公路换土垫层法

第2章换土垫层法2.1换土垫层法的原理与适用范围换土垫层法（Replacement Method）：就是将基础底面下处理范围内的软弱土挖除，然后分层回填强度较大、压缩性较小、材源丰富、价格便宜且无腐蚀性的砂土、碎石、石渣、素土、煤灰、矿渣、二灰（石灰、粉煤灰）以及其它性能稳定的材料，分层夯实至要求的密度为止。

①提高地基承载力②减少沉降变形③加速软弱土层的排水固结；④消除膨胀土地基的胀缩作用；⑤消除湿陷性黄土的湿陷作用；⑥防止季节性冻土的冻胀作用；⑦用于处理暗浜和暗沟的建筑地基。

不同工程中，垫层所起的作用有时是不同的。

如砂垫层可分为换土砂垫层和排水砂垫层：①对路堤和土坝等工程的砂垫层，主要是利用垫层的排水固结作用，提高固结速率，促使地基土地的强度增长；②一般工民建基础下的垫层主要起换土作用，视具体情况，可部分换土、也可全部换土。

当软弱土层较薄时，可全部换土，短期内便可达到设计的效果；当软弱土层很厚时，可对靠近地表附近的进行部分置换，并容许有一定的沉降及变形。

采用换土垫层法的前提条件：挖除的软弱土能搬迁堆放，同时又能获得大量便宜的良质土。

2.2 垫层的设计垫层的设计：既要满足地基的强度和变形要求，又要有足够的宽度，以防止垫层材料侧向挤出而增大垫层的竖向变形量，而且还要经济合理。

垫层的设计主要是确定垫层的厚度、宽度和承载力，必要时进行变形计算。

2.2.1 垫层的厚度垫层厚度z 应根据下卧层的承载力确定，满足：z cz z f p p ≤+式中 Pz ——垫层底面的附加压力设计值，可用弹性理论中应力公式计算，也可按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）中的扩散角法计算：条形基础： θztg b p p b p c z 2)(+-=矩形基础： )2)(2()(θθztg l ztg b p p b p c z ++-=b ——矩形基础或条形基础底面的宽度； l ——矩形基础底面的长度； p ——基础底面的压力；Pc ——基础底面处土的自重压力； z ——垫层的厚度；θ——压力扩散角，按表3-2采用； Pcz ——垫层底面处土的自重压力；fz ——垫层底面处下卧层的地基承载力 实践表明：垫层的厚度太薄（〈0.5m 〉，则换土垫层的效果不太显著，在湿陷性黄土地区，如垫层太薄（〈1.0m 〉，则较难消除湿陷变形，所以垫层的厚度的确定除应满足计算要求外，还应根据当地的经验综合考虑。

图2-1 垫层内应力的分布2.2.2垫层的宽度垫层的宽度:除满足基础底面的应力扩散要求外，还考虑垫层侧面土的强度，防止垫层材料的侧向挤出，增大垫层的竖向变形量。

可按如下两种方式计取，也可按当地经验计算。

①《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-92）推荐公式：θ≥'+ztgbb2式中b'——垫层底面宽度；θ——压力扩散角，按表2-2采用，当z/b＜0.25 时，可按z/b=0.25取值。

②按垫层侧面土的地基承载力f设计值确定垫层的宽度：当f＞200Kpa时+b（0～0.36）z≥'b当120＜f＜200Kpa时+≥'bb（0.6～1.0）z当f＜120Kpa时+b（1.6～2.0）z≥'b垫层顶面每边超出基础底边的宽度不小于300mm；湿陷性黄土地区的垫层每边超出基础外缘的宽度不小于垫层的厚度、且不小于2m；或按开挖放坡经验从垫层底边向上延伸到基底，得到垫层的设计断面尺寸。

2.2.3垫层的承载力垫层的承载力宜通过静载荷试验确定，对于小型、轻型或对沉降要求不高的工程，可按表3-3选用。

2.2.4 沉降计算垫层地基的变形包括垫层自身变形及下卧土层的变形：下卧层变形可用分层总和法计算；垫层自身变形可按下式进行计算：11/2E z p p s ⎪⎭⎫⎝⎛⋅+=α 式中 α——压力扩散系数；E 1——垫层压缩模量，由静载荷试验确定。

