72 置换法换填法Word格式文档下载.docx

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—应力扩散角，可按下表采用

整片垫层的铺设宽度可根据施工的要求适当放宽。

垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm，或从垫层地面两侧向上，按当地开挖基坑经验放坡。

3.确定垫层厚度

垫层铺设厚度根据需要置换软弱土层的厚度确定，要求垫层底面处土的自重

应力与荷载作用下产生的附加应力之和不大于同一标高处的地基承载力特征值，如下图所示。

其表达式为：

设计计算时，先根据垫层的地基承载力特征值确定出基础宽度，再根据下卧层的承载力特征值确定垫层的厚度。

一般情况下，垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。

垫层太厚成本高而且施工比较困难，垫层的厚度并不随厚度线性增大。

垫层地面处的附加应力，对条形基础和矩形基础分别按下式计算：

条形基础

矩形基础

垫层地基的承载力宜通过试验确定。

4.沉降验算

一般垫层地基的沉降中仅考虑下卧层的变形，但对沉降要求教严或垫层较厚

的情况，还应计算垫层自身变形，垫层模量可参考下表：

（插入垫层模量表）

采用垫层法加固地基可采用分层总和法计算沉降量。

7.2.1.3施工

换土垫层法施工包括开挖换土和铺填垫层两部分。

开挖换土应注意避免坑底土层扰动，应采用干挖土法。

铺填垫层应根据不同的换填材料选用不同的施工机械。

垫层需分层铺填，分层密实。

砂石垫层宜采用振动碾碾压；

粉煤灰垫层宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯等碾压方法密实；

灰土垫层宜采用平碾、振动碾等方法密实。

7.2.1.4质量检验

垫层法施工质量检验应分层进行。

每层施工后经检验符合设计要求后才能进行下一层施工。

对灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量可采用环刀法、贯入仪、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验等方法进行质量检验；

对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验垫层质量。

7.2.1.5工程实例（补）

7.2.2强夯置换法（补：

内容形式同7.2.1P64）

7.2.3石灰桩法（补：

内容形式同7.2.1P65）

7.2.4EPS超轻质料填土法（补：

内容形式同7.2.1P71）

《基础工程》周景星王洪瑾虞石民李广信清华大学出版社

1．概念

换填法就是把基础底面下某一范围内的软弱地基土挖除，然后回填以质量好的土，经压密后直接作为建筑物的持力层，或者与原来软弱的地基土组合复合地基以支承建筑物。

按施工方法不同，换填法分成两大类：

换土垫层法和砂石桩置换法。

2．换土垫层法

换土垫层法就是将基础下面某一范围内的软弱基土挖除，然后回填以质量好的土料，分层压密，作为建筑物的持力层，如图1。

（1）垫层的作用和要求

垫层的主要作用有：

1.提高持力层的承载能力，同时将建筑基地压力扩散到地基中去，使垫层一下软弱基土上的应力减少哦到许可承载力的范围内。

2.置换软弱的高压缩性土层，减少地基沉降量。

基础下浅层地基土的变形量在总变形量所占比例很大，以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的变形量约占地基总变形量的50%左右。

同时，由于侧向变形而引起的沉降在浅层土沉降中所占的比例较大，因此，采用换土的办法能有效地减少地基的沉降量。

3.对于用砂石填筑的垫层，有加速软土层的排水固结作用。

为了起到上述作用，分层压密后的垫层料，要求抗剪强度高，压缩性小。

在地震区则要满足地震的要求。

而作为水工建筑物地基时，则还有防止渗透破坏的要求。

垫层料常用干净的中、粗砂，级配良好的砂石料，对这类粗砂土（无粘性土），要求质地坚硬，含泥量不超过3%。

其他合适于作垫层的土料，还有三合土、灰土、素土等。

粘粒含量大于60%的高塑性粘土、胀缩土和冻土，不宜作为垫层料。

灰土是我国传统的一种建筑物用料。

用灰土作为垫层在我国已有千余年的历史，例如北京城墙和苏州古塔的地基都是用灰土建造。

这些灰土迄今还很坚硬，具有甚高的高度。

灰土中石灰的加固作用主要来源于离子交换效应和凝硬效应；

前者指石灰的钙离子被吸附在粘土颗粒表面，使颗粒表面的带电状态发生变化，由于凝聚作用使颗粒团粒化而改善土的性质。

后者指石灰与土中的粘土矿物及二氧化硅和氧化铝等胶体产生化学反应，生成硅酸石灰水化物（

系化合物）及铝酸石灰水化物（

系化合物）。

这些水化物具有结合力，将土颗粒胶结硬化后获得比素土高得多的强度。

灰土的强度与石灰的用量有关，在灰土垫层中一般以灰土比2:

