换填垫层法
换填垫层法定义
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。
什么是换填垫层法-换填垫层法计算
什么是换填垫层法-换填垫层法计算什么是换填垫层法-换填垫层法计算换填法是将基础地面以下一定范围内的软弱土挖去，然后回填强度高，压缩性较低，并且没有侵蚀性的材料的方法。
那么换填垫层法又是怎么样的呢?1.1 基本概念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。
工程实践表明，在合适的条件下，采用换填垫层法能有效地解决中小型工程的地基处理问题。
本法的优点是：可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期，又能降低造价，因此，得到较为普遍的应用。
1.2 适用范围换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
但在用于消除黄土湿陷性时，尚应符合国家现行标准《湿陷性黄土地区建筑规范》中的有关规定。
在采用大面积填土作为建筑地基时，应符合国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007)的有关规定。
换填时应根据建筑体型、结构特点、荷载性质和地质条件，并结合施工机械设备与当地材料来源等综合分析，进行换填垫层的设计，选择换填材料和夯压施工方法。
1.3 加固机理(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。
土木工程施工换填垫层法课件
劳动组织准备
组建施工队伍
根据工程规模和要求，组建具备相应资质和经验的施工队伍。
培训和技术交底
对施工人员进行培训和技术交底，确保他们具备相应的技能和安全 意识。
制定劳动定额和考核制度
制定合理的劳动定额和考核制度，激励施工人员的工作积极性和责 任心。
施工现场准备
场地平整
对施工现场进行平整，确保施工 顺利进行。
对已完成的垫层进行保 护，防止损坏。
质量检测方法
厚度检测
采用水准仪或钢尺测量垫层厚度。
压实度检测
采用灌砂法或环刀法检测垫层 压实度。
平整度检测
采用3m直尺或激光水平仪检测 垫层表面平整度。
承载力检测
在垫层上加载一定重量的重物， 观察是否有沉降现象。
05
安全措施与环境保护
安全措施
安全教育培训
对所有施工人员进行定期的安全教育 培训，确保他们了解并遵循所有的安 全规定和操作规程。
安全检查制度
建立定期的安全检查制度，对施工现 场和施工设备进行检查，确保其符合 安全标准。
个人防护装备
要求所有施工人员在工作时必须穿戴 适当的个人防护装备，如安全帽、安 全鞋、防护眼镜等。
应急预案
制定并实施应急预案，以应对可能出 现的紧急情况，如事故或自然灾害。
环境保护措施
减少噪音污染
控制施工粉尘
根据工程实际情况，选择合适的施工 方法和顺序，确保施工安全和质量。
编制施工组织设计
根据工程特点、规模和技术要求，制 定合理的施工方案和进度计划。
物资准备
采购原材料
根据施工需要，采购符合 要求的砂、石、水泥等原 材料。
租赁设备
根据施工需要，租赁相应 的施工设备和工具。
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
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。
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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 。
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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
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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。
换填垫层法地基处理材料的选用及设计
1、换填垫层法适用条件
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，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 填垫层法，简称为换填法。
（2）垫层宽度确定
垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm或从垫层底 面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡确定垫层顶面宽 度，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
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。
地下水距地表面为1m。因地基土比较软弱，不能承受上部 建筑荷载，试设计砂垫层的厚度和宽度。 （回归修正系数Ψf＝0.9，承载力基本值为60kPa） （承载力修正系数ηb＝0， ηd ＝1.1）
（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
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
（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。作为建筑物垫层的粉煤灰 应符合有关放射性安全标准的要求。
换填垫层法
各种垫层的承载力特征值（kPa）
