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。
表3
垫层模量（ Mpa ）
压缩模量Es 变形模量Eo
粉煤灰 砂
碎石、卵石 矿渣
8～20 20～30
30～50 35～70
注：压实矿渣的 Eo/Es值可按1.5～3取用。
四、垫层材料选择
(1) 砂石：宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗 砂、中砂或石屑（粒径小于2㎜的部分不应超过总重的 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0.07㎜的部分不应超过总重 的9%）时，应掺入不少于总重30%的碎石或卵石。砂石的 最大粒径不宜大于50㎜。对湿陷性黄土地基，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。粘土及粉土均难以夯压密实，故换填时 均应避免采用作为换填材料。在不得已选用上述土料回 填时，也应掺入不少于30%的砂石并拌合均匀后方可使用。
200～300 200～250
150～20150
注：1、压实系数小的垫层，承载力特征值取低值，反之取高值; 2、原状矿渣垫层取低值，分级矿渣或混合矿渣垫层取高值。
4.垫层沉降计算：
当断层断面确定后，对重要的建筑物或垫层下存在软 弱下卧层的建筑物，还应进行地基变形计算，这时建筑物 基础沉降量等于卧层自身变形量与下卧土层变形量之和。 作为粗颗粒的垫层材料与下卧的较软土层相比，其变 形模量比值均接近或大于10，且回填材料自身压缩在建造 期间几乎全部完成，因此砂垫层地基的变形计算可仅考虑 其下卧层的变形。但对沉降要求严的或垫层厚的建筑，应 将垫层的自身变形计算在内。 垫层下卧层的变形量可按现行国家标准《建筑地基基 础设计规范》（GB50007—2002）的有关规定计算。有关 垫层的模量应根据试验或当地经验确定。在无试验资料或 经验时，可参照表3选用。
主要内容
一、概述 二、土的压实原理 三、垫层设计 四、垫层材料选择 五、垫层施工及注意事项
六、换填垫层质量控制及检验
一、 概 述
1. 换填垫层法（Replacement and Cushion）
是指挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，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。
二、土的压实原理
2 控制压实效果的主要因素 （1）最优含水量 在一定的压实机械的功能条件下，土最易于被 压实、并能达到最大密实度时的含水量，称为最优 含水量，相应的干密度称为最大干密度。最优含水 量大致为塑限＋2％。土中粘土矿物含量越大，则 最优含水量越大。 （2）压实功能 当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较 小，对应的最优含水量则较大。所以，在压实工程 中，若土的含水量较小，则需选用夯实功能较大的 机具，才能把土压实至最大干密度。
2.适用范围
换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的 处理，包括淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、杂填土 地基及暗塘、暗沟等浅层处理。 对大面积填土，往往是压缩层深度大、且沉降持 续时间较长。采用大面积填土作为建筑地基，应符 合《建筑地基基础设计规范》。
3. 补充说明
换填法的处理深度通常宜控制在3m以内，但也不应小于 0.5m。因为垫层太薄，则换土垫层的作用也不显著。在湿陷 性黄土地区或土质较好场地，一般坑壁可直立或边坡稳定时 ，处理深度可限制在5m以内。 通过沉降观测资料得知，不同材料垫层（如砂垫层、粉 煤灰垫层和矿渣垫层等）的特性基本相似，故可将各种材料 的垫层设计都近似地按砂垫层的计算方法进行计算。但对湿 陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等某些特殊土采用换填法处 理时，因其主要处理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，所以在设计时所需考虑解决问题的 关键也应有所不同。
三、垫层设计(Design of Cushion)
1.垫层的厚度应根据需臵换软弱土的深度或下卧土层 的承载力确定，并符合下式要求：
Pz+Pcz≤faz
式中 Pz -相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的 附加压力值（Kpa）； Pcz -垫层底面处的自重压力值（Kpa）； faz-垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征 值（Kpa)。
四、垫层材料选择
(3) 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。 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。
二、土的压实原理
1 普洛特（Proctor）假说
当粘性土的含水量较小时，土粒表面的结合 水膜很薄（主要是强结合水），颗粒间很大的分子 力阻碍着土的压实，这时压实效果就比较差；当含 水量增大时，结合水膜逐渐增厚，粒间联结力减弱， 水起着润滑的作用，使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， 压实时，孔隙水不易排出，形成较大的孔隙压力， 势必阻止土粒的靠拢，所以压实效果又趋下降，这 就是土的压实机理。
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+2ztanθ
式中 b´-垫层底面宽度（ m ）；
θ-压力扩散角，可按表1采用；当 z/b＜0.25 时，仍按表中 z/b=0.25 取值。 整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。 垫层顶面的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 。
五、垫层施工及注意事项
当不具备试验条件时，可按表4选用。 表4 垫层的每层铺筑厚度及压实遍数
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3.为获得最佳的压实效果，宜采用垫层材料的最优 含水量作为施工控制含水量。对于粉质粘土和灰土， 现场可控制含水量在 ωop±2%的范围内; 当使用振 动碾压时，可适当放宽下限范围值，即控制在ωop 的-6%~+2%范围内。粉煤灰垫层的施工含水量宜控 制在ωop±4%的范围内。最优含水量可按现行国家 标准《土工试验方法标准》GB/T 50123 中轻型击实 试验的要求求得。在缺乏试验资料时，也可近似取 0.6倍液限值; 或按照经验采用塑限ωp±4%的范围 值作为施工含水量的控制值。
5.基坑开挖时应避免坑底土层受到扰动，可保留约 200mm厚的土层暂不挖去，待铺筑垫层前再挖至设计标 高。严禁扰动垫层下的软弱土层，防止其被践踏、受 冻或受水浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设臵厚 150~300mm的砂垫层或铺一层土工织物，以防止软弱 土层表面的局部破坏，同时必须防止基坑边坡坍土混 入垫层。
6.换填垫层施工应注意基坑排水，一般不得在浸水条 件下施工，必要时应采用降低地下水位的措施。
7.垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底 土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进 行垫层施工，搭接处应夯压密实。
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8.粉质粘土及灰土垫层分段施工时，不得在柱基、墙角 及承重窗间墙下接缝。上下两层缝距不得小于3d 。接 缝处应夯压密实。灰土应拌合均匀并应当日铺填夯压。 灰土夯压密实后0.5m内不得受水浸泡。粉煤灰垫层铺填 后宜当天压实，每层验收后应及时铺填上层或封层，防 止干燥后松散起尘污染，且禁止车辆通行。垫层竣工验 收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。 9.铺设土工合成材料时，下铺地基土层顶面应平整，防 止土工合成材料被剌穿、顶破。铺设时应把土工合成材 料张拉平直、绷紧，严禁有折皱;端头应固定（在端部 位臵挖地沟，将合成材料的端头埋入沟内上覆土压住固 定，以防止其受力后被拔出）或回折锚固; 切忌曝晒或 裸露（施工宜连续进行，暴露时间不宜超过48h）; 连 接宜用搭接法、缝接法和胶结法，并均应保证主要受力 方向的连结强度不低于所采用材料的抗拉强度。