第2讲换填法

15.2换填（换土垫层法）砂石垫层一、换填法定义换填法亦称换土垫层法是将基础下一定深度范围内的软弱土层全部或部分挖除，然后分层回填并夯实砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高炉干渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性的材料。二、换土垫层法分类当软弱地基的承载力和变形不能满足建筑物要求，且软弱土层的厚度又不很大时，换土垫层法是一种较为经济、简单的软土地基浅层处理方法。不同的回填材料形成不同的垫层，如砂垫层、碎石垫层、素土或灰土垫层、粉煤灰垫层及煤渣垫层等。三、换土垫层法适用条件淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟暗塘等不良地基的浅层处理。换土深度较大时，经常出现开挖过程中因地下水位高而不得不采用降水措施；坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护；施工土方量大，弃方多等问题，从而使处理费用高、工期延长，因此换土垫层法的处理深度常控制在3-5米范围以内。当然，若换土垫层太薄，则其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5米。四、换土垫层法的作用换土垫层处理软土地基，其作用主要体现在以下几个方面：①提高浅层地基承载力；②减小地基沉降量；③加速软弱土层的排水固结，即垫层起排水作用；2④防止土的冻胀，即粗粒垫层材料起隔水作用；⑤减少或消除土的胀缩性。换土垫层法在处理一般软弱地基时，其可起的主要作用为前三种，在某些工程中可能几种作用同时发挥（如既起提高地基承载力、减小沉降量的作用，也起排水作用）。限于学时，本节仅介绍砂（石）垫层的设计与施工。五、砂（石）垫层设计砂（石）垫层的设计内容主要包括垫层厚度和宽度两方面，要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，有足够的宽度防止砂垫层向两侧挤出。主要起排水作用的砂（石）垫层，一般厚度要求30cm，并需在基底下形成一个排水面，以保证地基土排水路径的畅通，促进软弱土层的固结，从而提高地基强度。(1)填层厚度的确定θ砂垫层回填土'bσczσ+zpdzb垫层内应力分布如图所示，垫层厚度应根据砂垫层下面软弱下卧层土的承载力和建筑物对地基变形要求来确定。如仅以软弱下卧层承载力为控制指标，则应满足下式要求：zczazf式中z—相应于荷载效应标准组合时垫层底面处的附加压力值；3cz—软弱下卧层顶面处土的自重压力值；azf—垫层底面处经深度修正后软弱下卧层的地基承载力特征值。垫层底面处的附加压力zp，可按如下简化方法计算：条形基础矩形基础式中kp—相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值；cz—基础底面处土的自重应力；b—矩形基础或条形基础底边的宽度；l—矩形基础底边的长度；z—垫层厚度；—垫层的压力扩散角可按表选用。垫层应压扩散角(º)换填材料z/b中砂、粗砂、砾砂、碎石、黄土、石屑粘性土和粉土（8＜Ip＜14)灰土0.2520630≥0.5302330注：1.当z/b＜0.5时，除灰土仍取θ=30º外，其余材料均取θ=0º；2.当0.25＜z/b＜0.5时，θ值可用内插法求得。垫层厚度的计算方法、步骤为：先假设一个厚度，然后按式zczazf进行验算，若不符合要求，重新假设厚度后再验算，直至满足要求为止。(2)垫层宽度的确定垫层宽度应满足基础底面压力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确()2tankcdzpbbz()(2tan)(2tan)kcdzpblbzlz4定。tan2zbb式中b—垫层底面宽度；—垫层的压力扩散角，可按表选用。整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm长度，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡确定。应防止垫层向两侧挤压而破坏侧面土质。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，造成基础沉降增大。需要指出的是，垫层材料应分层夯实并达到一定的密实度，以保证其自身的承载力满足设计要求。对于一般工程，如无实测资料时，可参见表选用承载力特征值。对于比较重要的建筑物，还应计算地基的变形量。地基变形由垫层和下卧土层的两部分变形量所组成。各种垫层的承载力特征值akf施工方法换填材料类别压实系数λc承载力特征值akf(kPa)碾压或振密碎石、卵石0.94～0.97200～300砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%-50%）200～250土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%-50%）150～200中砂、粗砂、砾砂150～200粘性土和粉土（8＜Ip＜14）130～180灰土0.93～0.95200～250重锤夯实土或灰土0.93～0.95150～200注：1.压实系数小，承载力标准值取低值；反之取高值；52.重锤夯实，对土的承载力标准值取低值；反之取高值。【例】某建筑物承重墙下为条形基础，基础宽度1.5m，埋深1m，相应于荷载效应标准组合时上部结构传至条形基础顶面的荷载kF=mkN/5.247；地面下存在5.0m厚的淤泥层，3/0.18mkN,3/0.19mkNsat，淤泥层地基的承载力特征值kPafak70；地下水位距地面深1m。试设计砂垫层。【解】（1）垫层材料选用中砂，设垫层厚度z=2.0m，则垫层的压力扩散角θ=30○。（2）垫层厚度验算相应于荷载效应标准组合时基础底面平均压力值为：kPa1855.12015.15.247bGFpkk基础底面处土的自重压力kPa1810.18cp垫层底面处的附加压力值由式计算得：tan2zbbpppckzkPa8.6530tan0.225.15.10.18185o垫层底面处土的自重应力：kPa0.360.2101910.18czp淤泥层地基经深度修正后的地基承载力特征值为：kPa5.1015.05.26.121.1705.00dffdakakPa5.101kPa8.1018.650.36azczfpp满足强度要求垫层厚度选定为2.0m是合适的。（3）确定垫层宽度bm81.330tan0.225.1tan2ozbb取b=3.85m，按1∶1.5边坡开挖。2.垫层施工及其质量检验要点6垫层施工应严格控制垫层材料的颗粒成分和质量。砂石料宜选用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石和碎石等，料中不得含有植物残体、垃圾等杂质。用粉细砂作垫层料时，应掺入25%~30%的碎石或卵石，最大粒径不宜大于50mm。用于排水固结垫层的砂石料，含泥量不宜超过3%。垫层材料应保证达到设计要求的密实度，填料应分层铺筑（每层虚铺厚为200~300mm），逐层碾压、夯实，碾压时需控制一定的含水量。常用的密实方法有振动法和碾压法等。开挖基坑铺设垫层时，还需注意避免扰动软弱土层的结构，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。当采用碎石垫层时，应在坑底先行铺设一层砂垫底，以免碎石挤入土中。砂、碎石垫层的质量检验应随施工分层进行，检验方法主要有环刀法和贯入测定法。通过环刀取样法，测定的垫层干密度应大于等于设计干密度；通过贯入测定法，测定的垫层贯入深度应小于等于根据垫层干密度确定的贯入深度。另外，尚需对砂、碎石垫层填筑工程竣工质量进行验收。常用的验收方法有：①静载荷试验；②标准贯入试验；③轻便触探试验；④动测法；⑤静力触探试验。工程实例：