8或3:

7作为最佳含灰率。

图2为某闸基采用粘性土垫层的实例，图3为海工建筑物（码头）采用抛石挤淤形成垫层的实例。

2．砂石桩置换法

换土垫层的厚度受到限制，因此对于软弱土层较厚且基础宽度较大的情况，常常不宜采用。

这时可采用桩基的布置方式将软弱地基内的部分软土设法排除，置换以压密的砂石料以改善地基的性质，称为砂石桩置换法。

砂石置换法常用以处理软弱的粘性土、粉土、饱和黄土和人工填土等地基，桩距一般为1.5-2.5m。

施工时在桩位处打入大口径的开口钢管（直径为300-800mm）至设计深度，然后用取土器取出管内软土，再以级配良好的砂石分层回填压密，乃形成碎石桩。

桩顶一般铺设200-500mm厚的砂石垫层如图4所示。

有时也可以振冲法形成碎石桩。

这种情况，桩的直径常为0.8-1.2m。

无论采用哪种方法形成砂石桩，其共同的特点是：

成桩过程对桩周原位土基本不起挤密作用，仍然保留原来软土的工程特性。

而置换部分的砂石，材料质地坚实，经过压密后，刚度较大，因此在基础下形成土质软硬相间的复合地基。

由置换法形成的复合地基的承载力，最好是在现场做复合地基的载荷试验直接测定。

这种试验，载荷板的面积要包括砂石桩和每根砂石桩所控制范围的全部面积，测试工作的规模大、费用高。

为减少载荷试验的工作量，也可以用单桩和桩间土的载荷试验，分别测定桩和原位土的承载力，然后求复合地基的承载力。

对于小型工程，当现场载荷试验资料时，复合地基的承载力标准值用下式计算。

原位土承载力

有时也可用3倍原位土的十字板抗剪强度代替。

复合地基的变形验算与一般地基相同。

计算时，经置换处理后复合土层的压缩模量可用下式计算。

砂石桩除了提高地基承载力，减小变形量还在地基中形成十分通畅的排水通道，对加快地基的固结起重要作用。

值得注意的是这种方法中，由于桩体受力远比桩间土大，桩体要发生侧面挤压变形，特别是桩头附近部位。

如果桩周土的强度很低，容易产生过大的侧面位移而引起桩体过大竖向变形。

因此，对于不排水强度小于20kPa的软土，没有有效措施时，一般不宜采用砂石桩置换法。

换填法

换填法又称换土法。

所谓换土法是指将路基范围内的软土清除，用稳定性好的土、石回填并压实或夯实。

在公路施工中，一般采用的是开挖换填天然砂砾,即在一定范围内,把影响路基稳定性的淤泥软土用挖掘机挖除,用天然砂砾进行换置,开挖换填深度在2m以内,采用分层填筑、分层压实、分层检测压实度的方法施工。

从而改变地基的承载力特性，提高抗变形和稳定能力。

在换填过程中，对于换填的天然沙砾中石头的粒径、含量和级配也应充分考虑，最好做试验检测，避免无法压实而引起沉降。

浅层处理和深层处理很难明确划分界限，一般可认为地基浅层处理的范围大致在地面以下5m深度以内。

浅层人工地基的采用不仅取决于建筑物荷载量值的大小，而且在更大程度上与地基土的物理力学性质有关。

地基浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料。

一、原理及适用范围

换填法（ReplacementMethod、Cushion）就是将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。

换土垫层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小等优点。

按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层、矿渣垫层以及用其它性能稳定、无侵蚀性的材料做的垫层等。

换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、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地基土的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不匀以及岩溶等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。

