专题地基处理方法--换填法

❖ 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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7.垫层材料的分类 2）粉质粘土垫层
❖ 土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含 有碎石时，其粒径不宜大于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地 基的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。
填土的密实程度常以干密度ρd表示
击实试验 《土工试验方法标准》（国家标准）
轻型：土d<5mm； V=947cm3, m=2.5kg, 3层, 25击， 落高30.5cm 重型：土d<40mm； V=2104cm3, m=4.5kg, 5层, 56击， 落高47.7cm
击实仪 •19
2 压实原理 质量控制
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8．垫层的作用
提高地基承载力 减少沉降量 加速软弱土层的排水固结 防止冻胀 消除地基土的湿陷性、膨胀性作用
虽然不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但从试验结果分析其 极限承载力还是比较接近的；通过沉降观测资料发现，不同材料垫层的 特点基本相似，故可将各种材料的垫层设计都近似的按砂垫层的计算方 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 换土垫层处理时，因其主要处理目的是为了消除地基土的湿陷性、膨胀 性和冻胀性，所以在设计时需考虑的解决问题的关键也应有所不同。
❖ 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，在不得己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。当采用粉质粘土大面积换填并使用大 型机械夯压时，土料中的碎石粒径可稍大于50mm，但不宜大于 100mm，否则将影响垫层的夯压效果。
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7.垫层材料的分类
换填法
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2 压实原理 换填法处理地基前的准备工作
❖ 查明地层土性质及不良地质现象；查明沟、塘、洞等分布范围 和深度；查明填土的成分、范围、厚度、均匀性、填筑年限和 方法等
❖ 查明地下水的埋藏条件、类型、埋深等； ❖ 查明地下管线、防空洞及地下障碍物的分布范围和走向； ❖ 查明换填土的来源、种类、规格、价格等
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7.垫层材料的分类 5）矿渣垫层
❖ 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。 矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑，构筑物地基。 选用矿渣的松散重度不小于11kN/m3，有机质及含泥总量不超过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 规定后方可使用。作为建筑物垫层的矿渣应符合对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。
❖ 大面积填土产生的大范围地面负荷影响深度较深，地基压缩变 形量大，变形延续时间长，与换填垫层法浅层处理地基的特点 不同，因而大面积填土地基的设计施工应另行按国家现行有关 规范执行。
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7.垫层材料的分类
6.垫层材料
中粗砂、卵石、砾石、素土
灰土：灰土比 2:8 或 3:7 工业废料：
垫 层
回填材料
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5.注意事项
❖ 换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基。当在建筑范围内上 层软弱土较薄，则可采用全部置换处理。对于较深厚的软弱上 层，当仅用垫层局部置换上层软弱土时，下卧软弱上层在荷载 下的长期变形可能依然很大。例如，对较深厚的淤泥或淤泥质 土类软弱地基，采用垫层仅置换上层软土后，通常可提高持力 层的承载力，但不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形量 大对上部建筑物产生的有害影响；或者对于体型复杂、整体刚 度差、或对差异变形敏感的建筑，均不应采用浅层局部置换的 处理方法。
3）灰土垫层
❖ 体积配合比宜为2︰8或3︰7。土料宜用粉质粘土，不宜使用 块状粘土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗 粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于 5mm。
❖ 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CaO和MgO越高则胶结力越强。 通常灰土的最佳含灰率为CaO+MgO约达总量的8%。石灰应 消解3～4d并筛除生石灰块后使用
❖ 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。 ❖ 用于换填垫层的土工合成材料，在垫层中主要起加筋作用，以提高地基土的抗拉和抗剪
强度、防止垫层被拉断裂和剪切破坏、保持垫层的完整性、提高垫层的抗弯刚度，因此 利用土工合成材料加筋的垫层有效地改变了天然地基的性状，增大了压力扩散角，降 低了下卧天然地基表面的压力，约束了地基侧向变形，调整了地基不均匀变形，增大 地基的稳定性并提高地基的承载力。
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8．垫层的作用
❖ (1)提高地基承载力 大家知道，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砂或其它填筑材料代替软弱的土， 可提高地基的承载力，避免地基破坏。
❖ (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题 是比较大的。以条形基础为例题，在相当于基础宽度的深度范围内的 沉降量约占总沉降量50%左右。如以密实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。由于砂垫层或其它垫层对应 力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减少 下卧层土的沉降量。
理论上最大压实曲线-饱和 曲线（土中气体被赶走， 使土达到饱和）
a-碾压6遍；b-碾压12遍； c-碾压24遍；d-室内击实试验
同一种土wop 与ρdmax不是 恒定值，随
压实功能而 变化。
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2 压实原理
换填法
击实试验
土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压 实到某种密实度的性质。
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3 砂垫层设计
换填法
设计原则：对垫层的设计，既要求有足够的厚度z以置 换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度b′以 防止砂垫层向两侧挤出。
设计内容 垫层厚度z 垫层宽度b’ 垫层压实度λc
z
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3 砂垫层设计 垫层设计的步骤
垫 层 设 计
垫层厚度的确定 垫层宽度的确定 垫层承载力的确定
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3. 适用条件及范围
地层条件
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中规定：
