换土垫层法

换土垫层法

本章概述

1．换土垫层的概念

2．换土垫层适用条件

3．换土垫层的五个作用

4．换土垫层的设计

5．换土垫层的施工要点

6．换土垫层法的质量检验方法

本章重点与难点

重点掌握换土垫层的概念、适用条件及其五个作用；对砂垫层厚度、宽度的设计；换土垫层法的质量检验方法。

第二章换土垫层法

第一节概述

当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，而软土层的厚度又不很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并夯压（振实）至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换土垫层法（Replacement Memod）。

换土垫层法常用作为浅层处理地基的方法．而重锤夯实法、机械碾压法和振动压实法，则是换土垫层法中采用不同的压实机具对换填地基土进行夯（压、碾）实的不同施工方法。换土垫层法还包括低洼地域筑高（平整场地）或道路筑高（道路路基）。

对回填不同材料形成的垫层，可称之为该材料垫层、如碎垫层、干渣垫层、和粉煤灰垫层等。

换土垫层的作用是：（1）提高地基承载力，并通过垫层的应力扩散作用，减少垫层下．天然土层所承受的压力。从而使地基强度满足要求；（2）垫层置换了软弱土层，从而可减少地基的变形量；（3）加速软土层的排水固结；（4）调整不均匀地基的刚度；（5）对湿陷性黄土、膨胀土或季节性冻土等特殊土，其目的主要是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性。

换土垫层法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等地等地基土的浅层处理．常用于轻型建筑、地砰、堆料场和道路工程等地基处理工程中。

大面积填土产生的大范围地面负荷，其影响深度较大，地基土的压缩变形量大，沉降延续时间长，与换土垫层法浅层处理地基的特点不同，因而对大面积填土地基进行设计和施工时，地面堆载要力求均衡，避免大量、迅速、集中堆载，并应根据使用要求、堆载特点、结构类型和地质条件等来确定允许堆载量的大小和范围。堆载不宜压在基础上，应在基础施工前不少于三个月完成大面积填土施工。

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（有的加固方法可在地面以下达10m深）。

浅层处理一般使用较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料，换土垫层法即是一种量大面广、简单、快速和经济的地基处理方法。

第二节垫层设计

本节概述

垫层设计时，既要使建筑地基的强度和变形满足要求，还应使设计符合经济合理的原则。尽管垫层地基可以采用不同的材料，垫层地基的变形特性则基本相似，现以砂垫层为例进行垫层的设计。

对砂垫层的设计，既要求垫层有足够的厚度，以置换可能被剪切破坏的软弱土层；又要求其有足够的宽度，以防止砂垫层向两侧挤出。砂垫层的设计方法有很多种，本节只介绍一种常用的方法。

一、砂垫层厚度的确定

砂垫层的厚度一般是根据砂垫层底部软土层的承载力来确定的，即作用在垫层底面处土的附加应力与自重应力之和，不大于软弱层的承载力设计值，如图2－1所示，并符合下式要求：

式中p z—垫层底面处的附加应力设计值（kPa）；

p cz—垫层底面处土的自重应力标准值（kPa）；

f z—经深度和宽度修正后垫层底面处土层的基承载力设计值（kPa）。

图2－1垫层内应力分布

砂垫层底面处的附加应力，除了可以采用弹性理论的土中应力公式求得外，也可按应力扩散角θ进行简化计算：

条形基础：

（2－2）

矩形基础：

（2－3）

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）；

P—基础底面压力的设计值（kPa）；

Pc—基础底面处土的自重应力标准值（kPa）；

Z—基础底面下垫层的厚度（m）；

θ—垫层的应力扩散角（0）。各种换填材料的应力扩散角θ值见表（2－1）。

表2－1压力扩散角θ（0）

注；当z／b<0.25时，除灰土取θ=30°外，其余材料均取θ=0o；

当0.25<÷<0.5时，θ值可内插求得。

砂垫层厚度计算时，一般是先根据初步拟定的厚度，再用公式（2－1）进行复核。砂垫厚度一般不宜大于3m，太厚则施工困难；也不宜小于0.5m，太薄则换土垫层的作用不明显。

