软弱地基处理技术之换土垫层法施工

重庆交通大学河海学院吴文雪软弱地基处理技术之换土垫层法施工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。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。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。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。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。

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第三节垫层施工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。

（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。

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)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。

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。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

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。2、垫层宽度的确定方法二：按侧面土的承载力标准值确定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。3、垫层承载力的确定不太重要、小型、轻型、沉降要求不高的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（㎜）。4、沉阶降量继计算垫层自骡身变形摩量可按纽奉下式计践算：SC=（p+沈αp）hs/2浙Es（2-横9）式中p——基底压医力（kp熟a）Es——垫层压桂缩模量纳，由静愈载荷试案验确定渣，当无循试验资把料时，挪取15～25诉MP怎a。α—基底压本力扩散局系数。条基：α=马b/乓(b绕+2印hsta群nθ）矩形基盏础：α=Lb/蛙(b筹+2哭hstan殖θ）(L挠+2著hsta逼nθ）4、沉降隐量计算下卧土妥层的变言形量按分怀压层握总和恐法确除定：SP=ψPzb′式中ψ——沉降课计算鹊经验芳系数岛，按束地区兆沉降们观测注资料困及经惕验确该定，乘也可诉按表2-5；Pz——垫层底残面的附互加应力类（kPa）；b′——垫层底州宽度（m）；Esi，1—2—下卧土捏层第i层在100殃-20尽0KP面a下的压鹿缩模量拐（kP俗a）；δi,δi-纺1—垫层并底面咳计算岸点分摄别到南第i层和i-数1层土腊底面岂的沉钉降系司数；n——下卧陈层计距算深圈度内滔划分通的土雪层数旺。4、沉降删量计算沉降量愚计算经兄验系数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为沉将降计膜算深缸度范锐围内龄压缩秩模量征当量什值；Es=，其中Ai为第i层土辈附加膀应力荒系数勉沿土烧层厚用度的焰积分石值。5垫层而材料享的选垂用（1）砂石。宜选遮用碎石世、卵石悟、角砾丝式、圆砾饰、砾砂脊、粗砂归、中砂招或石屑壤（粒径润小于2m首m的部意分不欣应超戚过总鲁重的45％）增，应伞级配恩良好魔，不跳含植赴物残棚体、夫垃圾护等杂尸质。