7.2-置换法(换填法)

文献内容出自：高校土木工程专业指导委员会规划推荐教材《地基处理》P58浙江大学龚晓南编著同济大学叶书麟主审中国建筑工业出版社7.2置换法（换填法）置换法是指应用物理力学性质较好的岩土材料置换天然地基中的部分或全部软弱土体或不良土体，形成双层地基或复合地基，以达到提高地基承载力、减少沉降目的一类地基处理方法。不少地基处理方法在加固地基时都有置换作用，属于置换法的地基处理方法指的是以置换为主的一类地基处理方法，其方法主要有：换土垫层法、挤淤置换法、褥垫法、强夯置换法以及碎石桩置换法和砂桩置换法、石灰桩法、气泡轻质填土法和EPS超轻质料填土法等。7.2.1换土垫层法7.2.1.1加固机理和适用方法换土垫层法就是将基础底面以下不太深的一定范围内软弱土层挖去，然后用强度高、压缩性能好的岩土材料，如砂、碎石、矿渣、灰土、土工格栅加砂石料等材料分层填筑，采用碾压、振密等方法使垫层密实。通过垫层将上部荷载扩散传到垫层下卧层地基中，以满足提高地基承载力和减少沉降的要求。填土垫层法适用于软弱土层分布在浅层且较薄的各类不良地基的处理。7.2.1.2设计换土垫层法加固地基设计包括垫层材料的选用，垫层铺设范围、厚度的确定，以及地基沉降计算等。1.垫层材料选用P59采用换图垫层处理地基，垫层材料可因地制宜地根据工程的具体条件合理选用下述材料：⑴砂、碎石或砂石料；⑵灰土；⑶粉煤灰或矿渣；⑷土工合成材料加碎石垫层等。2.确定垫层铺设范围垫层铺设范围应满足基础底面应力扩散的要求。对条形基础，垫层铺设厚度B可根据当地经验确定，也可按下式计算：2tanBbz式中B—垫层厚度，m；b—基础底面宽度，m；Z—垫层厚度，m；—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一．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。二．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。（一）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（22CaOSiOHO系化合物）及铝酸石灰水化物（232CaOAlOHO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。二．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。..(1m)fspkpkskfmf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。..[1(n1)]fspkskfm原位土承载力.skf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。.[1(n1)]EspsEm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。文献内容出自：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