换土垫层法第 二 章第一节 垫层的作用及适用范围n换填法：将基础底面下一定范围内的软 弱土层挖去，然后分层填入强度较大的 砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳 定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实 ）至要求的密实度。n该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量 较大的回填土方工程，一般适用于处理 浅层软弱土层与低洼区域的填筑。一般 处理深度为23m。换土垫层法n处理的对象：淤泥、淤泥质土、湿陷性 土、膨胀土、冻胀土、杂填土地基。n换填材料：n砂垫层、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n根据实验结果及实测资料可将各种材料的 垫层设计都近似地按砂垫层的设计方法进 行计算。换土垫层法n施工方法：n机械碾压法n重锤夯实法n振动压实法等换土垫层法n效果：浅层处理n适用：淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理换土垫层法 垫层种类适 用 范 围砂（沙砾、 碎石）垫层 多用于中小型建筑工程的滨、塘、沟等的局部处理。适 用一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。不 宜适用湿陷性黄土地基，也不适宜大面积堆载。砂垫层 不宜用于有地下水且流速快、流量大的地基处理。不宜 采用粉细作垫层 。 素土垫层 适用中、小型工程及大面积回填，湿陷性黄土地基处理 。 灰土或二 灰土垫层 适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地基的处理，也可用于膨胀土地基的处理。 粉煤灰垫层 用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程的大面积填筑，粉煤灰垫层 在地下水位以下时，强度降低30%左右。 干渣垫层 地坪、堆物等工程大面积的地基处理和场地平整，铁路 、道路地基等，但受酸性和碱性废水影响的地基不得用 干渣作垫层 。 换土垫层法n作用：n提高持力层的强度，将基底压力扩散到垫层以下的软 弱地基，使软弱地基土中所受应力减小到该软弱地基 土的容许承载力范围内，满足强度要求；n垫层置换软弱土层，可减少地基的变形量；n加速软土层的排水固结。垫层材料透水性大，软弱土 层受压后，垫层作为良好的排水面，使基础下的孔隙 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；n防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生 毛细现象，可防止寒冷地区土中结冰造成的冻胀；n对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，可以消除或部分消 除地基土的湿陷性、胀缩性。第二节 换土垫层法设计n 要求：n1）足够的厚度 ：置换可能受到剪切破坏的软弱 土层 ，满足地基强度和变形的要求 n2）足够的宽度 ：防止垫层向两侧挤出增加沉降 n3）形成一个排水层面，以利于软土的排水固结换土垫层法设计垫层设计的主要内容 ：n1）确定垫层的合理厚度和宽度 n2）确定垫层承载力（现场试验）；验算下卧层的承载力。n3）沉降计算 重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层 的建筑，应进行地基变形计算 换土垫层法设计n一、垫层厚度的确定 n作用于垫层底面处土的自重应力与附加应力之和 应不大于下卧层的允许承载力，即nPz+Pczfz （2-1）n式中Pz垫层底面处附加应力设计值（kpa）；nPcz垫层底面处土的自重压力标准值（kpa）；nfz垫层底面处经深度修正后软弱土层的地基承 载力设计值（kpa）。垫层厚度的确定n方法一：估算n根据垫层的地基承载力标准值确定出基础 宽度，再根据下卧层的承载力确定出垫层 的厚度。