漆当使财用粉沾细砂朴时，陶应掺吹入不紧少于饥总重30％的呜碎石豪或卵胀石。丛砂石拳的最秆大粒悉径不洲宜大稠于50m辈m。（2）粉质锄粘土。土料亦中有机架质含量绸不得超首过5％，当援含有碎身石时，宰粒径不蹈宜大于50犹mm。（3）灰土。体衔积配备合比沾宜为2：8或3:棚7。土脂料宜秋用粉河质粘谋土，撒不宜典使用毛块状身粘土吨和砂享质粉还土，歼不得换含有丢松软含杂质竭，并队应过软筛，朗其颗候粒不刺得大粱于15m析m。石灰期宜用新垃鲜得消户石灰，景其颗粒萄不得大端于5m慨m。（4）粉煤瓶灰。可摊用于腐道路良、堆浪场和被小型舍建筑竿物、面构筑陡物等摆的换塞填垫差层。味粉煤倾灰垫黄层上保宜覆沟土0.谨3～0.水5m。（5）矿渣。主要犹用于堆样场、道算路和地被坪，也纤可用于诉小型建颈筑物、狸构筑物柄地基。奶选用矿素渣的松墙散重度魔不小于11责kN虾/m3，有机敞质及含嚼泥总量泼不超过5％。（6）其他工辛业废渣。在有窑可靠试湖验结果务或成功图工程经估验时，爱对质地愚坚硬、豪性能稳皇定、无库腐蚀性书和放射岁性危害格的工业染废渣等混均可用耍于填筑窝换填垫伞层。（7）土工合够成材料。由弹分层明铺设固的土这工合跟成材瓣料与倘地基饺土构桑成加仇筋垫蓝层。3.5粉煤吼灰垫片层(F醋ly围as律h宇Cu工sh曲io戒n)粉煤检灰垫硬层适疤用于佩厂房差、机茅场、顾公路思和堆横场等向工程闸大面阔积填曾筑。粉煤灰罢的工程忽特性（1）自重颜轻。松搞散重度6～7kN灭/m3，击陶实后集干重庄度9.2～13.嗽57教kN/舅m3。（2）击实坏性能好疮。粉煤恳灰的最未优含水头量变动挖幅度是4％，大急于土的2％的熊变动卵幅度荐，因日此粉盐煤灰冤在回夜填施伞工过佣程中膨达到岩设计捧密实两度要樱求的知含水忆量容束易控陵制，沉施工言质量卷容易祥得到躺保证刘。（3）抗剪偏强度。轰粉煤灰迷的抗剪仅强度指滥标与粉侦煤灰的耀灰种、隔剪切方冷法、压脱实系数的大小和汤龄期长类短有关梦。当压鞋实系数营为0.9瘦~0.怖95时,粘聚力竞为5~奋30规kP哪a,内摩擦敞角23~汪30度。（4）压具缩性趟。当拼压实彩系数绢为0.油9~畜0.臭95时,压缩慈模量犹为8～20暂MP贸a。（5）承载撒能力。诉粉煤灰跳具有遇怜水后强息度降低砖的特性驾，无试读验资料芝时，对仰压实系滩数为0.复9~浆0.高95的浸水召垫层,其承朱载力词可采喷用12傲0～20掀0k妖Pa，但尚寒应满足塌软弱下期卧层的讲强度和血地基变竟形要求其。（6）渗婆透性我。粉省煤灰汤颗粒夏组成假近似浇砂质尿粉土饿，渗皇透系半数在10－4～10－5cm/凶s之间践变化扇，明渔显大绘于粘侵性土滴，良挣好的尘透水燃性能牛给多己雨地喝区的请施工好带来气方便型，且恢由于夫外力掀引起辽的孔绑隙水决压力计也消促散得颗快。（7）坚抗液骆化性扮。粉樱煤灰弊经压考实后帝不会梢发生途液化秋。二、土屡的压实飘参数1.压实轿系数λcρd—枣—现场土锈的实际宇控制干秧密度；ρdm外ax—括—土的偶最大图干密倡度。3.6垫层施晃工方法3.谣6Co则ns经tr列uc恋ti凉on狸o辣f铁Cu贷sh芝io拦n无资料御时：pw——水的卸密度冬（kN浪/m3）η——经验系笛数，粘晚土取0.钢95，粉疑质粘伟土取0.9刻6，粉骨土取0.寸97；ds——土颗粒爆的相对洋密度（萌土的比确重）；ωop——土的吴最优奖含水把量（%），可愈按当地篇经验或遍取ωp+2（ωp为塑错限）衔，粉映土取14～18%。3.6垫层弓施工垄方法3.6Co阻ns痰tr患uc伶ti威on勒o淹f挖Cu贿sh尼io颗n2.含水量施工含既水量应渔尽量接殿近最优内含水量孩。3.铺填族厚度葬及压舱实遍镰数应通子过现猾场试院验确滴定。掉采用宋不同侍的施辩工机扇械，晃要选抱择与以之相友应的花参数材。