地基处理换填土法
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第 2 讲 换填土法
§2.1 概 述 §2.2 垫层土的压实原理 §2.3 垫层设计 §2.4 垫层施工 §2.5 质量检验 §2.6 砂垫层设计实例
湖南大学陈昌富制作（2012.2） 湖南大学陈昌富制作（2012.2）
§2.1 概 述
2.1.1 定义及适用范围 2.1.2 垫层材料、压实方式和设计方法 2.1.3 换填法的加固原理及垫层的作用
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。 。。
钢板
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课堂作业
1、何谓场地、地基和基础？ 2、一般建筑物地基面临的问题有哪些？ 3、常见的特殊性岩土地基有哪些？
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作 业：
某公路挡土墙条形基础，基础宽度b＝1.5m、填深 h＝1.2m，作用于基础底面的荷载为140kN/m。地下 水位埋深0.8m。土层性质指标见表。试：① 对垫层 进行设计计算；② 计算地基沉降；③ 验算软弱下卧 层承载力。
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土类不同，wopt 和ρd, max 也不同
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压实功能不同，wopt 和ρd, max 也不同
ρd,max大小与击实功能有关。
当击实功能（每层锤击数）↑，wopt↓，ρd,max↑
b′ = b + 2z tanθ + c, c = 0.2 m
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2.3.3 粉煤灰垫层设计
1、粉煤灰垫层具有自重轻、击实性能好、透水性好、 抗液化、抗剪强度高等特点，是良好的地基处理材料， 特别适合于机场、公路、厂房等大面积地基处理工程。 2、粉煤灰压实垫层具有遇水后强度降低的特点。若 无资料，λc= 0.9～0.95时，可取f允＝120～200kPa，仍 应满足软弱下卧层的强度与地基变形的要求。 3、粉煤灰垫层的厚度和平面尺寸设计参见砂垫层设计。
2.4.2 垫层压实系数检验方法
环刀法、灌砂法、灌水法等 。分层检验
2.4.3 竣工验收
采用静载荷试验，每个单体工程不宜少于3点。
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§2.6 砂垫层设计实例
详见word文档
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2.4.1 施工机具与方法
1、施工机具：碾压类、重锤夯实类、震动类机具。 2、机械碾压法施工
采用各种碾压机械来压实地基土。常用于换填面积大的工程， 表 2-5 给出了不同压实机械的每层铺设厚度和压实遍数。
3、重锤夯实法施工
用起重机将 夯锤 提升一定高度，自由落下，不断重复夯击以 加固地基。重锤夯实法适用于地下水距地表以上稍湿的粘性土、 砂土、湿陷性黄土、杂填土。
碾压
土夹石(碎石、卵石占全重的30% ～50%) 0.94~0.97 150 ～ 200 粉质粘土 灰土 粉煤灰
振密 中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、石屑 夯实 0.95
200 ～ 250
0.90~0.95 150 ～ 200
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2、砂垫层厚度 z 的确定
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现场土压实度的控制
a — 碾压 6 遍； b — 碾压 12 遍； c — 碾压 24 遍； d — 室内击实试验。
1.74 1.72
压实系数λc ＝土的控制ρd/最大干密度ρd,max
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2、垫层压实方式
机械碾压、重锤夯实、平板振动等
3、垫层设计方法
虽然垫层材料不同，应力分布稍有差异 但试结果验明：承载力和变形规律基本相同。
∴ 各种垫层设计可近似按砂垫层设计方法来处理。
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2.1.3、换填法加固原理与垫层作用
1、换填法的加固原理
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2.1.1 定义及适用范围 1、定义
当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软 土厚度不大，将基础底面以下的部分或全部软土挖出，然后 分层换填强度较大的砂、碎石、素土、粉煤灰、灰土等性能 稳定、无侵蚀性的材料，并压(夯、振)实至要求的密实度， 这种地基处理方法称为换填土法。
灰土
0.25 ≥0.50
20° 30 °
28° 23°