换填材料类别 碎石、卵石 砂夹石（其中碎石、卵石占全重30%-50%） 土夹石（其中碎石、卵石占全重30%-50%） 0.94-0.97 压实系数λ
c
表2-3
承载力特征值fak （kPa） 200-300 200-250 150-200
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾
粉质粘土 石屑
1 适用范围和垫层分类
适用于软土层厚度不深，淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、填
土及暗浜等处理。
方法可通过分层换填强度较大的砂、石、素土等性能稳定、 无侵蚀性材料。 根据资料，各种垫层特性基本相似，设计按 算。 方法计
2.1 垫层分类
砂、砂石、 碎石垫层
适用范围和垫层分类 适 用
范
围
多用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理。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，也不适 宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理，砂垫层不宜用 于有地下水流速快、流量大的地基处理。
机械碾压速度：平碾2km/h；羊足碾3km/h；振动碾2km/h。
人工级配砂石应拌和均匀，细砂不宜用平振、插振和水振 当地下水位高于基坑地面时，宜采用排水或降水措施，注 意保持边坡稳定，防止坍土混入砂石垫层中。
3.2.4.3 砂垫层质量检验
（1）环刀法： 测定干密度。 （2）贯入测定法 用直径20mm和长度1.25m的平头钢筋，自700mm高处自由 落下，贯入深度以不大于控制深度为合格。 检验点间距：应小于4m； 检验点数量：大基坑每50-100m2应不少于1个检验点；基 槽每10-20m应不少于1个检验点；每个独立柱基应不少于1个 检验点 （3）竣工验收
bl pk pc pz b 2ztanθ l 2ztanθ
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
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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。
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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，
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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、
换填垫层法的原理
换填垫层法的原理
换填垫层法是一种常用的地基处理方法，被广泛应用于土建工程中。
其原理是通过在地基表面或较浅的地下区域添加一定厚度的填土层，将地基的承载能力提高，从而改善地基的稳定性和抗沉降能力。
换填垫层法的原理主要包括以下几个方面：
1. 提高地基承载能力：通过在地基表面或较浅的地下区域添加填土层，可以增加地基的压实程度和密实度，提高地基的承载能力。
填土层的材料通常选择密实性较好、颗粒大小合适的土石材料，如粉质黏土、砂土、碎石等。
填土层的厚度和填土材料的选取会根据地基设计要求和地质条件进行合理确定。
2. 均匀分布荷载：填土层能够均匀分布荷载，使其传递到较深的地基层，从而降低地基承载层的应力集中，增加地基的稳定性。
填土层通过降低荷载的作用水平和集中程度，减少了对地基的不均匀荷载影响，使地基承载能力得到有效提高。
3. 填充收缩缝隙：地基中存在的缝隙和空洞对地基的稳定性有不利影响，容易引起地基沉降和变形。
通过添加填土层，可以填充地基中的收缩缝隙，减少地基松软层的厚度，从而降低地基的沉降和变形。
此外，填土层还能够改变地基原有的水分含量和排水性质，提高地基的稳定性。
4. 水分调节：填土层具有较好的水分调节作用，能够影响地下水位的变化和水分的渗透，从而改善地基的饱和度和稳定性。
填土层能够吸湿、排水和蓄水，通过对地基周围水文环境的调节，减小地基的水分液化风险。
总之，换填垫层法通过在地基表面或较浅的地下区域添加填土层，改变地基的力学性质，提高地基的承载能力和稳定性。
通过合理的填土层设计和施工过程控制，可以达到改善地基的效果，确保土建工程的安全可靠运行。
换填垫层法
土夹石（碎石、卵石占全重的30～50%） 中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾
150～200
粉质粘土
130～180
石屑、粉煤灰
2019/5/23
120～150
8
注：压实系数小的垫层，承载力特征值取低值，反之取高值;原 状矿渣垫层取低值，分级矿渣或混合矿渣垫层取高值。
4.对于垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地 基变形计算时应考虑邻近基础对软弱下卧层顶面 应力叠加的影响。当超出原地面标高的垫层或换填材
2019/5/23
4
条形基础
pz
b pk pc
b 2z tan
(2.2-2)
矩形基础
pz
b
2z
bl pk tan l
pc
2z
tan
(2.2-3)
式中 pk --相应于荷载效应标准组合时，基础底面处 的平均p压c-力-基值础（底k面Pa）处；土的自重压力值（ kPa）；
作为建筑物垫层的矿渣应符合放射性安全标准的 要求。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿 渣垫层。大量填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的 环境影响。
2019/5/23
17
