换填垫层法地基处理设计

换填垫层法地基处理设计
[摘要] 从土的压实机理出发，介绍了换填垫层法地基处理的设计方法。

[关键词] 软弱土地基换填垫层
1.概述
当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，软弱土层的厚度又不大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法称为换填垫层法。

换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。

换土深度一般不宜小于0.5m，也不宜大于3m。

填料以渗水材料为佳。

垫层可选用下列材料：砂石、粉质粘土、灰土、矿渣、粉煤灰、其他工业废渣、土工合成材料等。

2.压实机理
当粘性土的土样含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，还不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果比较差，当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，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，结合水膜的扩大作用就不明显了，因而引力的减少就不显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，因而设计时要选择一个“最优含水量”，这就是土的压实机理。

在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度max,其最大干密度可用击实试验确定。

在标准的击实方法的条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，从而绘制干密度和制备含水量w的关系曲线，在曲线上的峰值即为最大干密度max，与之对应的制备含水量为最优含水量wop。

垫层的压实标准可按表1选用：
表1 各种垫层的压实标准
施工方法换填材料类别压实系数
碾压、振密或夯实碎石、卵石 0.94～0.97
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、角跞、圆砾、石屑
粉质粘土
灰土0.95
粉煤灰0.90～0.95
注：
1.压实系数为土的控制干密度与最大干密度max的比值；土的最大干密度宜采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取
2.0～2.2t/m3;
2.当采用轻型击实试验时，压实系数宜取高值，采用重型击实试验时，压实系数可取低值；
3.矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于2mm。

对于工程量较大的换填垫层，应按照所选用的施工机械、换填材料及场地的土质条件进行现场试验，以确定压实效果。

(2)垫层的作用主要有：
1)提高地基承载力
浅基础的地基承载力与持力层的抗剪强度有关。

如果以抗剪强度较高的填筑材料代替软弱土，可提高地基的承载力，避免地基发生破坏。

2)减少沉降量
一般地基浅层部分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。

如以密实的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，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。

3)加速软弱土层的排水固结
建筑物的基础直接与软弱土层接触时，在荷载的作用下，软弱土层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。

垫层所用材料透水性大，
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，加速软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土发生塑性破坏。

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。

5)消除膨胀土的胀缩作用
在膨胀土地基上可选用砂石、矿渣、灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用，但垫层厚度应依据变形计算确定，且垫层宽度应大于基础宽度，基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。

3.垫层设计
对垫层的设计，既要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。

(1)垫层厚度的确定
垫层厚度应根据需置换软弱土的深度或垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：
（1）
式中——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加应力值（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可按压力扩散角进行简化计算：
条形基础：（2）
矩形基础：（3）
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）；
——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）；
——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）；
——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采用。

表2 压力扩散角（°）
换填材料
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
0.25 20 6 28
30 23
注：
1.当z/b<0.25时，除灰土取＝28°外，其余材料均取＝0，必要时，宜由试验确定；
2.当0.25<z/b<0.5时，值可内插求得。

具体计算时，一般可根据垫层的承载力确定出基础宽度，再根据下卧土层的承载力确定出垫层的厚度。

可先假设一个垫层的厚度，然后按式(1)进行验算，直至满足要求为止。

(2)垫层宽度的确定
垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。

关于宽度计算，目前还缺乏可靠的方法。

一般可按下式计算或根据当地经验确定：
（4）
式中
b’——垫层底面宽度(m)；
——垫层的压力扩散角（°），可按表2采用；当z/b<0.25时，仍按z/b=0.25
取值。

垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡，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
垫层的承载力宜通过现场荷载试验确定，并应验算下卧层的承载力。

(4)沉降计算
对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形计算。

建筑物基础的沉降等于垫层自身的变形量与下卧土层的变形量之和。

当超出原地面标高的垫层或换填材料的重度高于天然土层重度时，宜早换填并考虑其附加的荷载对建筑物及邻近建筑物的影响。

4.结束语
对垫层的设计，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，保证建筑物的安全与正常使用。

参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准：建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 叶书麟、叶观宝编著．地基处理．北京：中国建筑工业出版社，2004.
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