垫层的适用范围见表。

二、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基础下土层的抗剪强度有关。

如果以抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替较软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。

2、减少沉降量，一般地基浅层部分的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的50％左右。

加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减小，这样也会相应减小下卧层土的沉降量。

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，在膨胀土地基上采用换土垫层法时，一般可选用砂、碎石、块石、煤渣或灰土等作为垫层，但是垫层的厚度应根据变形计算确定，一般不小于30cm，且垫层的宽度应大于基础的宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填。

6、消除湿陷性黄土的湿陷作用，采用素土、灰土或二灰土垫层处理湿陷性黄土，可用于消除1～3m厚黄土层的湿陷性。

7、用于处理暗浜（bang小河沟）和暗沟的建筑场地，城市建筑场地，有时遇到暗浜和暗沟。

此类地基具有土质松软、均匀性差、有机质含量较高等特点，其承载力一般都满足不了建筑物的要求。

一般处理的方法有基础加深、短柱支承和换土垫层。

而换土垫层适用于需要处理范围较大，处理深度不大，土质较差，无法直接作为基础持力层的情况。

在各种不同类型的工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的。

例如砂垫层可分为换土砂垫层和排水砂垫层两种。

一般工业与民用建筑物基础下的砂垫层主要起换土的作用；

而在路堤及土坝等工程，主要是利用砂垫层起排水固结作用，提高固结速率，促使地基土的强度增长。

换土垫层视工程具体情况而异，软弱土层较薄时，常采用全部换土，软弱土层较厚时，可采用部分换土，并允许有一定程度的沉降及变形，如图。

如前所述，换填法的主要作用是改善原地基土的承载力并减少其沉降量。

这一目的通常是通过外界的压（夯、振）实功来实现的。

当地基软弱土层较薄，而且上部荷载不大时，也可直接以人工或机械方法（填料或石填料）进行表层压、夯、振动等密实处理，同样可取得换填加固地基的效果。

三、土的压实作用

土的压实：

是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，使土中孔隙减小，密度增加。

土的压实性：

是指土在压实能量作用下能被压密的特性。

影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功及土的级配等。

1、土的压实与含水量的关系

在低含水量时，水被土颗粒吸附在土粒表面，土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱，土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。

在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象（软弹现象），失去夯击效果。

所以，含水量太高或太低都得不到好的压实效果。

要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。

土的干密度是反映土的密实度的重要指标。

将同一种土，配制成若干份不同含水量的试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进行击实后，测定各试样击实后的含水量和干密度，从而绘制含水量与干密度关系曲线，称为压实曲线。

