换填垫层法定义
土木工程施工第2章 换填垫层法
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
（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。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。在软土地基上使用加筋垫层时，应保证建筑稳定
并满足允许变形的要求。
（8）聚苯乙烯板块垫层EPS
EPS是发泡聚苯乙烯俗名泡沫塑料。这种材料具有超轻 的特点（密度约0.2～0.3kN/m3），仅为普通路堤填料质量
（应力扩散角θ=30°，z/B>0.5） （基础及其上填土平均重度γG=20kN/m3。）
答： （1）假定砂垫层的厚度z＝1.6m，并要求分层碾压夯实，干密 度达到大于1.6g/cm3；则应力扩散角θ=30°。 （2）砂垫层厚度验算 基础底面平均压力设计值
F G 150 1.2 1 20 p 145kPa B 1.2
3、垫层承载力的确定
经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不够完善，
垫层的承裁力宜通过现场载荷试验确定。当无试验资料时， 可按下表选用，并应验算下卧层的承载力。
例题：某五层砖石混合结构的住宅建筑，墙下为条形基础， 宽B＝1.2m，埋深பைடு நூலகம்=1m，上部建筑物作用于基础上的荷载
F=150kN/m。地基土表层为粉质粘土，厚h1=1m，重度γ1＝
换填垫层法
成品保护措施
1)施工过程中应采取措施保护基槽(坑)边坡土体的稳定，防止 坍塌； 2)铺筑完成的砂石地基应在验收合格后及时进行下道工序的 施工。
质量标准 质量记录
1)基槽（坑）的隐蔽验收记录（含地基验槽记录）。 2)砂、石料的试验报告（颗粒级配和含泥量）。 3)每层夯（压）密实后的干密度试验报告和取样点位图。 4)检验批验收记录。
材料控制要点
砂石、粉质粘土、灰土、粉煤灰
施工工艺
基土清理 抄平放线、设标桩 混合料拌合均匀（人工级配） 分层铺设、夯实 找平、验收
施工要点
1)基土清理,砂石地基铺设前，应将基底表面浮土、淤泥及淤 泥质土、杂物清除干净，槽侧壁按设计要求留出坡度。 2)抄平放线、设标桩。 3) 垫层地基应分层铺设，分层夯(压)实，分层做密实度试验。 4)当地下水位较高或在饱和土层上铺设砂石垫层时，宜采取 人工降低地下水位措施，使地下水位降低至基坑底 500mm以下。 5)当采用水夯法或用平板式振动器夯实时，每层接头处应重 复振捣密石垫层的施工质量检验
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。压实系数也可采用环刀法、灌砂 法、灌水法或其他方法检验。 2.垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层的压实系数 符合设计要求后铺填上层土。 3.采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应位于每层厚 度的2/3深度处。 4.竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程 不宜少于3点；对于大型工程则应按单体工程的数量或工 程的面积确定检验点数。
地基与基础工程施工
地基处理
情境1 换填垫层法
换填法处理地基
表2 回填碾压的每层虚铺厚度及压实遍数
施工设备 质量（t）
平碾 羊足碾 蛙式碾 振动碾 振动压实机
8~12 5~16 0.2 8~15 2
每层虚铺厚度 (mm)
200~300 200~350 200~250 600~1500 1200~1500
每层压 实遍数
6~8 8~16 3~4 6~8 10
（2）重锤夯实法 是利用起重机械将重锤提升到一定高度，然后自由 落下，重复夯击加固地基的方法。
换填垫层法分类
按回填材料可分为：砂垫层、砂石垫层，碎石 垫层、素土垫层、灰土垫层、干渣垫层和粉煤灰 垫层。
按施工机械可分：重锤夯实法、机械碾压法和 振动压实法。
适应范围
《建筑地基处理技术规范》中规定：换填垫层 法适用于浅层地基及不均匀地基的处理。工程实 践表明，换填垫层法主要用于淤泥、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。
度可达1m左右(与锤底直径相当)，并可 消 除1.0一1.5m厚度范围土层的湿陷性。 夯实效果和影响深度除与锤重、锤底直 径、夯距有关外．还与夯实工艺、夯击 遍致以及土 的含水量密切相关。
（3）振动压实法 是利用振动机产生的竖向振动力，使土颗粒受振移动至稳固位
置并减小孔隙，而使土层密实的地基加固方法。该法适 用于处理地下水位在0.6m以上 的无粘性土或粘粒含量低、透水性较好的松散杂填土地基。
表1 各种垫层的承载力
材料类别 碎石、卵石 砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%~50%）
承载力的特征值f/kPa 200~300 200~250
土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%~50%） 中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾
150~200 150~200
换填垫层法
四、垫层材料选择