3.6垫层侮施工润方法3.6Co验ns凑tr响uc垃ti圆on芬o付f锯Cu挽sh弓io仆n三、填腹筑要求要求：臣分层填悬筑、分勾层压实同层：翅分段填性筑，上冈下层相干错＞10盖00边坡穷应宽腰填：凳需修警整：决宽填0.2察m，不需箭修整翁：宽道填0.茧5m。注意购：a.分层睬应接旅近水渣平b.各种土拦不得混怎杂使用c.透水葱性小相的土草应铺比在透介水性港大的视土之财上3.6垫层施衡工方法3.谊6Co如ns挠tr耕uc型ti驱on待o刊f颠Cu携sh馋io斑n四、尘压实劲方法：机械碾德压法重锤顽夯实杜法振动资压实窝法3.6垫层状施工杜方法3.6Con峡str鄙uct邪ion火of忍Cu意shi易on机械碾朗压法采用各上种压实季机械，览如压路忙机、羊妈足碾、齿推土机碍或其他嫁压实机传械来压糟实地基胖土的一趋种压实骂方法，英常用于大面积老填土的冷压实、盗杂填土挺地基处蝴理、道步路工程士及基坑帐面积较互大的换驰土垫层轨的分层世压实。施工时哀先按设革计挖掉共要处理泄的软弱大土层，隆把基础寻底部土舞碾压密呆实后，滑再分层捞填土，箩逐层压扶密。压牺实效果屯取决于督被压实秀土料的哄含水量开和压实绒机械的烂能量。3.6垫层施肃工方法3.巾6Co达ns室tr撤uc亚ti坡on犬o妨f煮Cu季sh阵io肤n机械对式振块动压壁路机羊足些碾、莲蛙式惑打夯惕机蛙式打孕夯机重锤喜夯实没法：重锤仪夯实京法是坦用起桑重机虎械将竿夯锤星提升被到一胃定高饿度，番然后湿自由奇落锤奔，不锣断重祸复夯兄击以签加固刊地基缎。施工顺嫂序：重锤夯咳实宜一警夯挨一船夯顺序侵进行。畅在独立绕柱基基器坑内，煌宜按先臣外后里脉的顺序树夯击。维同一基消坑底面池标高不卵同时，据应按先蜻深后浅误的顺序碧逐层夯务实。重锤坐夯实秋法：重锤誓夯实绣一般厦适用非地下犁水位训距地杨表0.8狗m以上非耍饱和的标粘土、绝砂土、席杂填土鹿和分层租填土，照用以提赔高其强量度，减话少其压历缩性和抽不均匀挂性，也惨可用于桃消除或燃减少湿序陷性黄喷土的表梳层湿陷铜性，但在有条效夯实火深度内址存在软弦弱土时往，或当谋夯击振跟动对邻留近建筑鞠物或设环备有影兴响时，饶不得采胀用。3.边6垫层施玻工方法3.舟6Co症ns平tr废uc狠ti惧on剑o昌f匪Cu丢sh坑io菊n重锤特夯实庭机具裙设备会：1、重心锤夯轻实机星具设崖备逼：夯锤瓣形状师宜采弓用圆拳台型临，可遮用>C2堵0钢筋砼孩，底部味填充废骨铁并设可置钢底膊板以降爸低重心奔。锤重仔≥15k仁N，底面搭静压力15～20秩k糕pa。2、起吊设雄备：应采坝用带如有摩弓擦式解卷筒醉的起凉重机悬或其至他起勒重设私备。吊车帖起吊侍能力>3倍锤重档。脱钩改夯锤>1吉.5倍锤重惩。落距一般控最制在2.5～4.苹5m之间冠。3.扮6垫层柔施工考方法3.6Co宣ns诞tr青uc畜ti井on妥o冷f剑Cu糖sh淹io揭n钢筋久混凝疑土夯记锤夯击串参数倒：重锤撇夯实熟的最优含趴水量应通位过试辆验确彩定。夯实裁的影响深略度与锤重摩、锤底洪直径、悔落距以随及土质串条件等史因素有茧关。对熔于湿或伯稍湿，态密度为眨稍密到筑中密状雄态的建菊筑垃圾呜杂填土相，夯实刷时如采呢用15抹kN的锤上，底辨面直晃径为1.奔15望m，落距划为3～4m，其有捡效夯实叨深度约拔为1.1～1.叹2m（相当铜于锤径读）。施工夯击遍畏数的确商定：晃一般静试夯毅约6～10遍，施倦工时可石适当增刑加1～2遍。3.6垫层施迹工方法3.6Co霉ns闪tr惨uc躺ti沉on胶o听f昆Cu赤sh天io合n夯击给参数：停夯皇标准茶：再箱增加挺夯击遗能量侧或夯军击次披数，昆土的聪密度列不再开增加霸，有厨时甚镰至会赵降低嚼。因腰此，凭应进蹈行现场恭试验绿，确撤定符合夯宣击密实暴度要求询的最少夯把击次数眉、最后蛇下沉量（最后羞两击的祝平均下盼沉量）释，总的下据沉量及有效框夯实君深度等。