1、,第二章 换填垫层法,地基处理,2.1概述 2.2换填垫层设计 2.3垫层碾压施工 2.4质量检验,主要内容,2.1 概述,换填垫层法,换填垫层法是将基础底面下一定深度范围内不满足地基性能要求的土层（或局部岩石），全部或部分挖出，换填上符合地基性能要求的材料，然后分层夯实作为基础的持力层。 换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。换填垫层法按其换填材料的功能不同，又分为垫层法和褥垫法。,垫层法通常指当软弱土地基的承载力和变形满足不了建（构造、）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、矿渣、粉
2、煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求的密实度。它包括低洼地域筑高（平整场地）或堆填筑高（道路路基）。,垫层法,砂石垫层施工,三合土垫层施工,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 消除地基的湿陷性和胀缩性,垫层作用,适用范围,建筑地基处理技术规范(JGJ79-2012)中规定：垫层法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。,褥垫法是将基础底面下一定深度范围内局部压缩性较低的岩石凿去，换填上压缩性较大的材料，然后分层夯实的垫层作为基础的部分持力层，使基础整个持力层的变形相互协调。褥垫法是我国近
3、年来在处理山区不均匀的岩土地基中常采用的简便易行又较为可靠的方法。,褥垫法,褥垫法,2.2 换填垫层设计,砂（砂石、碎石、粉煤灰、矿渣）垫层设计,一般要求：既要有足够的厚度以置换可能受到剪切破坏的软弱土层，又要满足建筑物地基强度和变形的要求，另外，还要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出增加沉降，同时还应尽量做到经济合理。 主要内容：确定垫层的合理厚度和宽度。应根据建（构）筑物体形、结构特点、荷载性质、岩土工程条件、施工机械设备及填料性质和来源等综合考虑。,(1) 垫层厚度的确定,条形基础：,矩形基础：,换填垫层的厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。,(2) 垫层宽度的确定 垫层底面的宽度应满足
4、基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出的要求。可按下式进行计算或根据当地经验确定。,垫层顶面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。,(3) 垫层承载力的确定 由于理论计算方法尚不够完善，垫层的承载力宜通过现场试验确定，当无试验资料时，可按表2-2采用，并应进行下卧层承载力的验算。,(4) 沉降计算 垫层地基的变形等于垫层自身的变形量 s1 与下卧土层的变形量s2之和，可按下式进行计算：,垫层下卧层的变形量s2 可按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB500072012）的有关规定计算。下卧层顶面承受换填材料本身的压力
5、超过原天然土层压力较多的工程，地基下卧层将产生较大的变形。如工程条件许可，宜尽早换填，以使由此引起的大部分地基变形在上部结构施工之前完成。,【例2-1】某四层混合结构，承重墙为240mm厚的砖墙，传至基础顶部的竖向力Fk=180kN/m，地基的表层为1.2m厚的杂填土，= 17.5kN/m3；其下为7.8m厚的淤泥，含水量w=50%，承载力特征值fak=75kPa。地下水位深度为1.0m，基础埋深d=0.8m，试设计该墙基的砂垫层。,解：1. 计算基础宽度b和基底附加压力,2. 确定垫层底面淤泥的承载力特征值fz,3. 计算垫层底面处的自重应力,和附加压力,4. 验算垫层厚度z,5. 确定垫层
6、宽度b,素土和灰土垫层设计,素土垫层（简称土垫层）和灰土垫层（石灰与土的体积配合比一般为2:8或3:7）在湿陷性黄土地区使用较广泛，处理厚度一般为13m。通过处理基底下的部分湿陷性土层，可达到减小地基的总湿陷量，并控制未处理土层湿陷量的处理效果。 素土垫层或灰土垫层可分局部垫层和整片垫层。当仅要求消除基底下处理土层的湿陷性时，宜采用素土垫层；除上述要求外，还要求提高土的承载力或水稳性时，宜采用灰土垫层。,局部垫层一般设置在矩形(或方形)基础或条形基础底面下，主要用于消除地基的部分湿陷量，并可提高地基的承载力。根据工程实践经验，局部垫层的平面处理范围，每边超出基础底边的宽度不应小于其厚度的一半，
7、即使地基处理后，地面水仍可从垫层侧向渗入下部未经处理的湿陷性土层而引起湿陷，故对有防水要求的建筑物不得采用。 整片垫层一般设置在整个建(构)筑物(跨度大的工业厂房除外)的平面范围内，每边超出建筑物墙基础外缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不得小于2m。整片垫层的作用是消除被处理土层的湿陷量，以及防止生产和生活用水从垫层上部或侧向渗入下部未经处理湿陷性土层。 (1) 垫层厚度的确定 计算方法同砂垫层。, 垫层宽度的确定 a. 局部垫层的平面处理范围，每边超出基础底边的宽度，可按下式计算确定，并不应小于垫层厚度的一半： b. 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，不应小于垫层的厚度
8、，并不应小于2m。 垫层承载力的确定 垫层的承载力特征值，宜通过现场载荷试验确定。当无试验资料时，土垫层承载力特征值不宜超过180kPa；灰土垫层承载力特征值不宜超过250kPa。 沉降计算 计算方法同砂垫层。,3 褥垫层设计,褥垫的作用是调整地基的压缩性，用褥垫改造压缩性低的地基，使之与压缩性较高的地基相适应，从而调整岩土交界部位地基的相对变形.,由于褥垫材料要求比换填的地基压缩性大，因而不存在褥垫向四周挤出的问题，所以褥垫的宽度通常取稍大于基底的宽度，不需进行另行计算确定。显然，褥垫的设计主要是根据地基变形的要求确定其厚度z 。 褥垫的厚度是按照地基所需调整的沉降量的大小确定的，通常褥垫的