(6) 其它工业废渣。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。
若换填基坑开挖过深，会使处理工程费用增高、 工期拖长、对环境的影响增大。因此，换填法的处
理深度通常控制在3m 以内较为经济合理。
2019/5/23
2
当采用换填法进行地基处理时，应根据建筑体型 、结构特点、荷载性质、岩土工程条件、施工机械 设备及填料性质和来源等进行综合分析，进行换填 垫层的设计和选择施工方法。
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、预压法处理地基
第一章
换填垫层法处理地基
第一章
换填垫层法处理地基
第一节
换填垫层设计
换填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。 按换填材料的不同， 将垫层分为砂垫层、 碎石垫层、 素土垫层、 干渣垫层和粉煤灰 垫层等。不同材料的垫层， 其应力分布稍有差异， 但根据实验结构及实测资料， 垫层 地基的强度和变形特性基本相似， 因此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。 根据施工时使用的机具不同， 施工方法可分为机械碾压法、 重锤夯实法、 振动压 实法等。这些施工方法不但可处理分层回填土， 又可加固地基表层土。 并将建 换填法常用作地基的浅层处理， 其主要作用包括： ! 提高持力层的强度， 筑物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 从而可减 地基土的容许承载力范围内， 从而满足强度要求； " 垫层置换了软弱土层， 少地基的变形量； #加速软土层的排水固结。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， 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； $ 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， 因此可防止在寒冷地区土中结冰造成的冻胀； % 对湿陷性 黄土、 膨胀土等特殊土， 处理的目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、 胀缩性 等。
施工方法 碾 压 或 振 密 重锤夯实 砂夹石 （其中碎石、 卵石占全重的 $(. ’ !(. ） 土夹石 （其中碎石、 卵石占全重的 $(. ’ !(. ） 中砂、 粗砂、 砾砂 粘性土和粉土 （/ 0 ! 1 0 #&） 灰土 土或灰土 (23$ ’ (23! (23$ ’ (23! (23& ’ (234
地基换填垫层法
地基换填垫层法当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部荷载对地基强度和变形的要求时，常采用换填法进行地基处理。
一般情况下是先将基础下一定范围内承载力低的软弱土层挖去，然后回填强度较大的砂、碎石或灰土等，并夯至密实。
主要有以下几种处理方法：（1）挖：就是挖去表面的软土层，将基础埋置在承载力较大的基岩或坚硬的土层上。
此种方法主要用于软土层不厚，上部结构的荷载不大的情况。
（2）填：当软土层很厚，而又需要大面积进行加固处理，则可在原有的软土层上直接回填一定厚度的好土或砂石、矿石等。
（3）换：就是将挖与填相结合，即换土垫层法。
施工时先将基础下一定范围内的软土挖去，而用人工填筑的垫层作为持力层，按其回填的材料不同可分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层等。
换填法适用于淤泥、淤泥质土、膨胀土、冻胀土、素填土、杂填土及暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴等的地基处理。
换土垫层的处理深度应根据建筑物的要求，由基坑开挖的可能性等因素综合决定，一般多用于上部荷载不大，基础埋深较浅的多层民用建筑的地基处理工程中，开挖深度不超过3 m。
一、砂和砂石地基砂和砂石地基是采用级配良好、质地坚硬的中粗砂和碎石、卵石等，经分层夯实，作为基础的持力层，提高基础下地基强度，降低地基的压应力，减少沉降量，加速软土层的排水固结作用。
砂石垫层应用范围广泛，施工工艺简单，用机械和人工都可以使地基密实，工期短、造价低；适用于 3.0 m 以内的软弱、透水性强的黏性土地基，不适用加固湿陷性黄土和不透水的黏性土地基。
1.材料要求砂和砂石地基材料，宜采用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、石屑和碎石、卵石等，含泥量不宜超过5%，且不含植物残体、垃圾等杂质。
若用作排水固结地基的，含泥量不宜超过3%；在缺少中粗砂的地区，若用细砂或石屑，因其不容易压实，而强度也不高，因此在用作换填材料时，应掺入粒径不超过50 mm，不少于总重30%的碎石或卵石并拌和均匀。
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垫层厚度Z
d=0.8m
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建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）
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1）计算基础宽度和基底压力
a)垫层的修正承载力特征值
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B b 2 z tan c
2）整片垫层的处理范围，每边超出建筑物外墙基础边缘的宽 度不应小于垫层的厚度，并不应小于2m.
