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地基承载力修正：条形基础矩形基础垫层底面处的附加应力σz

，按计算得：式中p

——

基础底面平均压力(kPa)；

σc

——

基础底面标高处的自重应力(kPa)；

l、b

——

基础底面的长度和宽度(m)；

z

——

垫层的厚度(m)；

θ

——

垫层的应力扩散角，按下表选取。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.垫层宽度的确定

垫层顶面宽度：底宽确定后，可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定，垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。

垫层底面宽度：需满足应力扩散和防止垫层向两侧挤出的要求。3.垫层承载力的确定

垫层承载力宜通过现场试验确定；当无试验资料时，可参考下表确定。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各种垫层的承载力特征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续表注：矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于2mm。4.沉降计算式中s——基础沉降量；

s1——垫层自身变形量；

s2——压缩层厚度范围内（自垫层底面算起）各土层压缩变形之和。

对于碎石、卵石、砂夹石、砂和矿渣等粗粒换填材料的垫层由于在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小，因而在地基变形计算中，可以忽略该部分；但对于细粒材料，尤其是厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。

s1计算中，应力可取垫层顶面和底面压力的平均值。一般砂垫层Es=2030MPa；粉煤灰则Es=820MPa，碎石、卵石为3050MPa。无论是地基还是垫层，其沉降计算均可传统分层总和法计算。

某砖混结构办公楼，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1.0m，承重墙传至基础的荷载F=180kN/m；地表为1.5m厚的杂填土，γ=16kN/m3，γsat=17kN/m3；下面为淤泥层，γsat=19kN/m3，地基承载力特征值fak=67kPa，地下水埋深1.0m。试设计基础的垫层。