(2) 粉煤灰：可用于道路、堆场和小型建筑、构筑物 等的换填层。 粉煤灰可分为湿排灰和调湿灰。按其燃 烧后形成玻璃体的粒径分析，属粉土的范畴。但由于含 有CaO、SiO2等成分，具有一定的活性，当与水作用时， 因具有胶凝作用的火山灰反应，使粉煤灰垫层逐渐获得 一定的强度和刚度，有效改善了垫层地基的承载力并减 小变形。 粉煤灰垫层中采用掺加剂时，应通过试验确定其性 能及适用条件。不同于抗地震液化能力较低的粉土或粉 砂，由于粉煤灰具有一定的胶凝作用，在压实系数大于 0.9时，即可抵抗7度地震液化。 粉煤灰垫层上宜履盖厚 0.3-0.5米的粘性土，以防 干灰飞扬，同时减少碱性对植物生长的不利影响，有利 于环境绿化。
垫层底面处的附加压力值 Pz可分别按下页两个 公式分别计算：
条形基础
b(Pk- Pc) Pz = b +2 z tan θ
矩形基础
Pz bl( Pk - Pc) (b tan )(l 2 z tan )
式中：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）； 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）；
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1采用。
表1
z/b 0.25 ≥0.50
压力扩散角θ
灰土
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角 粉质粘土 砾、石屑、卵石、碎石、矿渣 粉煤灰
20 30
6 28 23
注：1 当z/b＜0.25 时，除灰土取 θ=28 外，其余材料均取0; 2 当 0.25＜z/b＜0.5 时，θ值可内插求得。
第3章--换填垫层法
3.2 垫层的作用 3.2 Functions of Cushion
1、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。
（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 。
地基处理技术
Ground Treatment Techniques
重庆交通大学 河海学院 吴文雪
3.1 概 述 3.1 Introduction
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。
换填垫层法名词解释
换填垫层法名词解释
换填垫层法是一种土壤改良方法，常用于改善土壤质量和提高地基承载力。
该方法通过将一种改良材料（如砂、砾石、碎石等）填充到原土表层之上，形成一层新的垫层，从而改变土壤的结构和性质。
换填垫层法的主要目的是提高土壤的排水性能和抗压强度，以增加地基的稳定性和承载力。
填充的改良材料具有较好的排水性能和较高的抗压强度，能够有效地改善原土的不良性质。
在应用换填垫层法时，首先需要清除原土表层的杂质和不良土壤，然后将改良材料均匀地填充在土壤表层之上，并进行适当的压实处理。
填充的垫层材料通常选择具有良好排水性能和抗压强度的细粒土或
碎石，以确保改良效果。
换填垫层法的优点包括可以快速改善土壤质量、适用于各种土壤类型和地基情况、施工简便等。
然而，该方法也存在一些限制，如成本较高、影响地基的垂直变形和施工困难等。
因此，在实际应用中需要综合考虑工程需求和土壤条件，选择合适的土壤改良方法。
地基处理方法之换填垫层法【最新版】
地基处理方法之换填垫层法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。
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。
垫层的作用在各类工程中，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。
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。
(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 换填垫层法
山东科技大学 王清标
3.4 换填垫层法施工技术
3.4.1 施工方法 按密实方法和施工机械，换填垫层法分为机械碾压法、重锤夯实法和 振动压实法。应根据不同的换填材料选择施工机械。 1）机械碾压法 常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程。 施工设备有平碾、振动碾、羊足碾、振动压实机、蛙式夯、插入式 振动器和平板振动器等。 粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可采 用蛙式夯、柴油夯，砂石等宜用振动碾，粉煤灰宜采用平碾，振动碾、 平板振动器，蛙式夯。 矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。
山东科技大学 王清标
2）最优含水量
工程上，对垫层碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度 dmax ，一般可通过室 内击实试验确定 dmax 。
粗砂
干密度ρ d /g.cm
干密度ρ d /g.cm
粉质 粘土
c b d a
粘土
最大干密度必须是 针对某一特定的压 实功能而言的。
含水量w/% 含水量w/%
砂土和粘土的压实曲线
现场碾压与室内击实试验的比较
a-碾压6遍；b-碾压12遍；c-碾压24遍； d-室内击实试验 。
山东科技大学 王清标
施工含水量:
w wop (2% ~ 3%)
压实系数:
c d / dmax
dmax w .d s