压实曲线表明，存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值，产生最好的击实效果。

最优含水量：

将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量，用wop表示。

最大干密度：

在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度，用ρdmax表示。

2、击实功

击实功是用击数来反应的，如用同一种土料，在同一含水量下分别用不同击数进行击实试验，就能得到一组随击数不同的含水量与干密度关系曲线。

从而得出如下结论：

对于同一种土，最优含水量和最大干密度随压实功能而变化；

击实功能愈大，得到的最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高。

但干密度增大不与击实功增大成正比，故企图单存的用增大击实功以提高干密度是不经济的。

有时还会引起填土面出现所谓“光面”。

含水量超过最优含水量以后，压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小；

击实曲线和饱和曲线（土在饱和状态＝100％时含水量与干密度的关系曲线）不相交，且击实曲线永远在饱和曲线的下方。

这是因为在任何含水量下，土都不会被击实到完全饱和状态，亦即击实后的土内总留存一定量的封闭气体，故土是非饱和的。

相应于最大干密度的饱和度在80％左右。

3、土的级配

级配良好的土易于压实，压实性较好，这是因为不均匀土内较粗土粒形成的孔隙有足够的细土粒去充填，因而能获得较高的干密度。

均匀级配的土压实性较差，因为均匀土内较粗的土粒形成的孔隙很少有细土粒去充填。

以上所揭示的土的压实特性均是由室内击实试验中得到的。

但实际工程中垫层填土、路堤施工填筑的情况与室内击实试验的条件是有差别的。

室内击实试验是用锤击的方法使土体密度增加。

实际上击实试验使土样在有侧限的击实筒内进行，不可能发生侧向位移，力作用在有侧限的土体上，则夯实会均匀，且能在最优含水量状态下获得最大干密度。

而现场施工的土料，土块大小不一，含水量和铺填厚度又很难控制均匀，实际压实土的均匀性会较差。

因此，施工现场所能达到的干密度一般都低于击实试验所获得的最大干密度。

因此，对现场土的压实，应以压实系数与施工含水量来进行控制。

四、垫层的设计

垫层的设计主要是确定以下四个参数：

垫层的厚度、垫层的宽度、承载力和沉降。

垫层设计的主要内容是确定断面的合理厚度和宽度。

对于垫层，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。

对于排水垫层来说，除要求有一定的厚度和密度满

足上述要求外，还要求形成一个排水面，促进软弱土层的固结，提高其强度，以满足上部荷载的要求。

1、垫层厚度的确定

垫层的厚度一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力，如图所示。

（见教材公式2.1-1）

垫层面处的附加压力，可分别按教材式2.1-3简化计算。

具体计算时，一般是先初步拟定的一垫层厚度，再用上式验算，直到满足要求为止。

垫层厚度一般不宜大于3m，也不宜小于0.5m。

太厚施工较困难，太薄则换土垫层的作用不显著。

所垫层厚度的确定，除应满足计算要求外，还应根据当地的经验综合考虑。

2、垫层宽度的确定

垫层的宽度除应满足基础地面应力扩散的要求外，还应考虑垫层侧面土的强度条件，防止垫层材料由于侧面土的强度不足或由于侧面土的较大变形而向侧边挤出，增大垫层的竖向变形，使建筑物沉降增大。

垫层宽度的取值，可按两种方法计算：

一种是教材5页公式2.1-4的扩散角法；

另一种是按垫层侧面土的地基承载力设计值确定垫层的宽度，见教材5页表2.1-2。

3、垫层承载力的确定

经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不完善，垫层的承载力宜通过现场荷载试验确定，如对于一般工程可直接用标准贯入试验、静力触探和取土分析法等。

对于不太重要的、小型的、轻型的或对沉降要求不高的工程，在无试验资料或经验时可按教材6页表2.1-3确定。

4、沉降计算

垫层地基的沉降分两部分，一是垫层自身的沉降，二是软弱下卧层的沉降，由于垫层材料模量远大于下卧层模量，所以在一般情况下，软弱下卧层的沉降量占整个沉降量的大部分。

垫层下卧层的沉降量可按国标准《建筑地基基础设计规范》GB5007的有关规定计算以保证垫层的加固效果及建筑物的安全使用。

第四节垫层的施工

五、垫层施工方法

换土垫层的施工可按换填材料（如砂石垫层、素土势层、灰土垫层、粉煤灰垫层和矿渣垫层等）分类，或按压（夯、振）实方法分类。

目前国内常用的垫层施工方法，主要有机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法。

机械碾压法是采用各种压实机械，如压路机、羊足碾、振动碾等来压实地基土的一种压实方法。

这种方法常用于大面积填土的压实、杂填土地基处理、道路工程基坑面积较大的换土垫层的分层压实。

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，逐层压密填土。

重锤夯实法是利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后自由落锤，利用重锤自由下落时的冲击能来夯实浅层土层，重复夯打，使浅部地基土或分层填土夯实。

主要设备为起重机、夯锤、钢丝绳和吊钩等。

重锤夯实法—般适用地下水位距地表0.8m以上非饱和的粘性土、砂土、杂填土和分层填土，用以提高其强度，减少其压缩性和不均匀性，也可用于消除或减少湿陷性黄土的表层湿陷性，但在有效夯实深度内存在软弱土时，或当夯击振动对邻近建筑物或设备有影响时，不得采用。

因为饱和土在瞬间冲击力作用下水不易排出，很难夯实。

振动压实法是利用振动压实机将松散土振动密实。

地基土的颗粒受振动而发生相对运动，移动至稳固位置，减小土的孔隙而压实。

此法适用于处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好的松散杂填土以及矿渣、碎石、砾砂、砾石、砂砾石等地基。

总的来说，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、振动碾和羊足碾，中小型工程也可采用蛙式打夯机、柴油夯；

