1、2019/4/15,1,第2章 换填垫层法 2.1 概述 2.2 换填垫层法设计 2.3 换填垫层法施工 2.4 质量检验,2019/4/15,2,2.1 概述 换填垫层法（cushion）是指挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法。 2. 适用范围换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理，包括淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、松散素填土、杂填土地基处理以及暗塘、暗浜、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理：用于膨胀土地基可消除膨胀土的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷,2019/4/15,3,性，
2、用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不均以及岩溶与土洞等，用于冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。若在建筑范围内上层软弱土较薄，可采用全部置换处理，对于较深厚的软弱土层，当仅用垫层局部置换上层软弱土时要慎重（持力层承载力提高了，但沉降可能依然很大）。对于体型复杂、整体刚度差、或对差异沉降敏感的建筑，均不得采用浅层局部置换的处理方法。若换填基坑开挖过深，会使处理工程费用增高、工期拖长、对环境的影响增大。因此，换填法的处理深度通常控制在 以内较为经济合理。,2019/4/15,4,当采用换填法进行地基处理时，应根据建筑体型、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
3、来源等进行综合分析，进行换填垫层的设计和选择施工方法。对于轻型建筑、地坪、道路或堆场，采用换填垫层处理上层部分软弱土时，由于传递到下卧层顶面的附加应力很小，可取得较好的效果。对于承受振动荷载的地基不应选择砂垫层进行换填处理; 略超过放射性标准的矿渣可以用于道路或堆场地基的换填，但不得用于建筑换填垫层处理。,2019/4/15,5,2.3 设计1.垫层的厚度应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：,(2-1),式中 -相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（ ）；-垫层底面处的自重压力值（ ）； -垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（ ）； 垫层底面处的附
4、加压力值 可分别按式(2-2)和式(2-3)计算：,2019/4/15,6,(2-2),式中 -相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（ ）；-基础底面处土的自重压力值（ ）； -矩形基础或条形基础底面的宽度（ ）；-矩形基础底面的长度（ ）；,条形基础,矩形基础,(2-3),2019/4/15,7,-基础底面下垫层的厚度（ ）； -垫层的压力扩散角（ ），宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表2-3采用。,表2-3 压力扩散角,注：1 当 时，除灰土取 外，其余材料均取0; 2 当 时， 值可内插求得。,2019/4/15,8,2.垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下
5、式确定：,(2.2-4),式中 -垫层底面宽度（ ）；-压力扩散角，可按表2-3采用；当 时，仍按表中 取值。,换垫垫层的厚度不宜小于 ，也不宜大于 。,整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。 垫层顶面的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 。,2019/4/15,9,3.垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定，并应进行下卧层承载力的验算。当无试验资料时，可按表2-4选用。,表2-4 垫层的承载力 （ ）,2019/4/15,10,垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。当垫层的厚度、垫层底面的宽度及垫层压实质量满足规
6、范要求时，垫层地基的变形可仅考虑其下卧层的变形。对沉降要求严的或垫层厚的建筑，应计算垫层自身的变形。,4.对于垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地基变形计算时应考虑邻近基础对软弱下卧层顶面应力叠加的影响。当超出原地面标高的垫层或换填材料的重度高于天然土层重度时，宜早换填，并应考虑其附加的荷载对建（构）筑物及邻近建（构）筑物的影响（其值可按应力叠加原理，采用角点法计算）。,注：压实系数小的垫层，承载力特征值取低值，反之取高值;原状矿渣垫层取低值，分级矿渣或混合矿渣垫层取高值。,2019/4/15,11,粗粒换填材料的垫层在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小。因而对于碎石、卵石、砂夹
7、石、砂和矿渣垫层，在地基变形计算中，可以忽略垫层自身部分的变形值；但对于细粒材料的尤其是厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。,垫层下卧层的变形量可按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB500072002）的有关规定计算。有关垫层的模量应根据试验或当地经验确定。在无试验资料或经验时，可参照表2-5选用。,下卧层顶面承受换填材料本身的压力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。,2019/4/15,12,表2-5 垫层模量（ ）,注：压实矿渣的 比值可按1.53取用。,2019/4/15,1