1 0.01wop .d s
土的最大干密度:
3.2.2 土的压实原理 1）土的压实原理
山东科技大学 王清标
①粘性土含水量（以质量分数计）较小时，水化膜 很薄，颗粒间引力大，压实效果差。
②增加土含水量时，结合水膜逐渐增厚，颗粒间引 力减弱，土粒在相同的压实功能下易于移动而挤密， 压实效果提高，土干密度也随之提高。
换填垫层法地基处理工艺
5．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。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。
6．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。所用土工合成材 料的品种与性能及填料的土类应根据工程特性和地基土条件，按照现行 国家标准《土工合成材科应用技术规范》GB50290－98的要求，通过 设计并进行现场试验后确定。
三 质量检验
1 环刀法
用容积不小于200cm3环刀压入垫层中取样， 测定其干土密度（或压实系数），以不小于 填料在中密状态时的干土密度数值为合格。
2 贯入法
需将表面的填料刮去3cm左右，并用贯入仪、 钢叉或钢筋等以贯入度大小检查垫层的质量。
其他垫层材料
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材料。当含 有碎石时，粒径不宜大于50mm。
粉煤灰垫层
粉煤灰是燃煤电厂的工业废弃物，实践证明， 粉煤灰是一种良好的地基处理材料资源，具 有良好的物理、力学性能，能满足工程设计 的技术要求
一．工程特性及对环境的影响 1自重轻 2击实性好 3抗剪强度（与土相当） 4压缩性 5承载能力 6渗透性 7抗液化性 8对环境的影响
二．设计和施工
1、材料要求
粉煤灰可采用湿排灰、调湿灰和干排灰。 不含有机物、垃圾和有机质等杂物。运输 时粉煤灰含水量不宜过多或过少，过多会 在运输过程中造成滴水，过少会造成扬尘， 污染环境。洒水的水质不应含油质，PH在 6～9之间。
2、施工要点
（1）粉煤灰应预先进行击实试验，确定其 最大干密度和最优含水量，由此确定的施 工碾压（或夯实）时所采用的含水量应为 最优含水量±4%范围内，用此作粉煤灰垫 层的分层碾压（或夯实）质量控制指标和 施工结束后质量验收的控制指标。
换填垫层法(建筑土木)
换填垫层法2—1 概述换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基。
当在建筑范围内上层软弱土较薄，则可采用全部置换处理。
对于较深厚的软弱土层，当仅用垫层局部置换上层软弱土时，下卧软弱土层在荷载下的长期变形依然很大。
例如，对较深厚的淤泥或淤泥质土类软弱地基，采用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软弱而造成地基变形量大对上部建筑物产生的有害影响；或者对于体形复杂、整体刚度差、或对差异变形敏感的建筑，均不应采用浅层局部置换的处理方法。
对于建筑范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、大古墓或拆除旧基础后的坑穴，均可采用换填法进行地基处理。
在这种局部的换填处理中，保持建筑地基整体变形均匀是换填应遵循的最基本原则。
开挖基坑后，利用分层回填夯压，也可处理较深的软弱土层。
但换填基坑过深，常因地下水位高，需要采用降水措施；坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护；因此易引起邻近地面、管网、道路与建筑的沉降变形破坏；再则施工土方量大、弃土多等因素，常使处理工程费用增高、工期拖长、对环境的影响增大等。
因此，换填法的处理深度通常控制在3m以内较为合理。
大面积填土产生的大范围地面荷载影响深度较深，地基压缩变形量大，变形延续时间长，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。
换填垫层法常用厂处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等。
采用换填垫层全部置换厚度不大的软弱土层，可取得良好的效果；对于轻型建筑、地坪、道路或堆场，采用换填垫层处理上层部分软弱土时，由于传递到下卧层顶面的附加应力很小，也可取得较好的效果。
但对于结构刚度差、体形复杂、荷重较大的建筑，巾于附加荷载对下的影响较大，如仅换填软弱土层的上部，地基仍将产牛较大的变形及不均匀变形；仍有可能对建筑造成破坏。
在我国东南沿海软土地区，许多工程实践经验或教训表明，采用换填垫层时，必须考虑建筑体形、荷载分布、结构刚度等因素对建筑物的影响，对于深厚软弱土层，不应采用局部换填垫层法处理地基。
换填垫层法
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 Ca和O M越g高O 则胶结力越强。通常灰土的最佳含灰率
为 Ca约O 达 M总g量O 的8%。石灰应消解 并筛除3 ~生4石d
30
23
注：1 当 z b 时0.2，5除灰土取 外 ， 2其8余材料均取0;
2 当 0.25 z时b， 0值.5 可内插求得。
2020/8/6
7
换垫垫层的厚度不宜小于 0.5，m 也不宜大于 。3m
2.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：
b' b 2z tan
(2.2-4)
砂石的最大粒径不宜大于 。对5湿0m陷m性黄土地基，不