9、厚度z可按下述方式进行计算。,（1）确定要求褥垫的沉降量s2 褥垫的沉降量 ： （2）褥垫的厚度z 褥垫的厚度z： 也可查根据褥垫材料的侧限压缩试验得出的ps曲线，按下式进行计算：,垫层材料选用,(1) 砂石 砂石垫层材料宜选用质地坚硬的碎石、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的部分不应超过总重的9%）时，应掺入不少于总重的30%的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。,(2) 粉质粘土 土料中有机质含量不得超过5
10、%，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,(3) 灰土 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粘土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒粒径不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒粒径不得大于5mm。,(4) 粉煤灰 可用于道路、堆场、和小型建筑、构筑物的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.30.5m。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采用适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。,(5) 矿渣 垫层使用
11、的矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣或不分级矿渣、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。 (6) 其他工业废渣 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。,(7) 土工合成材料 由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋层。所用土工合成材料的品种与性能及填土的土类应根据工程特性和地基土条件，按照现行国家标准土工合成材料应用技术规范（GB50290-98）的要求，通过设计并进行现场试验后确定。 (8) 聚苯乙烯板（EPS）,土工格栅
12、 土工格室 三维土工网垫,2.3 垫层碾压施工,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，如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，因而引力的减少不显著，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”,压实机理,在工程实践中，对垫层的碾压质量进行检验，要求获得填土的最大干密度dmax，它可通过室内
13、击实试验确定：,室内基实试验,相同的压实功能对于不同土料的压实效果并不完全相同，粘粒含量较多的土，土粒间的引力就越大，只有在比较大的含水量时，才能达到最大干密度的压实状态，如图2-3中的粉质粘土和粘土。,如果改变压实功能，曲线的基本形状不变，但其最大干密度位置却发生移动，随着压实功能的增大，曲线向上方移动，亦即在加大压实功时，最大干密度增大，而最优含水量却减少。 因为压实功能愈大，则更容易克服粒间引力，所以在较低含水量下可达到更大的密实度。,室内击实试验是土样在有侧限的击实筒内进行试验，因此不可能发生侧向位移，试验时力作用在有侧限体积的整个土体上，且夯实均匀。现场施工的土料，土块大小不一，含水
14、量和铺填厚度又很难控制，实际压实土的均质性差。因此，对现场土的压实，应以压实系数c（土的控制干密度d与最大干密度dmax之比）与施工含水量（最优含水量）来进行控制。图2-5为羊足碾（接触压力170kPa）不同碾压遍数的工地试验结果与室内击实试验结果的比较，说明用室内试验来模拟工地压实是可靠的，但施工参数如施工机械、虚铺土厚度、碾压遍数及填筑含水量都必须由工地试验确定。,压实方法,（1）机械碾压法,平碾,羊足碾,羊足碾,蛙式夯,振动碾,为了将室内击实试验的结果用于设计和施工，必须研究室内击实试验和现场碾压的关系。所有施工参数如施工机械、铺筑厚度、碾压遍数及填筑含水量等都必须由工地试验确定。由于现
15、场条件终究与室内试验的条件不同，因而对现场应以压实系数c与施工含水量进行控制。 施工时先按设计挖掉要出处理的软弱土层，把基础底部土碾压密实后再分层填筑，并逐渐压密。压实效果取决于被压实填料的含水量和压实机械的能量。为保证有效压实质量，碾压速度要有所控制，平碾控制在2.0km/h，羊足碾控制在3.0km/h，振动碾控制在2.0km/h。,平板振动法是使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好的松散杂填土地基的一种方法。,（2） 平板振动法,重锤夯实法用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。重锤夯实法一般适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿
16、陷性黄土、杂填土和分层填土。,（3） 重捶夯实法,三种方法的作用和原理及适用范围,铺填厚度：垫层的施工方法、分层铺填厚度，每层压实遍数等宜通过试验确定。垫层的分层铺填厚度一般取200300mm。,换填垫层法施工,三合土垫层施工,基坑排水：除采用水撼法施工砂垫层外，换填垫层不得在浸水条件下施工，必要时应采用降低地下水位措施。 含水量：粉质粘土和灰土垫层土料宜控制在最优含水量(击实试验确定或按当地经验取用)20%的范围内。,施工顺序：垫层底面如深度不同，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。,1 换填垫层法,共70页 第9页,分段施工：粉质粘土及灰土垫层