无试验资料时可用15~25MPa 。

2.2.5 垫层的选择根据不同的工程特点、换填材料的强度、稳定性、压力扩散能力、密度、渗透排水性能、价格、来源、结构特点、荷载性质地质条件、施工机械设备等综合分析考虑。

一般情况下：① 对于受振动荷载的地基，不得选用易液化的砂垫层和粉土垫层； ② 对于湿陷性黄土地基，不应选择砂石等渗水垫层；③ 对于具有排水要求的软弱土，宜采用含泥量≤3%的砂石垫层； ④ 当要求消除基底下处理土层的湿陷性时，宜采用不含砖、瓦和石块的素土垫层；⑤ 当要求提高土的承载力或水稳定性时，宜采用灰土垫层； ⑥ 当要求消除膨胀土的胀缩性时，宜采用石灰砂层。

2.3 各类地基中垫层设计要点2.3.1 处理软土或杂填土的垫层 （1）主要目的置换基础底下可能受剪切破坏的软土，或基底下土性极不均匀，易引起建筑物不能允许的差异沉降的土。

（2）垫层厚度主要取决于剪切破坏区域的大小受工程对消除剪切区深度的要求； 下卧层如为软土层，尚应满足该土层的承载力要求及工程对变形容许量的要求，或取决于杂填土层埋藏深度。

（3）垫层宽度必须保证垫层在受力作用后的刚度和密度不被降低，满足基底压力扩散的要求，并避免侧面边界因挤出而造成垫层的疏松。

2.3.2 处理湿陷性黄土的垫层 （1）主要目的消除或减少湿陷量。

其中 素土垫层一般用于4 层以下的民用建筑中；灰土垫层可用于6-7层的民用建筑中。

（2）垫层厚度取决于工程对湿陷量的要求。

① 全部消除：对于非自重湿陷性黄土而言，应满足垫层底部总压力小于或等于下卧层黄土的湿陷起始压力；对于自重湿陷性黄土必须全部消除，因而仅适用于厚度不大的自重湿陷性黄土。

②部分消除湿陷量：根据建筑物的重要性、基础形式和面积、基底压力大小及黄土湿陷类型、等级等因素综合考虑。

一般情况下，对于非自重湿陷性黄土垫层厚度等于基础宽度时，可消除80%以上的湿陷量；等于1.5倍基础宽度时，可基本消除湿陷量。

灰土垫层厚度宜大于1.5倍基础宽度。

对于自重湿陷性黄土，应控制剩余湿陷量不大于20cm，并满足最小处理厚度的要求，见表3-4。

（3）垫层宽度取决于工程的要求。

应消除整个建筑物范围内的部分黄土层的湿陷性，防止水从室内外渗入地基，保护土垫层下未经处理的湿陷性土层不受水浸湿，此时垫层宽度应超出外墙基础边缘的距离至少等于垫层的厚度，且不得小于1.5m。

对于直接位于基础下的垫层，为防止基底下土层向外挤出，垫层每边超出基础的宽度不小于垫层厚度的40%，并不小于0.5m。

2.3.3处理膨胀土的垫层主要目的：消除或减小地基土的膨胀性能。

主要用于：薄的膨胀土层及主要胀缩变形层不厚的情况下。

对土垫层厚度应使地基剩余胀缩变形量控制在容许范围内。

如采用补偿砂垫层，则应满足以下条件：①垫层厚度为1—1.2倍基础宽度，垫层宽度为1.8—2.2倍基础宽度；②垫层密实度≥1.6t/m3；③基底压力宜选用100—250kPa；④基槽两边回填区的附加压力不能大于0.25p（p为基底压力）；⑤当土膨胀压力大于250kPa时，垫层宜用中、粗砂；膨胀压力较小时，可用粗砂。