得选用砂石等透水性材料。
砂石是良好的换填材料，但对具有排水要求的砂垫 层宜控制含泥量不大于3%; 采用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 颗粒不均匀系数不小于5并拌合均匀后，方可用于铺填 垫层。
2020/8/6
13
2020/8/6
2
性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高 低差，软硬不均以及岩溶与土洞等，用于冻土地基 可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。
若在建筑范围内上层软弱土较薄，可采用全部置 换处理，对于较深厚的软弱土层，当仅用垫层局部 置换上层软弱土时要慎重（持力层承载力提高了， 但沉降可能依然很大）。对于体型复杂、整体刚度 差、或对差异沉降敏感的建筑，均不得采用浅层局 部置换的处理方法。
矿渣
35～70
注：压实矿渣的 E0 比Es值可按1.5～3取用。
3换填垫层法
换填垫层法也称为换填法，是指当软弱土地基的承载力和变形满足不 了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面以下处理 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、粉煤灰、高炉干渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性的材料，
山东科技大学 王清标
3.3 垫层设计计算
3.3.1 砂垫层的设计 （1）垫层的厚度确定
pz pcz faz
砂垫层的厚度一般是根据垫层底部软
弱土层的承载力和建筑物对地基的变形要 求来确定的。即作用在砂垫层底面处土的 自形基础：
pz
b( pk pc )
b 2z.tan
图3.3 垫层内应力分布
矩形基础：
pz
bl( pk pc )
(b 2z tan )(l 2z
tan )
山东科技大学 王清标
压力扩散角
（2）垫层的宽度确定 垫层宽度应以满足基础底面压力扩散和不破坏垫层
侧面土质为原则进行设计：
b’－垫层底面宽度； －垫层扩散角。 构造要求：垫层顶面每边宜超出边底不小于300mm，或按经验进行 放坡。
中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾 粉质粘土 灰土 粉煤灰 石屑 矿渣
压实系数 c
0.94~0.97
0.95 0.90~0.95
— —
承载力特征值 fak /kPa
200~300 200~250 150~200 150~200 130~180 200~250 120~150 150~200 200~300
并分层夯实（或振实）至要求密实度。还包括：平整场地和道路路基填
注等。
山东科技大学 王清标
3.1.2 换填垫层法分类 按回填材料：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、
换填垫层法
17.5 0.8 182.16kPa
地基处理
(1) 垫层厚度的确定
根据需置换软弱土层的深度或下卧土层的承载力确定
pz pcz faz
条形基础：
pz
b( pk pc )
b 2z tan
换填垫层的厚度不 宜小于0.5m，也不 宜大于3m。
地基处理
矩形基础：
pz
(b
bl( pk
2z tan)(l
pc ) 2z
t an )
条形基础：
垫层的承载力宜通过现场试验确定，当无试验资料时，可按 表2-2采用，并应进行下卧层承载力的验算。
施工方法
碾压、振密 或夯实
重锤夯实
换填材料类别
碎石、卵石 砂夹石(其中碎石、卵石占全重的30%～50%) 土夹石(其中碎石、卵石占全重的30%～50%)
中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾 粉质粘土 灰土 粉煤灰 石屑 矿渣 土或灰土
（GB50007-2012）其承载力特征值fak=200kPa， γ=18kN/m3，
γ’=10kN/m3，宽度修正系数ηb=3.0，深度修正系数ηd=4.4，
经深度修正后的地基承载力特征值为：
fa fak d0 (d 0.5) 200 4.4 17.5 (0.8 0.5) 223.1kPa
θ——垫层的压力扩散角(°)
地基处理
(2) 垫层宽度的确定
垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散和防止垫 层向两侧挤出的要求。
b b 2z tan
垫层顶面宽度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。
地基处理
(3) 垫层承载力的确定
地基处理
换填垫层法的概念适用性及加固机理
Pcz Pz b'
防止季节性冻土的冻胀作用 消除地基的湿陷性和胀缩性
（垫层引起应力扩散）
2019年12月21日
10
2.2 加固机理
二、换填材料
•砂和砂石： 中粗砂，可掺入一定量的碎（卵）石，含泥量小于3%；
•灰土： 生石灰：Cao含量8%，消解3-4天； 土：不含有机质的粘性土； 配比：石灰：土=2：8或3：7；
•碎石：d=5-40mm,含泥量小于5%；
2019年12月21日
11
2.3 换土垫层的设计
1、换土垫层的设计主要根据换土作用确定
2、设计内容包括：
垫层承载力验算、基础沉降验算、下卧层承载力验算 等。
3、对湿陷性黄土、膨胀土和季节性冻土等某些特殊土， 处理主要目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、 胀缩性和冻胀性，在设计时所需考虑的问题与一般垫层 有所不同。
