第3章-换填垫层法

第3章--换填垫层法第一页，共59页。3.1概述

3.1Introduction

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，将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法，它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。第二页，共59页。加固原理：是根据土中附加应力分布规律，使垫层承受上部较大的应力，软弱土层承担较小的应力，以满足设计对地基的要求。第三页，共59页。该法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软弱土层与低洼区域的填筑。一般处理深度为2～3m。处理的对象：淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、杂填土地基。换填材料：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等根据实验结果及实测资料可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的设计方法进行计算。第四页，共59页。换土垫层法垫层种类适用范围砂（沙砾、碎石）垫层多用于中小型建筑工程的滨、塘、沟等的局部处理。适用一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。不宜适用湿陷性黄土地基，也不适宜大面积堆载。砂垫层不宜用于有地下水且流速快、流量大的地基处理。不宜采用粉细作垫层。素土垫层适用中、小型工程及大面积回填，湿陷性黄土地基处理。

灰土或二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，也可用于膨胀土地基的处理。

粉煤灰垫层用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程的大面积填筑，粉煤灰垫层在地下水位以下时，强度降低30%左右。

干渣垫层地坪、堆物等工程大面积的地基处理和场地平整，铁路、道路地基等，但受酸性和碱性废水影响的地基不得用干渣作垫层。第五页，共59页。3.2垫层的作用

3.2FunctionsofCushion1、提高持力层的强度，将基底压力扩散到垫层以下的软弱地基，使软弱地基土中所受应力减小到该软弱地基土的容许承载力范围内，满足强度要求；2、垫层置换软弱土层，可减少地基的变形量；3、加速软土层的排水固结。垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层作为良好的排水面，使基础下的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度；4、防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，可防止寒冷地区土中结冰造成的冻胀；5、对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，可以消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性。第六页，共59页。

1普洛特（Proctor）假说当粘性土的含水量较小时，土粒表面的结合水膜很薄（主要是强结合水），颗粒间很大的分子力阻碍着土的压实，这时压实效果就比较差；当含水量增大时，结合水膜逐渐增厚，粒间联结力减弱，水起着润滑的作用，使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；但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，压实时，孔隙水不易排出，形成较大的孔隙压力，势必阻止土粒的靠拢，所以压实效果又趋下降，这就是土的压实机理。3.3土的压实原理

3.3MechanismofSoilCompactness第七页，共59页。第三节垫层施工第八页，共59页。2控制压实效果的主要因素（1）最优含水量在一定的压实机械的功能条件下，土最易于被压实、并能达到最大密实度时的含水量，称为最优含水量，相应的干密度称为最大干密度。最优含水量大致为塑限＋2％。土中粘土矿物含量大，则最优含水量越大。（实际干密度比理论值小）（2）压实功能当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大。所以，在压实工程中，若土的含水量较小，则需选用夯实功能较大的机具，才能把土压实至最大干密度。第九页，共59页。

（3）压实条件指压实时被压实土层的特点，所采用压实机械的功能和性能，压实的方法和方式等。室内击实试验的结果只能作为工程实践的参考。（4）其他因素土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的材料等因素对压实效果是有影响的。颗粒越粗，就越能在低含水量时获得最大的干密度；颗粒级配越均匀，压实曲线的峰值范围就越宽广而平缓；对粘性土，其压实效果与其中的粘土矿物成分含量有关。第十页，共59页。

要求：1）足够的厚度：置换可能受到剪切破坏的软弱土层，满足地基强度和变形的要求2）足够的宽度：防止垫层向两侧挤出增加沉降3）形成一个排水层面，以利于软土的排水固结3.4垫层设计(DesignofCushion)第十一页，共59页。3.4垫层设计(DesignofCushion)1垫层的厚度的确定垫层的厚度z应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：

式中pz－－相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；

pcz－－垫层底面处土的自重压力值（kPa）；faz－－垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。第十二页，共59页。

垫层底面处的附加压力值可分别按下两式计算：对条形基础

对矩形基础

式中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）；

pk

－－相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（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，宜通过试验确定，当无试验资料时，可按下表采用。第十三页，共59页。压力扩散角

换填材料z/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、卵石、碎石、矿渣粉质粘土、粉煤灰

灰土0.2520628≥0.50302328第十四页，共59页。

2垫层宽度的确定方法一：垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定：

式中b’

－－垫层底面宽度（m）；

θ－－压力扩散角，按上表采用；当在z/b小于0.25时，仍按表中z/b＝0.25取值。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。第十五页，共59页。2、垫层宽度的确定方法二：按侧面土的承载力标准值确定第十六页，共59页。3、垫层承载力的确定现场试验确定静载试验、取土分析、标准贯入、动力触探等综合确定。第十七页，共59页。3、垫层承载力的确定不太重要、小型、轻型、沉降要求不高的第十八页，共59页。4、沉降量计算比较重要的建筑物或垫层下存在软弱下卧层的建筑：验算基础的沉降量，使建筑物基础的最终沉降量小于建筑物的容许沉降量。