注： z/b < 0.25时，除灰土仍取θ＝28°外，其余均取θ ＝0°； 0.25 < z/b < 0. 5时，θ 值可内插求得。
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5、沉降计算
根据下卧土层的Es 按分层总和法计算
4、振动压实法施工
用振动压实机处理无粘性土或粘粒含量少、透水性好的杂填 土地基的一种方法。振动压实机的工作原理如 图 2-5 。
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2.4.2 不同垫层的施工方法
1、砂(石)垫层施工
砂(石)料：级配良好的中粗砂、含泥量≤3％；若用细砂， 则掺30％～50％碎石（<50mm）。 压实机械：振动碾或振动压实机，施工参数由现场试验定。 机械碾压速度：平碾 2km/h；羊足碾 2km/h；振动碾 2km/h； 振动压实机 0.5km/h。
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粘性土的压实存在最优的含水量 wopt：1
土的干密度ρd 越大，土就越密实。
ρd 常用作填土密实度控制指标。 ρd ρd,max
w wopt
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粘性土的压实存在最优的含水量 wopt：2
附加应力
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§2.2 垫层土的压实原理
压实原理：
可以用结合水膜润滑理论及电化学性质解释。
压实效果影响因素：含水量、压实功能、土类及级配
粘性土的压实存在最优的含水量 wopt 土类不同，wopt 和 ρd, max 也不同 压实功能不同，wopt 和 ρd, max 也不同 现场土压实度的控制
2、适用范围
适合浅层软弱地基及不均匀地基的处理（JGJ 79－2002）。
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2.1.2、垫层材料、压实方式和设计方法
1、垫层材料 （JGJ79－2002）
砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、矿渣、 …… ∴ 由此形成的垫层称为：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、 粉煤灰垫层、……
1、灰土、素土垫层是处理湿陷性黄土地基的传统方法 2、灰土垫层的承载力
灰土比3:7、λc=0.97、γd≥14.5～15.0 kN/m3，f允≥300kPa 灰土比2:8、λc=0.95～0.97、γd≥14.8～15.5 kN/m3， f允达300kPa
3、～垫层厚度的确定
同前wenku.baidu.com
4、～垫层宽度的确定
地基沉降＝垫层压缩量＋下卧土层压缩量
一般可忽略不计，但对特殊性工 程应计算。其中Es： 碎石、卵石 ： Es= 30 ~ 50 MPa; 砂： Es= 20 ~ 30 MPa; 粉煤灰：Es= 8 ~ 20 MPa;
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2.3.2 素(灰、二灰)土垫层设计
2、素(灰、二灰)土垫层施工（自学） 3、粉煤灰垫层施工（自学） 4、矿渣垫层施工（自学）
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§2.5 质量检验
2.5.1 垫层施工质量检验方法
一般用环刀法、贯入仪法、静力触弹、轻型动力触探 或标贯试验法检验；砂石、矿渣垫层可用重型动力触探。
垫层宽度（或长度）应利于排水和防止垫层砂石侧向挤出。 一般 b′和 l′要满足应力扩散的要求，即要求
⎧ b ′ ≥ b + 2 z tan θ ⎨ ⎩ l ′ ≥ l + 2 z tan θ
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压力扩散角θ
z/b
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、 粉质粘土 卵石、碎石、石屑、矿渣 粉煤灰 6°
§2.3 垫 层 设 计
2.3.1 砂(砂石、碎石)垫层设计 2.3.2 素土(灰土、二灰)垫层设计 2.3.3 粉煤灰垫层设计 2.3.4 矿渣垫层设计 2.3.5 其他垫层设计
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2.3.1 砂(砂石、碎石)垫层设计
1、垫层填料及压实方式的选择 2、砂垫层厚度z 的确定 3、砂垫层宽度b′(或长度l′)的确定 4、垫层承载力确定 5、沉降计算
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1、垫层填料及压实方式的选择
可先根据上部荷载对地基土承载力的要求和材料来源， 按下表初步选定填料和压实方式。
施工 换填材料 碎石、卵石 砂夹石(碎石、卵石占全重的30%～50%)
λc
fk /kPa 200 ～ 300 200 ～ 250 150 ～ 200 130 ～ 180
土层名称 淤泥 粘土夹砂 淤泥质土 粉质粘土 层厚 (m) 重度 (kN/m3) 压缩模量 (MPa) 承载力 (kPa)
2.5 2.5 10.6 未贯穿