换填垫层法的概念、适用性及加固机理
换填法的概念 换填法适用性 换填法的加固机理 垫层的作用 垫层的设计
2019年12月21日
1
2.1 概述
一、换填法的概念
当软弱地基的承载力或变形不能满足建筑物要求且软弱 土层的厚度不大时（0-3m)，可将基础下一定深度内的软弱 土层挖除，然后分层换填强度较高、压缩性较低且无侵蚀性 的散体材料，并夯实或振压至要求的密实度。称为换填法。 。
2019年12月21日
13
2.3 换土垫层的设计
1、砂石垫层厚度的确定 垫层厚度z： 依据垫层底部软弱土层的承载力确定。 应符合下列要求： 下卧层顶面自重应力与附加应力之和小与软土承载力。
pz
pcz
f z
pz ——垫层底面处土的附加压力； 回填土
换填垫层法
地基处理方法分类
地基处理的分类方法多种多样，按时间可分为临时处理 和永久处理；按处理深度分为浅层处理和深层处理；按处理 土性对象分为砂性土处理和粘性土处理，饱和土处理和非饱 和土处理；也可按地基处理的加固机理进行分类。因为现有 的地基处理方法很多，新的地基处理方法还在不断发展，要 对各种地基处理方法进行精确分类是困难的。常见的分类方 法主要是按照地基处理的加固机理进行分类：
3 应用主要有以下几个方面：
①坝基的加固及防渗 ②建筑物地基的加固 ③土坡稳定性加固 ④挡土墙后土体的加固 ⑤已有结构的加固： ⑥道路地基基础加固 ⑦地下结构的止水及加固： ⑧井巷工程中的加固及止水 ⑨动力基础的抗振加固 ⑩其他：预填骨料灌浆、后拉锚杆灌浆及钻孔灌 注桩后灌浆。
5.4.3 水泥土搅拌法
粉体喷射搅拌(Dry Jet Mixing Method，简称DJM法)最 早由瑞典人Kjeld Paus于1967年提出了使用石灰搅拌桩加固 15m 深 度 范 围 内 软 土 地 基 的 设 想 ， 并 于 1971 年 Linden— Alimak公司在现场制成第一根用石灰粉和软土搅拌成的桩， 1974年获得粉喷技术专利，生产出的专用机械其桩径可达 500mm，加固深度15m。铁道部第四勘测设计院于1983年用 DDP-100型汽车改装成国内第一台粉体喷射搅拌机，并使用 石灰作固化剂，应用于铁路涵洞加固。1986年开始使用水泥 作为固化剂，应用于房屋建筑的软土地基加固。1987年铁四 院和上海探矿机械厂制成GPP-5型步履式粉体喷射搅拌机， 成桩直径500mm，加固深度12.5m。当前国内粉体喷射搅拌机 的成桩直径一般在500~700mm范围，深度可达15m。
(2)土颗粒与水泥水化物的作用 当水泥的各种水化物生成后，有的自身继续硬化，形成 水泥石骨架；有的则与其周围具有一定活性的粘土颗粒发生 反应。
换填垫层法课件
3.3.5 垫层材料的选用
1）砂石
宜用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm部分 不超过总重45%），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石 粉（粒径小于0.075mm部分不超过总重9%）时，应掺入不少于总重30%碎石或卵 石。
砂石最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄上地基，不得选用砂石等透水材料。
垫层表的2.5每垫层层铺的填每层厚铺度填和厚度压及实压遍实遍数数
施工设备
每层铺填厚度/mm
平碾（8～12t）
200～300
羊足碾（5～16t）
200～350
蛙式夯（200kg）
200～250
振动碾（8～15t）
600～1300
振动压实机（2t，振动力 98kN）
1200～1500
插入式振动器
200～500
换填垫层法
3.1 概述 3.1.1换填垫层法概念与应用
换填垫层法也称为换填法，是指当软弱土地基的承载力和变形满足不 了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面以下处理 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、粉煤灰、高炉干渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性的材料，
b2z.tan
图3.3 垫层内应力分布
矩形基础：
pz(b2zb t(alp k)n l(p c2 )ztan )
3.3.4 沉降计算
ssdse[s]
sd 1E.s5i(z mhi)
se e11ee12hi
m1 3(xyz)
式中 [ s ]——建筑物的允许沉降量；
sd ——地基瞬时沉降，； se ——地基主固结沉降； hi ——各分层土的厚度； e1 ——自重作用下土的孔隙比； e2 ——加上部荷载作用后土的孔隙比； Esi ——土层的压缩模量；
地基处理技术：换填垫层法的选用
2. 垫层的作用
（1）提高地基承载力 （2）减小沉降量 （3）加速软弱土层的排水固结 （4）防止冻胀 （5）消除膨胀土的胀缩作用 （6）对于湿陷性黄土地区，设置不透水垫层可防止地下水下渗到湿陷性
黄土层，造成湿陷，所以垫层可起隔水作用。
3. 换填垫层法的适用范围
《建筑地基处理技术规范》（JGJ792012）中规定：
• 换填垫层适用于浅层软弱土层或不均 匀土层的地基处理。
• 工程实践表明，换填垫层法主要用于 淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、膨胀 土、冻胀土、杂填土地基及暗沟、暗 塘等的浅层处理。
3. 换填垫层法的适用范围