建筑物基础沉降量等于垫层自身的变形量和软弱下卧层的变形量，即S=SC+SP

SC——垫层自身变量（㎜）；SP——压缩层厚度范围内（自下卧层顶面，即垫层底面算起）S--各土层压缩变形之和（㎜）。第十九页，共59页。4、沉降量计算

垫层自身变形量可按下式计算：

SC=（p+αp）hs/2Es（2-9）式中p——基底压力（kpa）Es——垫层压缩模量，由静载荷试验确定，当无试验资料时，取15～25MPa。

α—基底压力扩散系数。条基：α=b/(b+2hstanθ）矩形基础：α=Lb/(b+2hstanθ）(L+2hstanθ）第二十页，共59页。4、沉降量计算下卧土层的变形量按分压层总和法确定：SP=ψPzb′式中ψ

——沉降计算经验系数，按地区沉降观测资料及经验确定，也可按表2-5；Pz——垫层底面的附加应力（kPa）；b′——垫层底宽度（m）；Esi，1—2

—下卧土层第i层在100-200KPa下的压缩模量（kPa）；δi,

δi-1—垫层底面计算点分别到第i层和i-1层土底面的沉降系数；n——下卧层计算深度内划分的土层数。

第二十一页，共59页。4、沉降量计算沉降量计算经验系数ψEs(MPa)

附加应力2.54.07.015.020.0Pz≥fk

1.41.31.00.40.2pz≤0.75fk

1.11.00.70.40.2注：Es为沉降计算深度范围内压缩模量当量值；Es=，其中Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。第二十二页，共59页。

5垫层材料的选用（1）砂石。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。（2）粉质粘土。土料中有机质含量不得超过5％，当含有碎石时，粒径不宜大于50mm。第二十三页，共59页。

（3）灰土。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，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜得消石灰，其颗粒不得大于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。第二十四页，共59页。

（5）矿渣。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。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％。（6）其他工业废渣。在有可靠试验结果或成功工程经验时，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。（7）土工合成材料。由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。第二十五页，共59页。3.5粉煤灰垫层(FlyashCushion)

粉煤灰垫层适用于厂房、机场、公路和堆场等工程大面积填筑。粉煤灰的工程特性（1）自重轻。松散重度6～7kN/m3，击实后干重度9.2～13.57kN/m3。（2）击实性能好。粉煤灰的最优含水量变动幅度是4％，大于土的2％的变动幅度，因此粉煤灰在回填施工过程中达到设计密实度要求的含水量容易控制，施工质量容易得到保证。（3）抗剪强度。粉煤灰的抗剪强度指标与粉煤灰的灰种、剪切方法、压实系数大小和龄期长短有关。当压实系数为0.9~0.95时,粘聚力为5~30kPa,内摩擦角23~30度。第二十六页，共59页。

（4）压缩性。当压实系数为0.9~0.95时,压缩模量为8～20MPa。（5）承载能力。粉煤灰具有遇水后强度降低的特性，无试验资料时，对压实系数为0.9~0.95的浸水垫层,其承载力可采用120～200kPa，但尚应满足软弱下卧层的强度和地基变形要求。（6）渗透性。粉煤灰颗粒组成近似砂质粉土，渗透系数在10－4～10－5cm/s之间变化，明显大于粘性土，良好的透水性能给多雨地区的施工带来方便，且由于外力引起的孔隙水压力也消散得快。（7）抗液化性。粉煤灰经压实后不会发生液化。第二十七页，共59页。二、土的压实参数

1.压实系数λcρd——现场土的实际控制干密度；ρdmax——土的最大干密度。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第二十八页，共59页。无资料时：

pw——水的密度（kN/m3）η——经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取0.96，粉土取0.97；ds——土颗粒的相对密度（土的比重）；

ωop——土的最优含水量（%），可按当地经验或取ωp+2（ωp为塑限），粉土取14～18%。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第二十九页，共59页。2.含水量施工含水量应尽量接近最优含水量。3.铺填厚度及压实遍数

应通过现场试验确定。采用不同的施工机械，要选择与之相应的参数。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第三十页，共59页。三、填筑要求要求：分层填筑、分层压实同层：分段填筑，上下层相错＞1000