砂石等宜采用振动碾；

粉煤灰宜用平碾、振动碾、平板式振动器、蛙式夯；

矿渣宜采用平碾、振动碾、平板式振动器。

1、材料要求

在垫层的施工中，填料质量的好坏、是直接影响垫层施工质量的关键因素。

对于砂、石料和矿渣等垫层主要检验其粒径级配以及含泥量，对于土、石灰填料主要检查其含水量是否接近最优含水量，石灰的质量等级以及活性CaO十MgO的含量、存放时间等。

各种填料的一般质量要求见下表。

2、施工参数、机具及方法选择

砂石垫层选用的砂石料应进行室内击实试验，根据曲线确定最大干密度和最优含水量，然后根据设计要求的压实系数确定设计要求的，以此作为检验砂石垫层质量控制的技术指标。

在无击实试验数据时，砂石垫层的中密状态可作为设计要求的干密度：

中砂1.6，粗砂1.7，碎石、卵石2.0～2.1即可。

砂和砂石垫层采用的施工机具和方法对垫层的施工质量至关重要。

下卧层是高灵敏度的软土时，在铺设第一层时要注意不能采用振动能量大的机具扰动下卧层，除此之外，一般情况下，砂及砂石垫层首先用振动法。

因为，振动法更能有效地使砂和砂石密实。

我国目前常采用的方法有振动压实法（包括平振和插振）、夯实法、碾压法等。

常采用的机具有：

振捣器、振动压实机、平板振动器、蛙式打夯机、压路机等。

3、施工要点

⑴砂垫层施工中的关键是将砂加密到设计要求的密实度。

加密的方法常用的有振动法（包括平振、插振、夯实）、碾压法等。

这些方法要求在基

坑内分层铺砂，然后逐层振密或压实，分层的厚度视振动力的大小而定，—般为15～20cm。

施工时，应将下层的密实度经检验合格后，方可进行上层施工。

⑵砂及砂石料可根据施工方法的不同控制最优含水量。

最优含水量由工地试验确定。

⑶铺筑前，应先行验槽。

浮土应清除，边坡必须稳定，防止塌土。

基坑（槽）两侧附近如有低于地基的孔洞、沟、井和墓穴等，应在未做垫层前加以填实。

⑷开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动软弱土层的表面，否则坑底土的结构在施工时遭到破坏后，其强度就会显著降低，以致在建筑物荷重的作用下，将产生很大的附加沉降。

因此，基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并防止践踏坑底。

⑸砂、砂石垫层底面应铺设在同一标高上，如深度不同时，基坑地基土面应挖成踏步（阶梯）或斜坡搭接，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。

⑹人工级配的砂石垫层，应将砂石拌和均匀后，再行铺填捣实。

采用细砂作为垫层的填料时，应注意地下水的影响，且不宜使用平振法、插振法。

⑺地下水位高出基础底面时，应采用排水降水措施，这时要注意边坡的稳定，以防止塌土混入砂石垫层中影响垫层的质量。

六、质量检验

垫层质量检验包括：

分层施工质量检查和工程质量验收。

分层施工的质量和质量标准应使垫层达到设计要求的密实度。

检验方法主要有：

环刀法和贯入法（可用钢叉或钢筋贯入代替）两种。

⑴环刀法：

用容积不小于200的环刀压入垫层中的每层2／3的深度处取样，测定其干密度，干密度应不小于该砂石料在中密状态的干密度值。

⑵贯入测定法：

先将砂垫层表面3cm左右厚的砂刮去，然后用贯入仪、钢钗或钢筋以贯入度的大小来定性地检验砂垫层质量，以不大于通过相关试验所确定的贯入度为合格。

钢筋贯入法所用的钢筋为￠20mm，长1.25m的平头钢筋，垂直举离砂垫层表面70cm时自由下落，测其贯入深度。

钢叉贯入法所用的钢叉如图（有四齿，齿的间距、长，木柄长，重40N），它于50cm高处自由落下，测其贯入深度。

工程竣工质量验收的检测、试验方法有：

⑴静载荷试验

根据垫层静载荷实测资料，确定垫层的承载力和变形模量。

⑵静力触探试验

根据现场静力触探试验的比贯入阻力曲线资料，确定垫层