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2.2.3 褥垫法设计 褥垫法是将基础地面下一定程度的范围内局部 压缩性较低的岩石凿去，换填压缩性较大的材料， 然后分成夯实的垫层作为基础的持力层，是基础整 个持力层的变形相互协调的地基处理的方法。 主要用来处理有局部岩层出露而大部分为土层 的地基，一般用于条形基础的处理效果较好。
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褥垫层构造图
褥垫的作用：调整地基的压缩性，改造压缩性低 的地基，从而调整岩土交接部为地基的相对变形， 避免该处发生应力集中。 褥垫的宽度去稍大于基底的宽度，不需另行计算。 主要是根据地基的变形要求计算其厚度。
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2.2.1 砂垫层厚度的设计
1.垫层厚度确定
pz pcz f az
p cz f az
pz
：垫层底面处的附加应力设计值（kPa）; ：垫层底面处土的自重压力值（kPa）； ：经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）
垫层底面处的附加压力值 pz 可按压力扩散角进行简化计算
b( pk pc ) pz 条形基础： b 2 z tg b l ( pk pc ) 矩形基础： p z (b 2 z tg )(l 2 z tg )
褥垫层厚度的计算 1）确定褥垫的沉降量 s 2
s 2 :地基土的沉降量 s :建筑物沉降差的允许值
2）褥垫的厚度 Z 的计算
s 2 s1 s
z
s2 E s
Es :褥垫材料的压缩模量
z
s1h
s :褥垫顶，底面的附加应力值
z
:褥垫材料试样的高度 h :p-s曲线上褥垫所受压力的变形值
计算步骤： 1）计算基础宽度和基底附加压力 2）确定垫层底面淤泥的承载力 3）计算垫层底面处的自重应力和附加压力 4）验算垫层厚度 5）确定垫层宽度
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基础宽度b
γ=17.5kN
1.2m
1.0m
杂填土
θ
地下水位
垫层宽度b' 淤泥
1.2m
条形基础是基础的长度大于或 等于10倍基础宽度的一种基础形 承载力特征值fak =75kPa 式，按上部结构分为墙下条形基 重度：20kN/m3 础和柱下条形基础.