感谢您的观看
2.1换填垫层法选用
《地基处理技术》
目 录
1
换填垫层法的概念
2
垫层的作用3ຫໍສະໝຸດ 换填垫层法的适用范围1. 换填垫层法的概念
1. 换填垫层法的概念
换填垫层法又称换填法，它是将建筑 物基础下一定范围内的软弱土层部分或全 部挖去，然后分层换填砂、碎石、素土、 灰土、粉煤灰等强度较大，性能稳定且无 侵蚀性的材料，并分层夯实（或振实）至 要求的密实度，达到改善地基应力分布、 提高地基稳定性和减少地基沉降的目的。
换填垫层法
并筛除生石灰块后使用。
2019/5/23
14
(4) 粉煤灰。可用于道路、堆场和小型建筑、构筑
物等的换填层。
粉煤灰可分为湿排灰和调湿灰。按其燃烧后形成玻 璃体的粒径分析，属粉土的范畴。但由于含有 CaO 、 SiO2 等成分，具有一定的活性，当与水作用时，因 具有胶凝作用的火山灰反应，使粉煤灰垫层逐渐获得 一定的强度和刚度，有效地改善了垫层地基的承载力 并减小变形。
粉煤灰垫层上宜履盖厚 0.3 ~ 0.5m 的粘性土，以防
干灰飞扬，同时减少碱性对植物生长的不利影响，有 利于环境绿化。
2019/5/23
16
(5) 矿渣。矿渣垫层主要用于道路、堆场和地坪，也
可用于小型建筑、构筑物地基。
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。选用矿渣的松散重度不小 于11kN m3，有机质及含泥量不超过5%。设计、施工前 必须对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符 合安全规程后方可使用。矿渣的稳定性是其是否适用 于做换填层材料的最主要性能指标。
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）；
2019/5/23
5
z --基础底面下垫层的厚度（m ）；
--垫层的压力扩散角（），宜通过试验确定，
当无试验资料时，可按表2.2.1采用。
表2.2.1 压力扩散角
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、 粉质粘土 灰土
zb
角砾、石屑、卵石、碎石、 粉煤灰 矿渣
自身的变形。
2019/5/23
9
粗粒换填材料的垫层在施工期间垫层自身的压缩变 形已基本完成，且量值很小。因而对于碎石、卵石、 砂夹石、砂和矿渣垫层，在地基变形计算中，可以忽 略垫层自身部分的变形值；但对于细粒材料的尤其是 厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。
地基处理之换填垫层法
2 通常基坑开挖后，利用分层回填压实，虽也可处 理较深的软弱土层，但经常由于地下水位高而采取 降水措施。
3 坑壁放坡，占地面积大或需要基坑支护。
4 施工土方量大，弃土多等因素，从而使处理费用 增高、工期拖长，因此换填法的处理深度通常宜控 制在3m以内，但也不宜小于0.5m，因为垫层太薄， 则换土垫层的作用并不显著。
5 垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同， 基坑底面应挖成阶梯形或斜坡搭接形，各分 层搭接位置应错开0.5～1.0m水平距离。搭 接处注意夯压密实，并按先深后浅的顺序进 行垫层施工。
4 水撼法
在基槽两侧设置样桩，控制铺砂厚度，每层 虚铺25cm。铺好后，灌水与砂面齐平，然后用钢 叉插入砂中振摇十几次，如果砂已沉实，便将钢 叉拔出，在相距10cm处重新插入摇撼，直至这一 层全部结束，经检查合格后铺第二层。
击实试验
垫层设计
一． 砂（砂石、碎石）垫层的设计
设计要求 强度 面积
设计内容 厚度 宽度
1 厚度的确定
p p f z + cz <
az
p —垫层底面处的附加压力 z
p —垫层底面处土的自重应力 cz
f az —经深度修正后垫层底面处软弱下卧层土的地基承载力特征值
2 宽度的确定
5．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。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。
6．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。所用土工合成材 料的品种与性能及填料的土类应根据工程特性和地基土条件，按照现行 国家标准《土工合成材科应用技术规范》GB50290－98的要求，通过 设计并进行现场试验后确定。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
换填垫层法定义：当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换填土垫层来处理软弱地基。
即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。
换填垫层法主要作用：换填法适于浅层地基处理，处理深度可达2～3米。
在饱和软土上换填砂垫层时，砂垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。
具体表现为：(1)置换作用。
将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。
(2)应力扩散作用。
基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。
(3)加速固结作用。