18.5 18.6 17.5 18.7
－ 3.90 2.25 4.85
（1）当 w 较小时，粒间引力较大，若外部压实功能不是 足够大，则不能有效地克服粒间引力而使土粒相对移动， 这时压实效果就比较差； （2）当w ↑ ，结合水膜逐渐增厚，↓ 粒间引力，土粒易移 动挤密，∴ 压实效果好; （3）当 w > wopt，空隙中出现了自由水，此时粒间引力下 降不显著，但土粒移动因有自由水受阻。压实效果又下 降。
0.5≤z≤3 m
JGJ79-2002, p9
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3、砂垫层宽度b′(或长度l′)的确定
pc
(pk-pc)
θ
z⋅tanθ 软土
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faz
3、砂垫层宽度b′(或长度l′)的确定
垫层厚度 z 根据垫层底面 处的自重压力与附加压力之 和小于或等于该处下卧土层 的容许承载力要求来确定：
pc (pk-pc)
θ
z⋅tanθ
p cz + p z ≤ f az
条形基础：
faz
软土
矩形基础：
pz
b( pk − pc ) = b + 2 z ta n θ
b l ( pk − pc ) pz = ( b + 2 z ta n θ )( l + 2 z ta n θ )
按照附加应力分 布规律，上部较大 的应力部分让垫层 承担，下部较小的 应力部分由软土承 担，以满足地基承 载力的要求。
软土 垫层 承载力 附加应力 软土地基 承载力
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2.1.3、换填法加固原理与垫层作用
2、垫层法的作用
① 提高地基承载力； ② 减少沉降量； ③ 加速软土层排水固结； ④ 防止冻胀； ⑤ 消除膨胀土、湿陷性黄土等 的胀缩作用和湿陷性等。
施工机械 平碾(8~12t) 羊足碾(5~16t) 蛙式夯(200kg) 振动碾(8~15t) 插入式振动器 平板式振动器
每层铺填厚度(mm) 200～300 200～350 200～250 600～1300 200～500 150～250
每层压实遍数 6～8(矿渣10～12) 8～16 3～4 6～8
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2.3.4 矿渣垫层设计 自 学
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§2.4 垫 层 施 工
2.4.1 施工机具与方法 2.4.2 不同填料垫层施工方法
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§2.1 概 述 §2.2 垫层土的压实原理 §2.3 垫层设计 §2.4 垫层施工 §2.5 质量检验 §2.6 砂垫层设计实例
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§2.1 概 述
2.1.1 定义及适用范围 2.1.2 垫层材料、压实方式和设计方法 2.1.3 换填法的加固原理及垫层的作用
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课堂作业
1、何谓场地、地基和基础？ 2、一般建筑物地基面临的问题有哪些？ 3、常见的特殊性岩土地基有哪些？
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作 业：
某公路挡土墙条形基础，基础宽度b＝1.5m、填深 h＝1.2m，作用于基础底面的荷载为140kN/m。地下 水位埋深0.8m。土层性质指标见表。试：① 对垫层 进行设计计算；② 计算地基沉降；③ 验算软弱下卧 层承载力。
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土类不同，wopt 和ρd, max 也不同
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压实功能不同，wopt 和ρd, max 也不同
ρd,max大小与击实功能有关。
当击实功能（每层锤击数）↑，wopt↓，ρd,max↑
b′ = b + 2z tanθ + c, c = 0.2 m
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2.3.3 粉煤灰垫层设计
1、粉煤灰垫层具有自重轻、击实性能好、透水性好、 抗液化、抗剪强度高等特点，是良好的地基处理材料， 特别适合于机场、公路、厂房等大面积地基处理工程。 2、粉煤灰压实垫层具有遇水后强度降低的特点。若 无资料，λc= 0.9～0.95时，可取f允＝120～200kPa，仍 应满足软弱下卧层的强度与地基变形的要求。 3、粉煤灰垫层的厚度和平面尺寸设计参见砂垫层设计。
2.4.2 垫层压实系数检验方法
环刀法、灌砂法、灌水法等 。分层检验
2.4.3 竣工验收
采用静载荷试验，每个单体工程不宜少于3点。
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§2.6 砂垫层设计实例
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2.4.1 施工机具与方法