二、砂垫层宽度的确定

砂垫层的宽度既要满足应力扩散角晶要囊粼砂垫层侧面土的承载力标准值来确定。如果砂垫层宽度不足，当垫层四周侧面土质又比较软弱时，垫层就有可能被挤入四周软弱时，垫层就有可能被挤入四周软弱土层中，促使沉降增大。砂垫层底宽度b′（以m计）应满足基础底面应力扩散的要求，可以按下式计算或根据当地经验确定。

b′b十2ztgθ（2－4）

各种垫层的宽度在满足式（2－4）的前提下，在基础底面标高以下所开挖的基坑侧壁呈直立状态时，则垫层顶面角边比基础底边缘多出的宽度应不小于300mm；若按当地开挖基坑经验的要求，基坑须放坡开挖时，垫层的设计断面则呈下宽上窄的梯形。整片垫层的宽度可以根据施工要求适当加宽。

垫层的承载力宜通过现场试验确定，当无资料时，可选用表2－2中的数值，并应验算下卧层的承载力。

表2－2各种垫层的承载力

压实系数

注：1．压实系数小的垫层，承载力标准值取低值，反之取高值；

2．重锤夯实土的承载力标准值取低值，灰土取高值；

3．压实系数λ为妻的控制千密度与最大干密度的比值；

土的最大干密度采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取20kN／m3～25kN／m3。

对比较重要的建筑物，还要验算其基础的沉降，以便使建筑物基础的最终沉降值小于其容许沉降值。此时沉降计算可由二部分组成：一部分是砂垫层的沉降；另一部分是在砂垫层下压缩层范围内的软弱土层的沉降。

对超出原地面标高的垫层或换填材料的密度大于天然土层密度的垫层，宜早换填并应考虑其附加的荷载对建造的建筑物及邻近建筑物的影响。

素土垫层或灰土垫层（石灰与土地体积配合比一般为2:8或3:7）总称为土垫层，是一种以土治土处理湿陷性黄土地基的传统方法，处理深度一般为1m～3m。由于湿陷性黄土地基在外荷载作用下受水浸湿后产生的湿陷变形，包括土的竖向变形和侧向挤出两部分。经载荷试验表明，若垫层宽度超出基础底面宽度较小时，防止浸温后的地基土产生侧向挤出的作用也较小，地基土的湿陷变形量仍然较大。因此，工程实践中，将垫层每边超出基础底面的宽度，控制在不得小于垫层厚度的40%以内，且不得小于0.5m。通过处理基底下的部分湿陷性土层，可以达到减小地基的总湿陷量，并控制未处理土层的湿陷量不大于规定值，以保证处理效果。

素土垫层或灰土垫层按垫层布置范围可分为局部垫层和整片垫层。在应力扩散角满足要求的前提下，前者仅布置在基础（单独基础、条形基础）底面以下一定范围内，而后者则布置于整个建筑物范围内。为了保护整个建筑物范围内垫屡下的湿陷性黄土不致受水浸湿，整片土垫层超出外墙基础外缴的宽度不宜小于土垫层的厚度，且不得小于1.5m。当仅要求消除基底下处理土层的湿陷性时，宜采用素土垫层，除了上述要求以外，还要求提高地基土的承载力或水稳性时，则宜采用灰土垫层。

经研究证实，作为燃煤电厂废弃物的粉煤灰，也是一种良好的地基处理材料，由于该材料的物理、力学性能能满足地基处理工程设计的技术要求，致使利用粉煤灰作为地基处理材料已成为岩土工程领域的一项新技术。

粉煤灰类似于砂质粉土，粉煤灰垫层的应力扩散角θ=22o。粉煤灰垫层的最大干密度和最优含水量在设计和施工前，应按照《土工试验标准》（GBJ123－88）的击实试验法测定。

粉煤灰的内摩擦角、粘聚力C、压缩模量E．和渗透系数k，随粉煤灰的材料性质和压实密度而变化，应该通过室内土工试验确定。

粉煤灰填料因级配状况单一且具有遇水后强度降低的特点，上海地区的经验数值为：对压实系数=0.9～0.95的浸水粉煤灰垫层，其承载力标准值可采用120kPa～200kPa，但仍应满足软弱下卧层的强度与地基变形要求。当>0.90时，可以抗7度地震液化。