浅谈换土砂(砂石)垫层地基处理

1 浅谈换土砂（砂石）垫层地基处理
山东省夏津县恒兴建筑安装有限公司——唐元杰
[关键词]：换土垫层 作用 设计 施工要点 质量检查 承载力检验
换土垫层是一种直接置换地基持力层软弱土的处理方法。

施工时将基底下一定深度的软弱土层挖除，分层回填砂、碎石等强度较大的材料，并加以夯实振密。

回填材料有多种，但其作用和计算原理基本相同。

换土垫层是一种较简易的浅层地基处理方法，并已得到广泛的应用，处理地基时，宜优先考虑此法。

换土可用于单独的基坑、基槽，也可用以满堂式置换。

下面以砂和砂石垫层为例对换土垫层地基处理进行浅述，若有不足之处，敬请同行指正。

砂和砂石垫层的作用明确，设计方便，但其承载力在相当程度上取决于施工质量，因此必须精心施工。

如设计要求合适，施工质量保
证，地基承载力标准值可达150~180Kpa ，甚至更高；而当设计不当或施工质量不理想时，则只能达到120 Kpa 左右。

一、换土垫层的作用 换土垫层的承载力比原来的软弱地基高，其原因是：
（1） 用于置换软弱土层的材料，其抗剪强
度指标较高；
（2） 垫层的压缩性较低，即压缩模量较大，
故可减少基础的沉降量。

一般来说，直接位于基础底面以下的土层的压缩性对基础沉降量的大小影响较大，如条形基础，在相当于基底宽度大小的深度范围内土的压缩量约占基础总沉降量的一半左右。

此外，由于垫层的应力扩散作用，传递到垫层下方下卧层的压力减少，也会使下卧层的压缩量减少。

（3） 砂和砂石垫层的透水性较大，可成为下卧饱和软土的排水面，使软土上部的孔隙水压力消散，从而加速软土的固结和软土抗剪强度的提高。

此外，砂和砂石垫层可以防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用。

在季节性土地区，砂土一般没有冻胀性；而用砂垫层置换膨胀土，可以有效地避免土的胀缩。

必须指出，砂垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基，因为砂垫层的良好透水性反而容易引起黄土产生湿陷。

二、砂垫层的设计 砂垫层的设计应满足建筑物对地基承载力和变形的要求。

具体来说，设计内容包括选择垫层截面的厚度和宽度以及垫层的密实度。

（1）砂垫层的厚度 砂垫层的厚度应使作用在垫层底面的压
力不超过软弱下卧层的承载力，即满足下式的要求：
σcz +σz ≤f z σcz ——砂垫层底面处土的自重应力，Kpa ； σz ——砂垫层底面处的附加应力，Kpa ； f z ——砂垫层底面处（即下卧软弱土层）的地基承载力，须经深度修正，Kpa 。

砂垫层剖面示意图 砂垫层底面处的附加应力，按压力扩散角θ的概念考虑。

当垫层厚度不小于基础一半宽
度时，对于砾、粗和中砂取θ=30；其它颗粒较细的材料，可取θ=23。

在进行上述验算之前，应先初步选择垫层的厚度。

在工程实践中，一般取厚度h d =1~2m （约为0.5~1.0倍基础宽度），厚度太小时作用不大，厚度太大时（如
2 在3m 以上）施工不便（特别在地下水位较高时）。

最好根据计算及参考当地经验来选择垫层的厚度。

（2）砂垫层的宽度
砂垫层宽度的确定，应从两方面考虑：一方面要满足应力扩散角的要求；二是要有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤出。

如果垫层两侧的填土质量较好，具有水平向附加应力σz 的能力，侧向变形小，则垫层的宽度主要由压力扩散角考虑。

此时的垫层底宽为：b ’=b+2 h d tan θ
从工程经验出发，也可取：b ’=b+2a 式中a 可取0.25~0.3m （相当于垫层厚度为1.0~1.5m ）。

三、砂和砂石垫层的施工要点
（1） 砂垫层的材料必须具有良好的振实加
密性能。

其颗粒级配的不均匀系数不能小于5，且宜采用在砾砂、粗砂和中砂。

若只用细砂时，宜同时均匀掺入一定数量的碎石或卵石（粒径不宜大于50mm ）。

人工级配的砂石垫层，应先将砂石按比例拌和均匀后，再行铺填加密。

砂和砂石垫层材料的含泥量不应超过5%。

作为提供排水边界作用的砂垫层，其含泥量不宜超过3%。

（2） 在地下水位以下施工时，应采取降低
地下水位的措施，使基坑保持无积水状态。

本工程地下水位较低，无需降水。

如因垫层下方土质差异而使垫层而使垫层底面标高不一时，基坑（槽）底宜挖成阶梯形，施工时按先深后浅的顺序进行，并应注意搭接处的质量。

（3） 砂垫层施工的关键是将砂石材料振实
加密到中密标准（即孔隙比不应小于0.65，干密度不应小于1.55~1.60g/cm3）。

如要求进一步提高砂层的质量，宜加大机械的功率。

目前，砂垫层的施工方法有振实法、水撼法、夯实法、碾压法等多种，可根据砂石材料、地质条件、施工设备等条件选用，参见附表。

施工时应分层铺筑，在下层的密度经检验达到合格要求后，方可进行上层施工。

砂垫层施工时的含水量对压实效果影响很大，含水量很低的砂土，碾压效果往往不好；对浸没于水中的砂，效果也差，而以润湿到接近饱和状态时效果最好。

具体详见附表。

（4）砂和砂石垫层施工质量检查，可用环刀取样法和贯入测定法或轻便触探法进行。

1、环刀取样法：在捣实后的砂垫层中用容积不小于200cm 3的环刀取样，测定其干密度，并以不小于该砂料在中密状态时的干密度（单位体积干土的质量）为合格。

中砂在中密状态时的干密度，一般可按1.55-1.6t/m3考虑。

对砂石垫层的质量检查，取样时的容积应足够大，且其干密度应提高。

如在砂石垫层中设置纯砂检查点，则在同样的施工条件下，可按上述砂垫层方法检测。

2、贯入测定法：采用贯入仪、钢筋或钢叉的贯入度大小来检查砂层的质量时，应预先进行干密度和贯入度的对比试验。

如检查测定的贯入度小于试验所确定的贯入度，则为合格。

进行钢筋贯入测定时，将直径为20mm ，长度1250mm 以上的平头钢筋，在砂层面以上700 mm 处自由下落，其贯入度应根据该砂的控制干密度试验确定。

进行钢叉贯入测定时，用水撼法施工所使用的钢叉，在离砂层面0.5m 的高处自由下落，并按试验所确定的贯入度作为控制标准。

注意事项，采用环刀取样法和贯入度测定法时，都应将表层较松散的砂层挖除，以保证测定质量。

3、轻便触探法：即用质量为10kg 的穿心锤，使其以500mm 的落距自由下落，把尖锥头竖直打入土中，每贯入300mm 的锤击数以N 10表示。

四、砂和砂石垫层地基承载力检验
根据规范要求，砂和砂石垫层地基施工完成后，应进行地基承载力试验。

试验应由具有资质的勘察或质检检测单位进行。

附表：
砂和砂石垫层的施工方法及每层铺筑厚度、最佳含水量一览表
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编写参考资料：
1、《建筑地基基础工程施工质量验收规范》（GB50202—2002）
2、《建筑地基基础设计规范》（GB50007—2002）
3、《建筑施工手册》。