1、施工机具：碾压类、重锤夯实类、震动类机具。 2、机械碾压法施工
采用各种碾压机械来压实地基土。常用于换填面积大的工程， 表 2-5 给出了不同压实机械的每层铺设厚度和压实遍数。
3、重锤夯实法施工
用起重机将 夯锤 提升一定高度，自由落下，不断重复夯击以 加固地基。重锤夯实法适用于地下水距地表以上稍湿的粘性土、 砂土、湿陷性黄土、杂填土。
碾压
土夹石(碎石、卵石占全重的30% ～50%) 0.94~0.97 150 ～ 200 粉质粘土 灰土 粉煤灰
振密 中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、石屑 夯实 0.95
200 ～ 250
0.90~0.95 150 ～ 200
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2、砂垫层厚度 z 的确定
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现场土压实度的控制
a — 碾压 6 遍； b — 碾压 12 遍； c — 碾压 24 遍； d — 室内击实试验。
1.74 1.72
压实系数λc ＝土的控制ρd/最大干密度ρd,max
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2、垫层压实方式
机械碾压、重锤夯实、平板振动等
3、垫层设计方法
虽然垫层材料不同，应力分布稍有差异 但试结果验明：承载力和变形规律基本相同。
∴ 各种垫层设计可近似按砂垫层设计方法来处理。
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2.1.3、换填法加固原理与垫层作用
1、换填法的加固原理
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2.1.1 定义及适用范围 1、定义
当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软 土厚度不大，将基础底面以下的部分或全部软土挖出，然后 分层换填强度较大的砂、碎石、素土、粉煤灰、灰土等性能 稳定、无侵蚀性的材料，并压(夯、振)实至要求的密实度， 这种地基处理方法称为换填土法。
灰土
0.25 ≥0.50
20° 30 °
28° 23°
注： z/b < 0.25时，除灰土仍取θ＝28°外，其余均取θ ＝0°； 0.25 < z/b < 0. 5时，θ 值可内插求得。
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5、沉降计算
根据下卧土层的Es 按分层总和法计算
4、振动压实法施工
用振动压实机处理无粘性土或粘粒含量少、透水性好的杂填 土地基的一种方法。振动压实机的工作原理如 图 2-5 。
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2.4.2 不同垫层的施工方法
1、砂(石)垫层施工
砂(石)料：级配良好的中粗砂、含泥量≤3％；若用细砂， 则掺30％～50％碎石（<50mm）。 压实机械：振动碾或振动压实机，施工参数由现场试验定。 机械碾压速度：平碾 2km/h；羊足碾 2km/h；振动碾 2km/h； 振动压实机 0.5km/h。
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粘性土的压实存在最优的含水量 wopt：1
土的干密度ρd 越大，土就越密实。
ρd 常用作填土密实度控制指标。 ρd ρd,max
w wopt
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粘性土的压实存在最优的含水量 wopt：2
附加应力
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§2.2 垫层土的压实原理
压实原理：
可以用结合水膜润滑理论及电化学性质解释。
压实效果影响因素：含水量、压实功能、土类及级配
粘性土的压实存在最优的含水量 wopt 土类不同，wopt 和 ρd, max 也不同 压实功能不同，wopt 和 ρd, max 也不同 现场土压实度的控制
2、适用范围
适合浅层软弱地基及不均匀地基的处理（JGJ 79－2002）。
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2.1.2、垫层材料、压实方式和设计方法
1、垫层材料 （JGJ79－2002）
砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、矿渣、 …… ∴ 由此形成的垫层称为：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、 粉煤灰垫层、……
1、灰土、素土垫层是处理湿陷性黄土地基的传统方法 2、灰土垫层的承载力
灰土比3:7、λc=0.97、γd≥14.5～15.0 kN/m3，f允≥300kPa 灰土比2:8、λc=0.95～0.97、γd≥14.8～15.5 kN/m3， f允达300kPa
3、～垫层厚度的确定
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4、～垫层宽度的确定