边坡应宽填：需修整：宽填0.2m，不需修整：宽填0.5m。注意：a.分层应接近水平

b.各种土不得混杂使用

c.透水性小的土应铺在透水性大的土之上

3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第三十一页，共59页。

四、压实方法：

机械碾压法重锤夯实法振动压实法3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第三十二页，共59页。机械碾压法采用各种压实机械，如压路机、羊足碾、推土机或其他压实机械来压实地基土的一种压实方法，常用于大面积填土的压实、杂填土地基处理、道路工程及基坑面积较大的换土垫层的分层压实。施工时先按设计挖掉要处理的软弱土层，把基础底部土碾压密实后，再分层填土，逐层压密。压实效果取决于被压实土料的含水量和压实机械的能量。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第三十三页，共59页。机械式振动压路机第三十四页，共59页。羊足碾、蛙式打夯机第三十五页，共59页。蛙式打夯机第三十六页，共59页。重锤夯实法：重锤夯实法是用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。施工顺序：重锤夯实宜一夯挨一夯顺序进行。在独立柱基基坑内，宜按先外后里的顺序夯击。同一基坑底面标高不同时，应按先深后浅的顺序逐层夯实。第三十七页，共59页。重锤夯实法：重锤夯实一般适用地下水位距地表0.8m以上非饱和的粘土、砂土、杂填土和分层填土，用以提高其强度，减少其压缩性和不均匀性，也可用于消除或减少湿陷性黄土的表层湿陷性，但在有效夯实深度内存在软弱土时，或当夯击振动对邻近建筑物或设备有影响时，不得采用。

3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第三十八页，共59页。重锤夯实机具设备：1、重锤夯实机具设备：夯锤形状宜采用圆台型，可用>C20钢筋砼，底部填充废铁并设置钢底板以降低重心。锤重≥15kN，底面静压力15～20kpa。2、起吊设备：应采用带有摩擦式卷筒的起重机或其他起重设备。吊车起吊能力>3倍锤重。脱钩夯锤>1.5倍锤重。落距一般控制在2.5～4.5m之间。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第三十九页，共59页。钢筋混凝土夯锤第四十页，共59页。夯击参数：重锤夯实的最优含水量应通过试验确定。夯实的影响深度与锤重、锤底直径、落距以及土质条件等因素有关。对于湿或稍湿，密度为稍密到中密状态的建筑垃圾杂填土，夯实时如采用15kN的锤，底面直径为1.15m，落距为3～4m，其有效夯实深度约为1.1～1.2m（相当于锤径）。施工夯击遍数的确定：一般试夯约6～10遍，施工时可适当增加1～2遍。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第四十一页，共59页。夯击参数

：停夯标准：再增加夯击能量或夯击次数，土的密度不再增加，有时甚至会降低。因此，应进行现场试验，确定符合夯击密实度要求的最少夯击次数、最后下沉量（最后两击的平均下沉量），总的下沉量及有效夯实深度等。对于粘性土及湿陷性黄土，最后下沉量不应大于10～20㎜，砂性土不应超过5～10㎜。以此作为控制停夯的标准。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第四十二页，共59页。夯击参数

：预留土层厚度：试夯时总下沉量加50—100㎜，或△S=hk△S——开挖时预留夯实土厚度，

e、e‘——有效夯实深度范围内，夯实前后土的平均天然孔隙比（由试夯确定）；

h——有效夯实深度（㎝）；

k——经验系数，一般取为1.6～2.0。分层夯实时，每层土的虚铺厚度应试夯确定，一般相当于锤直径，试夯层数不宜少于2层。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第四十三页，共59页。施工要点：1）施工前应试夯。面积不小于10m×10m。2）夯前应检查土的含水量；加水：应待水全部渗入土中一昼夜后方可夯击。减水：铺撒吸水材料（如生石灰、干土等）换土或其它有效措施处理。3）周边作好排水措施，防止坑内灌水。4）夯实范围>基础底面，每边超出0.5m；5）宜按一夯挨一夯顺序进行；标高不一致时，先深后浅、逐层夯击；3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第四十四页，共59页。振动压实法：振动压实法是利用各种振动压实机，将松散土振压密实。适用于处理无粘性土或粘粒含量少，透水性较好的松散杂填土以及矿渣、碎石、砾石、砾砂、砂砾石等地基。3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第四十五页，共59页。振动压实法：工作原理:由电动机带动两个偏心块以相同速度反向转动而产生很大的垂直振动力振动压实机械:

振动压实机（2T，振动力98KN）插入式振动器平板式振动器3.6垫层施工方法

3.6

ConstructionofCushion第四十六页，共59页。振动压实机示意图第四十七页，共59页。手扶振动压路机第四十八页，共59页。(内燃)振动平板夯第四十九页，共59页。YZ2型振动压路机第五十页，共59页。振动式平板系列夯实机第五十一页，共59页。压实效果：一般杂填土振实后，地基承载力特征值可达100～120kPa。振动压实效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，效果越好，但超过某一值后，振动引起的下