蔬对于赠粘性融土及丙湿陷更性黄划土，扰最后锋下沉长量不勿应大羊于10～20什㎜，砂哲性土秆不应仆超过5～10㎜。以浊此作涨为控桂制停泻夯的迁标准星。3.6垫层度施工党方法3.横6Con牌str摄uct模ion夜of欢Cu虽shi藏on夯击参蔑数：预留砖土层厕厚度：试紫夯时诱总下让沉量干加50—10分0㎜，或△S=角h睁k△S——开挖魂时预政留夯溉实土圾厚度置，e、e‘—渴—有效奴夯实区深度社范围过内，遥夯实劣前后黑土的扶平均雹天然菠孔隙聚比（积由试矮夯确浙定）或；h——有效讲夯实而深度袜（㎝踏）；k——经验系劫数，一臣般取为1.6～2.宅0。分层夯驰实时，每层录土的姑虚铺舅厚度应试夯扒确定，四一般相物当于锤闹直径，景试夯层扭数不宜担少于2层。3.6垫层霜施工格方法3.交6Co糟ns楼tr忘uc自ti透on掏o宿f田Cu掀sh准io源n施工利要点闹：1）施摆工前没应试汉夯。妈面积李不小径于10揪m×兄10锐m。2）夯智前应皂检查俩土的赤含水奖量；市加水役：应排待水亩全部愁渗入群土中述一昼画夜后鸦方可挤夯击当。减须水：椒铺撒方吸水体材料泉（如爱生石塔灰、直干土娘等）出换土索或其肤它有绕效措悄施处秀理。3）周边粱作好排锣水措施篮，防止蜂坑内灌欣水。4）夯粮实范伏围>基础职底面倡，每些边超寨出0.5验m；5）宜按免一夯挨况一夯顺吉序进行构；标拳高不一突致时，攀先深后字浅、逐汇层夯击庸；3.6垫层施捡工方法3.6Con翠str宣uct来ion父of配Cu窃shi乒on振动遵压实冠法：振动压顷实法是辽利用各挺种振动眠压实机网，将松减散土振贪压密实辆。适用于油处理无轿粘性土秩或粘粒值含量少改，透水边性较好俘的松散捡杂填土盈以及矿秋渣、碎悟石、砾折石、砾荷砂、砂帽砾石等往地基。3.夕6垫层灭施工吗方法3.你6Co地ns大tr是uc扫ti学on亭o也f泉Cu才sh直io劳n振动压答实法：工作原蹦理:由电动庭机带动翁两个偏饮心块以恶相同速停度反向旋转动而亿产生很螺大的垂情直振动败力振动责压实全机械:振动布压实她机（2T，振动倡力98K候N）插入祖式振找动器平板稳式振乏动器3.锡6垫层线施工缎方法3.6Co猜ns搞tr妹uc返ti衫on醉o病f撕Cu嫩sh拍io栏n振动压脱实机示摸意图手扶振药动压路厨机(内燃)振动音平板诊夯YZ劳2型振动仅压路机振动式柏平板系堡列夯实势机压实效烘果：一边般杂填据土振实械后，地堵基承载习力特征近值可达10纷0～12伞0k吩Pa。振动洒压实架效果象与填升土成夹分、混振动尿时间份等因庭素有挣关，奔一般酷振动潜时间柿越长歇，效判果越雕好，蚂但超猛过某须一值柜后，列振动烈引起粥的下晶沉基破本稳漠定，州继续移振动牛不能蛛起到纵进一通步压捧实作协用。振实范跨围应从逗基础边法缘放出0.望6m左右第，先他振基识槽两香边，唉后振乘中间蕉，其振实涨的标注准是以议振动条机原扭地振颠实不提再继汤续下稀沉为请合格怪，并肿辅以锣轻便格触探习试验捆检验夏其均门匀性蜜及影臭响深袋度。各种压就实机械桂铺土厚酬度及压榴实遍数垫层聚的每渗层铺昌填厚倍度及雅压实协遍数四、旱压实能方法抱选择：素填另土宜积用平夺碾和歌羊足膀碾，桨砂石纳等宜过用振登动碾捉和振辛动压文实机游和水截撼法打，当泪有效私夯实般深度虏内土测的饱描和度纱小于死或接盒近0.壁6时，林可采资用重痒锤夯耻实。机械碾雪压速度成应控制记在下述觉范围内泄：平碾咐为2km带/h；羊足脂碾3km息/h；振敌动碾2k糠m/薯h；振洲动压铺实机0.5探km/页h。3.6垫层蔽施工讲方法3.6Con已str跟uct杜ion鸣of裳Cu安shi浆on3.7质量检甲验3.准7踪蝶Q肌ua着li再ty谱V敲er置if极ic援at屿io寺n裂Te君st1对粉质敏