【解】

⑴垫层材料选中砂，并设垫层厚度z=1.5m，则垫层的应力扩散角θ=30°

。例题（2）垫层厚度的验算基础底面平均压力设计值p为：基底处的自重应力：

σc=16×1.0=16kPa垫层底面处的附加应力垫层底面处的自重应力:数ηd=1.1）:故满足涨强度要切求，垫快层厚度虑选定为1.5m合适。（3）确孕定垫临层底母宽b′取b′为3m，按1：1.5边坡开挖三。二、哲土垫腰层设饮计素土、灰盖土、二灰祥土总称土案垫层。适谱于处理1~纵3m厚的约软弱饶土层恩。灰土嘉：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。基础记灰土掏垫层宫施工软土地基静上土垫层涌厚度的确咬定与砂垫多层相同。（1）对非窝自重湿扩陷性黄医土地基恳上的垫匙层厚度作应保证携天然黄牲土层所抓受的压趣力小于买其湿陷柱起始压值力值。（2）对伯自重予湿陷藏性黄旅土地毙基上雕，垫戴层厚铅度应孩大于高非自聚重湿恩陷性湾黄土壤地基加上垫1.厚度确定2.宽度垒确定按照处统理范围式中b——灰土顶面博基础砌体亿宽度；z——灰土厚度喂。灰土衔垫层醋的宽原度可叫取（1）局衡部垫油层：一般设置序在矩形（腾或方形）捆基础或条日形基础底竟面下，其岂平面处理昏范围，每迹边超出基烘础底面的（2）整受片垫绪层：1.化学性筒质粉煤灰和佩天然土中左的化学成急分具有很斩大的相似签性，具有醉火山灰的恒特性，在舰潮湿条件素下具有凝粮硬性，与邀二氧化硅鞭，三氧化赖二铝等物挺质进行水例化反应，崖生成水化残产物，使蹈碾压密实简的粉煤灰坑颗粒胶结赠固化形成卸块状结构常，可提高首粉煤灰的忠强度，降棵低压缩变虾形，增强魔抗渗性和盐水稳定性掘。2.物理性质粉煤灰的役压实曲线老与粘性土愁相似，具膊有相对较烈宽的最优栽含水量区姻间，其干匪密度对含料水量的敏联感性比粘蓝性土小，展最优含水耕量易于控嚼制。三、粉煤验灰垫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哀分类晓及适百用范烈围§3－4垫层滔施工一、土的听压实机理土一般由牢固体颗粒获、水、空泊气组成。嘉土中固、愉液、气三掌相组成的浪比例反映岛干湿、密临实程度，奋对评价土得的工程性斥质有重要护意义，是微垫层压实傻参数选择骂的依据。实践度证明悦，要愈使土旬的压毫实效每果最寻好，辰其含逗水量者一定轰要适骄当。继对过侵湿的春土进坟行碾胡压会够出现“橡皮土”，不唯能增势大土万的密暂实度才。对罢很干开的土络进行围碾压贝，也潜不能勒把土边充分稼压实舌。0夸4下8丢1瞧2英16白20夸24能2赛8含水量w(%隔)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dma砌x=1般.8盘6wop=1喜2.宣11.最优醒含水齿量在干钢密度——含水量伴曲线上顺干密度碰的峰值床即为最产大干密绑度，与寸之对应壮的含水僻量即为仓最优含宝水量。（1）当播粘性冒土的欠含水葡量较咏小时酒，水旋化膜魔很薄狡，以勉结合户水为毛主，酱颗粒约间引灿力大石，在阻一定栏的外抗部压惧实功匙作用筒下，西还不德能克掠服这扬种引此力而赚使土寇粒相读对移荷动，宗压实吸效果扇差，沈土的产干密美度较障小；（2）当增加需土的含水拥量时，结学合水膜逐驴渐增厚，捧颗粒间引猾力减弱，坟土粒在相悔同的压实业功能下易团于移动而默挤密，压豆实效果提披高，土的忘干密度也萝随之提高恐；2.干密度——含水量曲折线的物理丙意义（3）当土厕中含水篮量增大含到一定宿程度后杆，孔隙膊中开始躺出现自席由水，馋结合水纯膜的扩淡大作用辩并不明筹显，颗康粒间引燃力很弱芳，但自康由水充础填在孔杯隙中，羞阻止了咬土粒间秤的移动填，并随血着含水早量的继射续增大爹，移动构阻力逐援渐增大血，压实世效果反脱而下降示，土的拆干密度尝随之减折少。3.土的压实导系数λc式中ρd——现场土的停实际控制发干密度；ρdma蛛x——土的最拘大干密拍度。机械浇碾压赶法、绳重锤循夯实倒法和颗振动叹压实士法三挑种。（一赖）机旱械碾挎压法机械碾体压法是售采用压久路机、限推土机蚊、羊足北碾、振扔动碾或羡其它压悄实机械士来压实织软弱地件基土或碌分层填喘土垫层装。常用溉于基坑置面积宽论大和开跪挖土方缴量较大尽的工程插。二、垫层浇施工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竟场地对签碾压设难备选用敞的影响压路机振动压路彼机多边轮曲振动压番路机轮胎碾羊足碾－填粘性土或利粉土Shee产psfo渣otr酷olle确r蛙式糠打夯婆机平板夯施工确步骤:1.将拟建范喘围内一定抓深度内的暴软弱土挖奏出至设计残要求；2.将底部土蚁体碾压加俩固；3.分层填负筑，逐始层加密僵。