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4）防止冻胀：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。 5）消除地基的湿陷性和胀缩性：对与湿陷性黄土地 基，采用灰土或素土臵换可消除或减轻地基的 湿陷变形。同理非膨胀性材料臵换膨胀土，可 消除或减轻地基的胀缩性。 垫层法适用于适用于浅层地基处理，包括淤 泥、杂填土、等地基处理以及暗塘、暗沟等浅 层处理和低洼区域的填筑。还适用于一些地域 性特殊土的处理：用于消除膨胀土地基的胀缩 作用，可消除湿陷性黄土的湿陷性。
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换填垫层法的概念
换填垫层法是将基础底面下一定深度范围内不满 足地基性能要求的土层（或局部岩石），全部挖出， 换填符合地基性能要求的材料，然后分层夯实，作 为基础的持力层。 换填垫层法按其换填材料的的功能不同又分为垫 层法和褥垫法。 垫层法：以软换硬形成的垫层作为持力层，主要是 提高承载力和减少其变形量。 褥垫法：以硬换软形成垫层作为基础持力层，主要 调整地基的压缩性，减少其不均匀变形。
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2.1 概 述
地基处理从处理深度上可分为浅层处理和深层处 理，浅层处理一般认为处理深度大致在地面以下 5m深度以内。 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。 换填法就是量大面广，简单、快速和经济的浅层 处理方法。
bp0 1182 pz 63.92(kPa) o b 2 z tg 1 2 1.6 tg30
4）验算垫层厚度
p z pcz （31.6 63.92） 95.52kPa f az 100.02(kPa)
5）确定垫层厚度
b' b 2 ztg (1 2 1.6 tan 30o )m 2.85(m)
垫层底面处经深度修正后的承载力特征值
f az f ak d m (d 0.5)
100.2(kPa) f az 75 1.0 13.17 （2.4 0.5）
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基底附加应力p0计算
F
F
d 基础位于地面下时
p
基础位于地面上时
p筑物修建前，土中存在自重应力。自重作用下的变形 已稳定。只有地基附加压力才能引起附加应力和变形。
p
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3）计算垫层的底面处的自重应力和附加应力
pcz 0.8 17.5 0.2 18 1.4 （20 10）kPa 31.6kPa
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pk
pcz
pz
图2-1 砂垫层内应力分布
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2.垫层宽度的确定
垫层宽度应满足基础底面应力扩散和防止向两侧挤出的要求。
b b 2 ztg
'
b
:垫层底面宽度(m)；
:垫层的压力扩散角，可按表2.1-1采用
Gk基础自重及基础上土重
Fk Gk Fk Gk fa pk A bl
Fk 180 b m 0.869( m) fa Gd 223.1 20 0.8
故取 b=1.0(m)
Henan Polytechnic University 指建筑物荷载引起的超出原 有基底压力的压力增量.
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垫层法
当软弱土地基的承载力和变形无法满足工程要求， 且软弱土层的厚度不大时，将软弱土层部分或全 部挖去，然后分层换填强度较大的砂石、素土等 性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实 至要求密实度的地基处理，又称为换土填层法。 垫层法的作用：
c)基底附加压力
Fk Gk 180 1.0 1.0 0.8 20 p0 0d 17.5 0.8 182(kPa) A 1 . 0 1 .0
2）确定垫层底面淤泥的承载力特征值
有效重度
假设垫层厚Z=1.6m,软弱下卧层顶面以上土的平均重度为：
0.8 17.5 0.2 18 1.4 10 m 13.17(kN / m 3 ) 2 .4
故取 b’=3.0m
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2.2.2 素土和灰土垫层的设计
素土垫层：又叫土垫层 灰土垫层：石灰与土的比例2:8或者3:7 在湿陷性黄土地区使用比较广泛，处理深度为1-3m. 垫层厚度的确定方法同砂垫层，垫层宽度以下方法确定。 1）局部垫层的平面处理范围，没边超出基础底边的宽度由
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垫层的分类及适用范围
垫层分类 适用范围 多用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部 砂(砂石、碎石)垫层 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 适用于中小型工程及大面积回填、湿陷性黄土 素土垫层 地基的处理 适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地 灰土垫层 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。 适用于中小型建筑工程，尤其适用于地坪、堆场 等工程大面积的地基处理和场地平整。但对于受酸 性或碱性废水影响的地基不得采用矿渣垫层。
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换填垫层设计的总结
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地基处理技术
Technical of Soil Improvement
换填垫层技术
placement cushion method
河南理工大学土木工程学院
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第2章 换填垫层法
2.1 概述（垫层法 ，褥垫法） 2.2 换填垫层设计 2.3 垫层碾压施工 2.4 质量检验 2.5 换填垫层法处理地基工程实例
矿渣垫层
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2.2 换填垫层的设计
2.2.1 砂垫层设计 2.2.2 素土和灰土层垫层设计
2.2.3 褥垫层设计
2.2.4 垫层材料的选用
要求有足够的厚度以臵换可能被剪切破坏的软弱土 Henan Polytechnic University 层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。
f a f ak b (b 3) d m (d 0.5)
因为
f a f ak d m (d 0.5)