用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。
(4)防止冻胀。
由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。
(5)均匀地基反力与沉降作用。
对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的土料，并在石芽以上也设置垫层；或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。
因此，换填的目的就是：提高承载力，增加地基强度；减少基础沉降；垫层采用透水材料可加速地基的排水固结。
1概念换填法又称换土法。
所谓换土法是指将路基范围内的软土清除，用稳定性好的土、石回填并压实或夯实。
在公路施工中，一般采用的是开挖换填天然砂砾,即在一定范围内,把影响路基稳定性的淤泥软土用挖掘机挖除,用天然砂砾进行换置,开挖换填深度在2m以内,采用分层填筑、分层压实、分层检测压实度的方法施工。
从而改变地基的承载力特性，提高抗变形和稳定能力。
在换填过程中，对于换填的天然沙砾中石头的粒径、含量和级配也应充分考虑，最好做试验检测，避免无法压实而引起沉降。
浅层处理和深层处理很难明确划分界限，一般可认为地基浅层处理的范围大致在地面以下5m深度以内。
浅层人工地基的采用不仅取决于建筑物荷载量值的大小，而且在更大程度上与地基土的物理力学性质有关。
地基浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料。
2适用范围换填法(Replacement Method、Cushion)就是将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。
换土垫层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小等优点。
按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层、矿渣垫层以及用其它性能稳定、无侵蚀性的材料做的垫层等。
换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。
换填法还适用于一些地域性特殊土的处理，用于膨胀土地基可消除地基土的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不匀以及岩溶等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。
3垫层作用1、提高地基承载力，大家知道，浅基础的地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关。
如果以抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替较软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。
2、减少沉降量，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%左右。
加以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。
由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力减小，这样也会相应减小下卧层土的沉降量。
3、加速软弱土层的排水固结，建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。
砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面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，避免地基土塑性破坏。
4、防止冻胀，因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，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。
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，在膨胀土地基上采用换土垫层法时，一般可选用砂、碎石、块石、煤渣或灰土等作为垫层，但是垫层的厚度应根据变形计算确定，一般不小于30cm，且垫层的宽度应大于基础的宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填。
6、消除湿陷性黄土的湿陷作用，采用素土、灰土或二灰土垫层处理湿陷性黄土，可用于消除1～3m 厚黄土层的湿陷性。
7、用于处理暗浜（bang 小河沟）和暗沟的建筑场地，城市建筑场地，有时遇到暗浜和暗沟。
此类地基具有土质松软、均匀性差、有机质含量较高等特点，其承载力一般都满足不了建筑物的要求。
一般处理的方法有基础加深、短柱支承和换土垫层。
而换土垫层适用于需要处理范围较大，处理深度不大，土质较差，无法直接作为基础持力层的情况。
在各种不同类型的工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的。
例如砂垫层可分为换土砂垫层和排水砂垫层两种。
一般工业与民用建筑物基础下的砂垫层主要起换土的作用；而在路堤及土坝等工程，主要是利用砂垫层起排水固结作用，提高固结速率，促使地基土的强度增长。
