般为15.5kN/m3