适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。包括软土（淤泥、淤 泥质土）、湿陷性黄土、素填土、膨胀土、杂填土、冻土地基 及暗沟、暗塘等的浅层处理。
建筑物条件 ： 中、小型建筑工程为主
处理深度： 0.5米～ 3.0米
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2 压实原理
压实原理: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，不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。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大了，因而引力的减少就显著，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”wop ，这就是土的压实机理。
❖ 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经分析， 应属粉土的范畴。但由于含有CaO、SO3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 获得一定的强度与刚度，有效地改善了垫层地基的承载能力及减小 变形的能力。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，即可以抵抗7度地 震液化。
换填法
换填法
主要内容
适用范围 加固机理 垫层设计 垫层施工 垫层质量检验 工程实例
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1 概述 1. 换填法
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很大时，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，然后分层换填 强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰） 或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实 至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为换填法 (replacement method)，或者称为换填垫层法。
换填法是浅层软土地基的处理方法。
b
回填土 换填土
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2. 换填法处理方法
按施工机械不同，施工方法有： 机械碾压 重锤夯实 平板振动
作为压（夯、振）实垫层的不同机具对待，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。 按回填材料不同,垫层(Cushion)可分为： 砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、 二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等；及土工合成材料 加筋垫层。
沉降计算
垫 层 尺 寸
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3.1垫层厚度z的确定
换填垫层法
垫层厚度z应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要
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7.垫层材料的分类
4）粉煤灰垫层
❖ 可用于道路，堆场和小型建筑，构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层 上宜覆土0.3～0.5m。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。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。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采取适当防腐 措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。
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7.垫层材料的分类
6）其他工业废渣垫层 ❖ 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。
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7.垫层材料的分类
7）土工合成材料垫层
❖ 由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。作为加筋的上工合成材料应采用抗 拉强度较高、受力时伸长率不大于4%～5%、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格 室、土工垫或土工织物等土工合成材料；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。
分
类
砂垫层 粉质粘土垫层
灰土垫层 粉煤灰垫层
粉煤灰，干渣（高炉重矿wk.baidu.com）
矿渣垫层
土工合成材料：
其他工业废渣垫层
土工合成材料加筋垫层、
土工合成材料垫层
土工合成材料轻质垫层（聚苯乙烯板块垫层）
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7.垫层材料的分类
1）砂垫层
❖ 宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒 径小于2mm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0.075mm的 部分不超过总重的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50mm。对湿陷性黄上地基，不得选用砂 石等透水材料。
❖ 常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程，一般
4. 适用于处理浅层软弱土层（淤泥质土、松散素填土、杂填土、 适 浜填土以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。 用 范 ❖ 一般处理深度为0.5～3m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、 围 素填土和杂填土等。
❖ 换填垫层法常用于处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等
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8．垫层的作用
❖ (3)加速软弱土层的排水固结 建筑物的不透水基础直接与软弱土层相 接触时，在荷载的作用下，软弱土层地基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。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，可以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，避免地基土塑性破坏。
❖ (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。这时，砂垫层的底 面应满足当地冻结深度的要求。
❖ (5)消除膨胀土的胀缩作用 在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、 煤渣、二灰或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，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度， 而基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。