换土垫层视工程具体情况而异，软弱土层较薄时，常采用全部换土，软弱土层较厚时，可采用部分换土，并允许有一定程度的沉降及变形，如图。
如前所述，换填法的主要作用是改善原地基土的承载力并减少其沉降量。
这一目的通常是通过外界的压（夯、振）实功来实现的。
当地基软弱土层较薄，而且上部荷载不大时，也可直接以人工或机械方法(填料或石填料)进行表层压、夯、振动等密实处理，同样可取得换填加固地基的效果。
4压实作用土的压实：是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，使土中孔隙减小，密度增加。
土的压实性：是指土在压实能量作用下能被压密的特性。
影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功及土的级配等。
1、土的压实与含水量的关系在低含水量时，水被土颗粒吸附在土粒表面，土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱，土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。
在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象（软弹现象），失去夯击效果。
所以，含水量太高或太低都得不到好的压实效果。
要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。
土的干密度是反映土的密实度的重要指标。
将同一种土，配制成若干份不同含水量的试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进行击实后，测定各试样击实后的含水量和干密度，从而绘制含水量与干密度关系曲线，称为压实曲线。
压实曲线表明，存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值，产生最好的击实效果。
最优含水量：将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量，用wop表示。
最大干密度：在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度，用ρdmax表示。
2、击实功击实功是用击数来反应的，如用同一种土料，在同一含水量下分别用不同击数进行击实试验，就能得到一组随击数不同的含水量与干密度关系曲线。
从而得出如下结论：对于同一种土，最优含水量和最大干密度随压实功能而变化；击实功能愈大，得到的最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高。
但干密度增大不与击实功增大成正比，故企图单存的用增大击实功以提高干密度是不经济的。
有时还会引起填土面出现所谓“光面”。
含水量超过最优含水量以后，压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小；击实曲线和饱和曲线（土在饱和状态=100%时含水量与干密度的关系曲线）不相交，且击实曲线永远在饱和曲线的下方。
这是因为在任何含水量下，土都不会被击实到完全饱和状态，亦即击实后的土内总留存一定量的封闭气体，故土是非饱和的。
相应于最大干密度的饱和度在80%左右。
3、土的级配级配良好的土易于压实，压实性较好，这是因为不均匀土内较粗土粒形成的孔隙有足够的细土粒去充填，因而能获得较高的干密度。
均匀级配的土压实性较差，因为均匀土内较粗的土粒形成的孔隙很少有细土粒去充填。
以上所揭示的土的压实特性均是由室内击实试验中得到的。
但实际工程中垫层填土、路堤施工填筑的情况与室内击实试验的条件是有差别的。
室内击实试验是用锤击的方法使土体密度增加。
实际上击实试验使土样在有侧限的击实筒内进行，不可能发生侧向位移，力作用在有侧限的土体上，则夯实会均匀，且能在最优含水量状态下获得最大干密度。
而现场施工的土料，土块大小不一，含水量和铺填厚度又很难控制均匀，实际压实土的均匀性会较差。
因此，施工现场所能达到的干密度一般都低于击实试验所获得的最大干密度。
因此，对现场土的压实，应以压实系数与施工含水量来进行控制。
5垫层设计垫层的设计主要是确定以下四个参数：垫层的厚度、垫层的宽度、承载力和沉降。
垫层设计的主要内容是确定断面的合理厚度和宽度。
对于垫层，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。
对于排水垫层来说，除要求有一定的厚度和密度满足上述要求外，还要求形成一个排水面，促进软弱土层的固结，提高其强度，以满足上部荷载的要求。
1、垫层厚度的确定垫层的厚度一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力，如图所示。
其表达式为：（见教材公式2.1-1）垫层面处的附加压力，可分别按教材式2.1-3简化计算。
具体计算时，一般是先初步拟定的一垫层厚度，再用上式验算，直到满足要求为止。
垫层厚度一般不宜大于3m，也不宜小于0.5m。
太厚施工较困难，太薄则换土垫层的作用不显著。
所垫层厚度的确定，除应满足计算要求外，还应根据当地的经验综合考虑。
2、垫层宽度的确定垫层的宽度除应满足基础地面应力扩散的要求外，还应考虑垫层侧面土的强度条件，防止垫层材料由于侧面土的强度不足或由于侧面土的较大变形而向侧边挤出，增大垫层的竖向变形，使建筑物沉降增大。
垫层宽度的取值，可按两种方法计算：一种是教材5页公式2.1-4的扩散角法；另一种是按垫层侧面土的地基承载力设计值确定垫层的宽度，见教材5页表2.1-2。