n先根据初步拟定的砂垫层厚度hz，再用公 式（2-1）复核。通常砂垫层厚度为0.5 3.0m之间。太厚则施工困难；太薄则换土 垫层的作用不显著。 n方法 二：应力扩散角 n垫层底面处的附加压力值 pzn条形基础： (2-3)n矩形基础： (2-2)n式中 b矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；nl矩形基础底面的长度（m）；np基础底面压力的设计值（kPa）；npc基础底面处土的自重压力值（kPa）；n z基础底面下垫层的厚度（m）；n垫层的压力扩散角（），可按表2-2采用。 应力扩散角（度）二、垫层宽度的确定n方法一：应力扩散角法nb=b+2Ztgn垫层顶宽超出基础300二、垫层宽度的确定n方法二：按侧面土的承载力标准 值确定三、垫层承载力的确定n现场试验确定n静载试验、取土分析、标准贯入、 动力触探等综合确定。三、垫层承载力的确定n不太重要、小型、轻型、沉降要求不高四、沉降量计算n比较重要的建筑物或垫层下存在软弱 下卧层的建筑：验算基础的沉降量， 使建筑物基础的最终沉降量小于建筑 物的容许沉降量。 n建筑物基础沉降量等于垫层自身的变形量和软弱 下卧层的变形量 ，即S=SC+SP SC垫层自身变量（）； SP压缩层厚度范围内（自下卧层顶面，即垫层 底面算起） S-各土层压缩变形之和（）。 四、沉降量计算n 垫层自身变形量可按下式计算：SC=（p+ p ） hs /2Es （2-9）式中 p基底压力（kpa） Es垫层压缩模量，由静载荷试验确定，当无试验资料 时，取1525MPa。基底压力扩散系数。 n条基： =b/(b+2hstan）n矩形基础：n=Lb/(b+2hstan）(L+2hstan）四、沉降量计算 n下卧土层的变形量 n按分压层总和法确定：nSP=Pzb (2-12)n式中 沉降计算经验系数，按地区沉降观测资 料及经验确定，也可按表2-5；nPz 垫层底面的附加应力（kPa）；nb垫层底宽度（m）；nEsi，12 下卧土层第i层在100-200KPa下的压缩模量 （kPa）；ni, i-1垫层底面计算点分别到第i层和i-1层土底 面的沉降系数；nn下卧层计层计 算深度内划分的土层层数。 四、沉降量计算n沉降量计计算经验经验 系数 Es(MPa) 附加应力2.54.07.015.020.0Pzfk 1.41.31.00.40.2pz0.75fk 1.11.00.70.40.2注：Es为沉降计算深度范围内压缩模量当量值；Es= ，其中Ai为第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值。素土和灰土垫层设计素土、灰土、二灰土垫层总称土垫层 。适于处理14m厚的软弱土层。灰土垫层即通常讲的2：8或3：7灰土 。垫层强度随灰量的增加而提高。二灰垫层是将石灰和粉煤灰两种材料 按2：8或3：7体积比加适当水拌和均 匀后分层夯实。其强度比灰土垫层高 得多，常用于处理湿陷性黄土。素土和灰土垫层设计 （一）厚度确定 软土地基土垫层厚度的确定与砂垫层相同。1. 对非自重湿陷性黄土地基的垫层厚度应保证天然黄土层所受的压力小于其湿陷 起始压力值。2. 对自重湿陷性黄土地基，垫层厚度应大于非自重湿陷性黄土地基上垫层的厚度 ，或控制剩余湿陷量不大于20cm才能取得 好的效果。（二）宽度确定：n灰土垫层宽度可取:n素土垫层的宽度： （1）当垫层厚度小于2m 时，宽度可取b=b+2/3*z且bb+0.6(m) 当垫层厚度大于2m 时，可适当放宽，且bb+1.4(m) （2）每边按0.2-0.3b 加宽，不得小于30cm 和不得大于70cm。 （3）按b=b+2*z*tg计算，素土取=22o ，灰土取=30 o。（三）平面处理范围n素土或灰土垫层分为局部垫层和整片垫层 。n整片素土垫层宽度可取bb+3(m) ，当 z2m 时， b还可适当放宽。n局部垫层:其宽度b可按下式计算：nc考虑施工影响增加的宽度，宜200mm。n整片垫层的平面处理范围，每边超出建筑 物外墙基础外缘的宽度不应小于垫层厚度 ，并不应小于2m。