8、3,5.垫层可选用下列材料：,(1) 砂石。宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于 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 的部分不应超过总重的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 。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水性材料。,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。,2019/4/15,14,(2) 粉质粘土。土料中有机质含量
9、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 。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。,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。在不得已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 ，但也不宜大于 ，否则将影响垫层的夯压效果。,2019/4/15,15,(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粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其粒径不得大于 。石灰宜用新鲜的消石灰，其粒径不得大于 。
10、,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级以上标准，贮存期不超过3个月，所含活 性 和 越高则胶结力越强。通常灰土的最佳含灰率为 约达总量的8%。石灰应消解 并筛除生石灰块后使用。,2019/4/15,16,(4) 粉煤灰。可用于道路、堆场和小型建筑、构筑物等的换填层。,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径分析，属粉土的范畴。但由于含有 、 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和刚度，有效地改善了垫层地基的承载力
11、并减小变形。,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。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，即可抵抗7度地震液化。,2019/4/15,17,用于发电的燃煤常伴生有微量放射性同位素，因而粉煤灰有时有弱放射性。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合工业废渣建筑材料放射性物质控制标准GB9196-88及放射卫生防护基本标准GB4792-84的有关规定。粉煤灰含有碱性物质，回填后碱性成分在地下水中溶出，使地下水呈弱碱性，因此应考虑其对地下水的影响并应对粉煤灰垫层中的金属构件、管网采取适当防腐措施。,粉煤灰垫层上宜履盖厚 的粘性土，以防干灰
12、飞扬，同时减少碱性对植物生长的不利影响，有利于环境绿化。,2019/4/15,18,(5) 矿渣。矿渣垫层主要用于道路、堆场和地坪，也可用于小型建筑、构筑物地基。,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。选用矿渣的松散重度不小于 ，有机质及含泥量不超过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程后方可使用。矿渣的稳定性是其是否适用于做换填层材料的最主要性能指标。,作为建筑物垫层的矿渣应符合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。,2019/4/15,19,(6)
13、 其它工业废渣。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（Geosynthetics）。由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。所用土工合成材料的品种与性能及填料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GB 50290 的要求，通过设计并进行现场试验后确定。,2019/4/15,20,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、
14、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了地基的承载力。由于土工合成材料的上述特点，将其用于软弱粘性土、泥炭、沼泽地区修建道路、堆场等取得了良好的成效，同时在部分建筑、构筑物的加筋垫层中应用，也取得了肯定的成果。,2019/4/15,21,根据理论分析、室内试验以及工程实测的结果证明采用土工合成材料加筋垫层的作用机理为：, 扩散应力。加筋垫层刚度较大，增大了压力扩散角，有利于上部荷载扩散，降低垫层底面的压力;, 调整不均匀沉降。由于加筋垫层的作用
15、，加大了压缩层范围内地基的整体刚度，均化传递到下卧土层上的压力，有种于调整基础的不均匀沉降;, 增大地基稳定性。由于加筋垫层的约束作用，整体上限制了地基土的剪切、侧向挤出及隆起。,2019/4/15,22,采用土工合成材料加筋垫层时，应根据工程荷载的特点、对变形、稳定性的要求和地基土的工程性质、地下水性质及土工合成材料的工作环境等，选择土工合成材料的类型、布置形式及填料品种，主要包括：, 确定所需土工合成材料的类型、物理性质和主要的力学性质如允许抗拉强度及相应的伸长率、耐久性与抗腐性等;, 确定土工合成材料在垫层中的布置形式、间距及端部的固定方式;, 选择适宜的填料及施工方法等。,此外，要通过
16、验证，保证土工合成材料在垫层中不被拉断和拔出失效。同时还要检验垫层地基的强度和变形以确保满足设计要求。最后通过载荷试验确定垫层地基的承载能力。,2019/4/15,23,作为加筋的土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、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。,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。（用于加筋垫层中的土工合成材料必须留有足够的安全储备，绝不能使其受力后的强度等参数处于临界状态，以免导致严重的后果