施工参局数：如施工勤机械、期铺筑厚甚度、碾秧压遍数土与填筑矿含水量养等由工等地试验供确定。为保证有奋效压实质仆量，碾压貌速度要有泳所控制，坏平碾控制岂在2.0km/h，羊足圈碾控制哑在3.0km/h，振动碾务控制在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垫层每层私铺填厚度掉及压实遍少数施工惯中，堤随层先检验愧平均馒干密剩度、芦含水俊量。略采用义环刀疑法或扶贯入守测定碎法。音每个宪基坑箭或100~愤500m2设一个失检验点石。质量检验蓄：碾压法对跨表层地基块加固深度架一般可达2~继3m。一般功粘性土严经表层水压实处佳理，其派地基承乓载力可杀达80~1蔬00kP挽a。重锤顾夯实叶法是被用起尝重机缺械将顺夯锤除（15呢~3吸0k灿N）提升赤到一定优高度（2.5~馒4.5m），然后泛自由落锤演，不断重灾复夯击以惜加固地基怖。（二）重望锤夯实法1.施工复顺序重锤夯共实宜一所夯挨一剖夯顺序勿进行。左在独立章柱基基些坑内，讯宜按先蛾外后里艘的顺序胀夯击。同一基粮坑底面为标高不搁同时，汪应按先叹深后浅咏的顺序矛逐层夯暂实。（1）现场试雷夯；（2）夯击前雅应检查坑她中土的含竟水量；（3）施虾工夯肯打工刚艺；（4）现场像有边坡怖或邻近局建筑物气时，应珍当采用受必要的专防护措允施。3.质量检验不仅要墓检查施科工记录烂及试夯茂最后下谷沉量，附而且要笋检查加机固质量瓶。基槽宁每30m一点，整智片地基每10隐0m2两点以上装。经过重疗锤夯实的随地基承载倦力可达10棍0~守15掀0k忧Pa。2.施工要拆点振动压实消法是利用页各种振动情压实机，购将松散土方振压密实打。适用于处集理无粘性遮土或粘粒破振动压实机的工作原理是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。压实效果：一般杂填土经振实后，地基承载力特征值可达100~120kPa。(三)平板振亲动法振动压实男的效果与贷填土成分船、振动时唱间等因素瓦有关，一狭般振动时判间越长，纺效果越好誉，但振动与时间超过累某一值后胡，振动引议起的下沉融基本稳定汁，再继续中振动就不界能起到进斗一步的压淋实作用。兵因此，施哪工前需进艇行试振，坦得出稳定居下沉量和诵时间的关撕系。参考：对月主要由矿株渣、碎砖腊、瓦块组解成的建筑婆垃圾，振误动时间约包在1m毯in以上；对全含炉灰等惕细粒填土栋，振动时箩间约为3~5况min，有专效振兴实深弯度为1.2~寄1.5m。振实拳范围洗应从粒基础旗边缘疤放出0.昌6m左右，地先振基稳槽两边悠，后振捆中间，欣其振实匀的标准宇是以振拥动机原翻地振实舟不再继华续下沉竟为合格管，并辅暮以轻便唐触探试屡验检验捎其均匀别性及影纱响深度阳。1.垫层材料砂石简：颗粒史级配垃良好搂、质醒地坚傲硬的牛砂石剖（砂搏料的得不均反匀系抚数不盘能小谊于5，以霞中粗逗砂为史好，色可在舱砂中属掺入油一定按数量牵的碎非石，愤但要罚分布参均匀棚），粗不得懂含有之草根值、垃贤圾，检含泥勤量应栏小于5％，对具曲有排水牲要求的爽砂垫层蜻宜控制幼在含泥该量不大小于3%。灰土：土料断宜用便粉质维粘土续，不乌宜使蛋用块真状粘纤土和拍砂质歪粉土颗，石敲灰宜捎用新未鲜的昌消石伐灰。三、砂（勒砂砾、碎究石）垫层映施工（1）施工机胀械应根据榆不同垫层松材料进行析选择，压挣实参数由考现场试验涨确定。（2）不同施贩工机具应鹿采用不同锹的最优含秀水量，尤齿其对素土花和灰土垫袖层应严格勇控制。粉质粘秃土和灰食土的施兴工含水慈量宜控没制在最正优含水图量wop±2%的范围缓内;粉煤灰敏宜控制陆在最优争含水量wop±4%范围钱内;砂石料，构当用平板平式振动器郑时可取15%吸~20钱%，采用窄平碾或匆蛙式夯回时可取8%某~1京2%，用插入炎式振动器角时宜为饱崭和；对于起碎石及卵招石应充分筒浇水湿透平后夯实。2.施工要点（3）不良富地质现银象（如锦垫层下残存在古吸井、古据墓、洞钉穴、旧墓基础、京暗塘等扭），应纳先进行杠清理，牺然后再择施工垫员层。（4）施工过愁程中严禁窗扰动垫层粱下卧的淤厅泥和淤泥任质土等软条弱土层。瓦为避免坑念底土层受号到扰动，糟可保留约200mm厚的土叙层暂不僵挖去，哥待铺筑喊垫层前蝇再挖至规设计标谎高。对街碎石或居卵石垫喷层，其竖底部宜威设置150凶~30蓝0mm厚的吩砂垫平层或葵铺一键层土狐工织亭物，载以防卵止软络弱土往层表亮面的绿局部义破坏蜻。（5）垫层膨的底面委宜铺设狮在同一仰标高上颠，若深贤度不同省，基坑凝底土面雾应挖成贼阶梯状许或斜坡狡搭接，茧并按先三深后浅金的顺序杀进行垫万层施工荡，搭接速处应夯惊压密实淹。（6）当翼地下略水位伐高于良基坑泊底面斩时，灰应采反取排土降水便措施缺。（7）