粉煤灰垫层设计 1.化学性质粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，具有火山灰的特性，在潮湿条件下具有凝 硬性，与SiO2、Al2O3等物质水化反应，生成水化 产物，使碾压密实的粉煤灰颗粒胶结固化形成块 状结构，可提高粉煤灰的强度，降低压缩变形， 增强抗渗性和水稳定性。 2.物理性质粉煤灰的压实曲线与粘性土相似，具有相对较宽的最优含水量区间，其干密度对含水量的 敏感性比粘性土小，最优含水量易于控制。粉煤灰垫层设计粉煤灰压实垫层遇水后强度降低20- 30%，压缩变形量增大约10%。 粉煤灰的内摩擦角、粘聚力、压缩模量、渗透系数等随粉煤灰的材质和压 实密度而变化，应通过室内土工实验 确定 粉煤灰垫层的设计可参照砂垫层设计 方法和有关的技术要求进行粉煤灰垫层设计 在确定垫层厚度时，可取其压力扩散角为 22o，计算方法同砂垫层。 承载力应通过现场试验确定。 当无试验资料时，可参考以下数据： (1)人工压实（夯实）:压实系数:0.9 ;干 密度:9KN/m3时，承载力达120-150KPa。 (2)当压实系数:0.95 及干密度:9.5KN/m3时 ，承载力可达200-300KPa。但应进行下卧 层强度验算。第三节 垫层施工土由固体颗粒、水、空气组成。土中固 、液、气三相组成的比例反映干湿、密实 程度，对评价土的工程性质有重要意义， 是垫层压实参数选择的依据。 一、土的压实机理要使土的压实效果最好，其含水量一定 要适当。过湿的土进行碾压会出现“橡皮 土”，不能增大土的密实度。对很干的土 进行碾压，也不能把土充分压实。1.最优含水量：在干密度含水量曲线上 干密度的峰值即为最大干密度，与之对应 的含水量即为最优含水量。第三节 垫层施工2.干密度含水量曲线的物理意义当粘性土的含水量较小时，水化膜很薄，以结 合水为主，颗粒间引力大，在一定的外部压实功作用下 ，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差 ，土的干密度较小；当土的含水量增加时，结合水膜逐渐增厚，颗 粒间引力减弱，土粒在相同的压实功能下易于移动而挤 密，压实效果提高，土的干密度也随之提高；当土中含水量增大到一定程度后，孔隙中开始 出现自由水，结合水膜的扩大作用并不明显，颗粒间引 力很弱，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动 ，并随着含水量的继续增大，移动阻力逐渐增大，压实 效果反而下降，土的干密度随之减少。第三节 垫层施工第三节 垫层施工n二、土的压实参数1.压实系数cd现场土的实际控制干密度； dmax土的最大干密度。第三节 垫层施工n无资料时：pw水的密度（kN/m3） 经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取 0.96，粉土取0.97； ds土颗粒的相对密度（土的比重）；op土的最优含水量（%），可按当 地经验或取p +2（ p为塑限），粉土取 1418%。第三节 垫层施工 2.含水量施工含水量应尽量接近最优含水量 。 3.铺填厚度及压实遍数应通过现场试验确定。采用不同 的施工机械，要选择与之相应的参 数。第三节 垫层施工n三、填筑要求n要求：分层填筑、分层压实 n 同层：分段填筑，上下层相错1000n 边坡应宽填：需修整：宽填0.2m，不需修整：宽填0.5m。n注意： a. 分层应接近水平n b. 各种土不得混杂使用n c. 透水性小的土应铺在透水性大的 土之上 第三节 垫层施工n四、压实方法：n机械碾压法n重锤夯实法n振动压实法第三节 垫层施工 n机械碾压法n采用各种压实机械，如压路机、羊足碾、 推土机或其他压实机械来压实地基土的一 种压实方法，常用于大面积填土的压实、 杂填土地基处理、道路工程及基坑面积较 大的换土垫层的分层压实。 n施工时先按设计挖掉要处理的软弱土层， 把基础底部土碾压密实后，再分层填土， 逐层压密。压实效果取决于被压实土料的 含水量和压实机械的能量。第三节 垫层施工 n机械式振动压路机第三节 垫层施工n羊足碾