17、）,2019/4/15,24,6.垫层的压实标准可按表2.2.4选用：,表2.2.4 各种垫层的压实标准,2019/4/15,25,7. 对于工程量较大的换填垫层，应按所选用的施工机械、换填材料及场地的土质条件进行现场试验，以确定压实效果。,注：1、压实系数 为土的控制干密度 与最大干密度 的比值; 土的最大干密度宜采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取 ;,2、当采用轻型击实试验时，压实系数 宜取高值;当采用重型击实试验时，压实系数 可取低值;,3、矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于 。,2019/4/15,26,垫层的作用：, 提高地基承载力 。浅基础的地基承载力与持力层的
18、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;, 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是比较大的。以条形基础为例，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;,2019/4/15,27, 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，
19、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;,2019/4/15,28, 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;, 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 ，且垫层宽度应大于基础宽度，而
20、基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。,2019/4/15,29,2.4 施工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、振动碾或羊足碾，中小型工程也可以采用蛙式夯、柴油夯。砂石等宜采用振动碾，粉煤灰宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯。矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。,2.垫层的施工方法、分层铺筑厚度、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厚度外，一般情况下，垫层的分层铺筑厚度可取 。,2019/4/15,30,当不具备试验条件时，可按表2.3.1选用。,表2.3.1 垫层的每层铺筑厚度及压实遍数
21、,2019/4/15,31,3.为获得最佳的压实效果，宜采用垫层材料的最优含水量 作为施工控制含水量。对于粉质粘土和灰土，现场可控制含水量在 的范围内; 当使用振动碾压时，可适当放宽下限范围值，即控制在 的 范围内。粉煤灰垫层的施工含水量宜控制在 的范围内。最优含水量可按现行国家标准土工试验方法标准GB/T 50123 中轻型击实试验的要求求得。在缺乏试验资料时，也可近似取0.6倍液限值; 或按照经验采用塑限 的范围值作为施工含水量的控制值。,对于砂石料，当采用平板式振动器时施工含量水量可取8%12%; 当采用平碾或蛙式夯时，可取8%12%;当采用插入式振动器时宜为饱和。对于碎石及卵石应充分浇
22、水湿透后夯压。,2019/4/15,32,4.当垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均的部位时，应根据建筑对不均匀沉降的要求予以处理，并经检验合格后方可铺填垫层。,5.基坑开挖时应避免坑底土层受到扰动，可保留约 厚的土层暂不挖去，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。,2019/4/15,33,6.换填垫层施工应注意基坑排水，一般不得在浸水条件下施工，必要时应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
23、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。,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 。接缝处应夯压密实。灰土应拌合均匀并应当日铺填夯压。灰土夯压密实后 内不得受水浸泡。粉煤灰垫层铺填后宜当天压实，每层验收后应及时铺填上层或封层，防止干燥后松散起尘污染，且禁止车辆通行。,2019/4/15,34,8.铺设土工合成材料时，下铺地基土层项面应平整，防止土工合成材料被剌穿、顶破。铺设时应把土工合成材料张拉平直、绷紧，严禁有折皱;端头应固定（在端部位置挖地沟，将合成材料的端头埋入沟内上覆土压住固定，以防止
24、其受力后被拔出）或回折锚固; 切忌曝晒或裸露（施工宜连续进行，暴露时间不宜超过 ）; 连接宜用搭接法、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所采用材料的抗拉强度。,垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。,2019/4/15,35,2.4 质量检验1.对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂垫层的施工质量检验可用环刀法、贯入仪、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验; 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、灌水法或其它方法检验。,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筑上层土。,2019/4/15,36,3.采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应位于每层厚度的2/3深度处。检验点数量，对大基坑每 不应少于1个检验点; 对基槽每 不应少于1个点。采用贯入仪或动力触探检验垫层的施工质量时，每分层检验点的间距应小于 。,4.竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力（为保证载荷试验的有效影响深度不小于换填垫层处理的厚度，载荷试验压板的边长或直径不应小于垫层厚度的1/3）时，每个单体工程不宜少于3点; 对于大型工程则应按单体工程的数量或工程的面积确定检验点数。,