地基沉降＝垫层压缩量＋下卧土层压缩量
一般可忽略不计，但对特殊性工 程应计算。其中Es： 碎石、卵石 ： Es= 30 ~ 50 MPa; 砂： Es= 20 ~ 30 MPa; 粉煤灰：Es= 8 ~ 20 MPa;
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2.3.2 素(灰、二灰)土垫层设计
2、素(灰、二灰)土垫层施工（自学） 3、粉煤灰垫层施工（自学） 4、矿渣垫层施工（自学）
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§2.5 质量检验
2.5.1 垫层施工质量检验方法
一般用环刀法、贯入仪法、静力触弹、轻型动力触探 或标贯试验法检验；砂石、矿渣垫层可用重型动力触探。
垫层宽度（或长度）应利于排水和防止垫层砂石侧向挤出。 一般 b′和 l′要满足应力扩散的要求，即要求
⎧ b ′ ≥ b + 2 z tan θ ⎨ ⎩ l ′ ≥ l + 2 z tan θ
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压力扩散角θ
z/b
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、 粉质粘土 卵石、碎石、石屑、矿渣 粉煤灰 6°
§2.3 垫 层 设 计
2.3.1 砂(砂石、碎石)垫层设计 2.3.2 素土(灰土、二灰)垫层设计 2.3.3 粉煤灰垫层设计 2.3.4 矿渣垫层设计 2.3.5 其他垫层设计
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2.3.1 砂(砂石、碎石)垫层设计
1、垫层填料及压实方式的选择 2、砂垫层厚度z 的确定 3、砂垫层宽度b′(或长度l′)的确定 4、垫层承载力确定 5、沉降计算
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1、垫层填料及压实方式的选择
可先根据上部荷载对地基土承载力的要求和材料来源， 按下表初步选定填料和压实方式。
施工 换填材料 碎石、卵石 砂夹石(碎石、卵石占全重的30%～50%)
λc
fk /kPa 200 ～ 300 200 ～ 250 150 ～ 200 130 ～ 180
土层名称 淤泥 粘土夹砂 淤泥质土 粉质粘土 层厚 (m) 重度 (kN/m3) 压缩模量 (MPa) 承载力 (kPa)
2.5 2.5 10.6 未贯穿
18.5 18.6 17.5 18.7
－ 3.90 2.25 4.85
（1）当 w 较小时，粒间引力较大，若外部压实功能不是 足够大，则不能有效地克服粒间引力而使土粒相对移动， 这时压实效果就比较差； （2）当w ↑ ，结合水膜逐渐增厚，↓ 粒间引力，土粒易移 动挤密，∴ 压实效果好; （3）当 w > wopt，空隙中出现了自由水，此时粒间引力下 降不显著，但土粒移动因有自由水受阻。压实效果又下 降。
0.5≤z≤3 m
JGJ79-2002, p9
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3、砂垫层宽度b′(或长度l′)的确定
pc
(pk-pc)
θ
z⋅tanθ 软土
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faz
3、砂垫层宽度b′(或长度l′)的确定
垫层厚度 z 根据垫层底面 处的自重压力与附加压力之 和小于或等于该处下卧土层 的容许承载力要求来确定：
pc (pk-pc)
θ
z⋅tanθ
p cz + p z ≤ f az
条形基础：
faz
软土
矩形基础：
pz
b( pk − pc ) = b + 2 z ta n θ
b l ( pk − pc ) pz = ( b + 2 z ta n θ )( l + 2 z ta n θ )
按照附加应力分 布规律，上部较大 的应力部分让垫层 承担，下部较小的 应力部分由软土承 担，以满足地基承 载力的要求。
软土 垫层 承载力 附加应力 软土地基 承载力
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2.1.3、换填法加固原理与垫层作用
2、垫层法的作用
① 提高地基承载力； ② 减少沉降量； ③ 加速软土层排水固结； ④ 防止冻胀； ⑤ 消除膨胀土、湿陷性黄土等 的胀缩作用和湿陷性等。
施工机械 平碾(8~12t) 羊足碾(5~16t) 蛙式夯(200kg) 振动碾(8~15t) 插入式振动器 平板式振动器
每层铺填厚度(mm) 200～300 200～350 200～250 600～1300 200～500 150～250
每层压实遍数 6～8(矿渣10～12) 8～16 3～4 6～8
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2.3.4 矿渣垫层设计 自 学
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§2.4 垫 层 施 工
2.4.1 施工机具与方法 2.4.2 不同填料垫层施工方法
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