17、不得在柱基、墙角及承重窗间墙下接缝。上下两层的缝距不得500mm。灰土应拌合均匀并当日铺填夯压，3d内不得受水浸泡。,1.3 换填垫层法施工,加筋材料铺设：铺设时将土工合成材料张拉平直、绷紧，严禁有折皱；切忌曝晒或裸露；连结宜用搭接法、缝接法和胶结法。,砂石垫层的三边冲击碾分层压实,粘土垫层的振动碾分层压实,砂石垫层上的土工格栅铺设,共70页 第10页,（1）垫层施工应根据不同的换填材料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊角碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯；砂石等宜用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯；矿渣宜采用平板振动器、平碾，也可采用振动碾。 （2）垫层的施工方法、分层铺填
18、厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。除接触下卧软土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定外，一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200300mm。为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度。 （3） 粉质粘土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在最优含水量的范围内，粉煤灰垫层的施工含水量宜控制在最优含水量的范围内，最优含水量可通过击实试验确定，也可按当地经验取用。,施工要点,（4）当垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均部位时，应根据建（构）筑物对不均匀沉降的要求予以处理，并经检验合格后，方可铺筑垫层。 （5）基坑开挖时，应避免坑底土层受扰动，可保留约200mm厚的土层暂不挖去
19、，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置150300mm厚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、除采用水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时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状或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。 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。上下两层的缝距不得小于500mm。接缝处应夯压密实。灰土应拌合均匀并
20、应当日铺填夯压。灰土夯压密实后3d内不得受水浸泡。粉煤灰垫层铺填后宜当天压实，每层验收后及时铺填上层或封层。防止干燥后松散起尘污染，同时应禁止车辆碾压通行。垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。,（8）铺设土工合同材料时，下铺地基土层应平整，防止土工合同材料被穿刺、顶破。铺设时应把土工合同材料张拉平直、绷紧，严禁有折皱；端头应固定或回折锚固；切忌曝晒或裸露；连结宜用搭接法、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材料的抗拉强度。,（9）按褥垫所需的厚度开挖褥垫槽时，其底面宜凿成斜面，以协调地基的变形。为便于褥垫调整基础的沉降，基槽要稍大于基础宽度，并在基础周围与岩石之
21、间涂上沥青。 回填可压缩性的褥垫材料时，应分层夯实。利用矿渣(颗粒级配相当于角砾时)作褥垫调整沉降幅度较大，而且不受水的影响，性质比较稳定，所以效果最好；对于松散材料（如炉渣、粗砂、中砂等）不仅要防止水泥、石灰等胶结材料混入，而且要防止浇混凝土基础的水泥浆渗入，以避免褥垫固结而失去作用。利用粘性土作褥垫，调整沉降虽然灵活性较大，但应采取防止水分渗入的措施，以免影响褥垫的质量。 褥垫的施工质量可用夯填度Dh控制。夯填度是指褥垫夯实后的厚度与虚铺厚度的比值，应根据试验或当地经验确定。,2.4 质量检验,1. 对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量的检验可用环刀法、贯入法、轻型动力触探或标准贯
22、入试验检验；对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验。并均应通过现场试验以设计压实系数所对应的贯入度为标准检验垫层的施工质量。压实系数也可采用环刀法、灌砂法、灌水法或其他方法检验。 (1) 环刀法 (2) 贯入测定法,静力触探 轻型动力触探 园锥重型动力触探,2. 垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。 3. 竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点；对于大型工程应按单体工程的数量或工程的面积确定检验点数。,取样数量,环刀法：大基坑每50100m2不少于1个点,基槽每1020m不少于1个点，每个独立柱基不少于1个点。取样点位于每层厚度的2/3深度处。 贯入仪、动力触探：每分层检验点的间距应小于4m。,环刀法测定换填地基土的湿密度 瑞雷面波法检测换填地基承载力,瑞雷波(面波)检测是测试 地基、复合地基标贯值和 承载力的无损检测新技术,