2.4垫层的施工垫层施工分为：分层铺填、分层夯实、分层质量检验。

施工时的最优含水量Wop、铺填与压实厚度、压实遍数等应根据施工机具与设计要求通过现场试验确定。

2.4.1材料要求①砂和碎石料中不得含有草根、垃圾等有机杂物，且含泥量不超过5%（排水垫层不应超过3%），碎石最大粒径不应大于5cm。

②土性材料宜采用就地基槽中挖出的土，并应过筛，粒径≤15mm。

不得含有有机杂质、冻土和膨胀土。

用于湿陷性黄土地基的素土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料。

③灰土垫层中灰料宜用达到国家三等标准的生石灰，消解3~4d后过筛使用，粒径≤5mm。

灰土以2:8或3:7等比例，应拌合均匀。

④粉煤灰可用湿排灰、调湿灰和干排灰。

不应含有植物、垃圾和有机杂物。

⑤干渣可用分级干渣、混合干渣或原状干渣。

小面积垫层可用8~40mm或40~60mm的分级干渣，或0~60mm的混合干渣；大面积铺填可采用混合干渣或原状干渣，但最大粒径≤200mm或2/3的虚铺厚度。

2.4.2含水量要求施工控制含水量一般为Wop±2%；粉煤灰垫层为Wop±4%，振动碾压时-6% ~ +2%。

2.4.3垫层的施工参数垫层的施工参数应根据垫层材料、施工机械及设计要求通过现场试验确定，以获得最佳的压实效果，或参照表2-5选用。

各种材料垫层的分层虚铺厚度见表2-6。

2.4.5分层质量检验控制标准：满足设计要求的最小干密度（或压实系数）。

一般用环刀取样法或贯入法；对碎石、干渣等粗骨料垫层，可用沉陷差值来控制。

①砂垫层要求最小干密度≥1.6t/m3。

②灰土最小干密度以土材料区分，分别为：粘土1.45 t/m3；粉质粘土1.5 t/m3；粉土1.55 t/m3。

③素土垫层的密实度可用压实系数λ控制，一般>0.94。

④处理湿陷性黄土时，可渗入适量石灰或水泥，控制干密度为≥1.6 t/m3（灰土垫层≥1.55 t/m3）。

⑤处理膨胀土地基时，可用砂、碎石和灰土等，干密度要求≥1.55 t/m3。

118工程进场道路路基处理一、概述118工程（空军汉口阳逻机场）进场道路――倒水河大桥北岸高填路堤长265m（桩号K1+635～K1+900m），最大填方高度8.1m，如图1所示。

根据施工安排，拟将该高填路段作为大桥大型T梁预制构件施工场地，要求在40天内完成大桥北岸高填路基的快速施工，并满足预制构件的施工、堆放、运输及吊装要求。

高填方路基相对一般路基而言，具有沉降量大，最终沉降时间长，对地基承载力要求高等特点，我国现行规范对其没有特别要求，在公路或城市道路施工中，多采用先铺筑过渡路面，待路基沉降变形稳定后再铺筑路面结构层的方法解决路基变形给道路带来损坏的问题，这一过程通常需要一至两年甚至更长的时间。

而倒水河北岸的高填方路基必须在40天内使沉降工后趋于稳定，并满足预制构件施工场地的地基承载力及稳定性要求。

针对该段路基的工程地质条件及快速施工要求，经深入的研究和计算分析，拟采取如下施工方案，以满足高填路堤的快速填筑要求。

二、天然地基的处理倒水河北岸高填方路堤高，自重荷载大，加上预制构件施工荷载特殊，天然地基附加压力增大，地基变形及不均匀变形大，这就要求天然地基必须具有足够的承载力和较小的压缩变形。

因此，在路堤填筑施工前必须认真调查，对软弱地基及存在滑移、沉降隐患的天然地基进行地基承载力、变形及稳定性评价，如天然地基不能满足高填路堤快速施工及预制场地的要求，则需采用技术合理、施工周期短的地基处理方案进行加固防护处理。

（一）天然地基的评价1、工程地质条件根据《118工程道路桥梁工程详勘勘察报告》，该路段沿线地质条件如下。

K1+635～1+900段沿线地形总体上北高南低，地形高程一般为20.60～32.60m（孔口高程），高差较大，场地地层地层岩性特征见表1，地基土主要物理力学指标见表2。