2第二章换填法.

第二章换填法换填法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、碎石垫层、素土垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但根据实验结果及实测资料，垫层地基的强度和变形特性基本相似，因此可将各种材料的垫层设计都近似地按砂垫层的设计方法进行计算。换填法常用作地基的浅层处理，其主要作用包括：（1）提高持力层的强度，并将建筑物基底压力扩散到垫层以下的软弱地基，使软弱地基土中所受应力减少到该软弱地基土的容许承载力范围内，从而满足强度要求；（2）垫层置换了软弱土层，从而可减少地基的变形量；（3）加速软土层的排水固结。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，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；（4）防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此可防止在寒冷地区土中结冻造成的冻胀；（5）对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，处理的目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性等。《建筑地基处理技术规范》中规定：换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。b回填土2.1垫层设计一、砂（砂砾、碎石）垫层设计砂垫层的设计原则是既要有足够的厚度以置换可能受剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤出。作为排水垫层还要求形成一个排水层面，以利于软土的排水固结。（一）厚度确定垫层厚度应根据垫层底部软弱下卧层的承载力确定，并满足下式：pz+pcz≤fz(2.1-1)式中：pz——垫层底面处的附加应力设计值（kPa）；pcz——垫层底面处的自重应力标准值（kPa）；fz——垫层底面处经修正的地基承载力设计值（kPa）。fz=fk+ηb·(b-3)+ηd·0(d-0.5)其中，fk为软弱下卧层地基承载力标准值（kPa）；ηb、ηd为基础宽度和埋深的承载力修正系数（参考GB50007-2002）；为垫层底面下的重度，地下水位以下取浮重度（KN/m3）；b为基础底面宽度（m），基宽小于3m，按3m考虑，大于6m时按6m考虑；0为基础底面以上土的加权平均重度（KN/m3）；d为基础埋置深度（m）。砂垫层厚度一般为0.5~3m。垫层太厚施工困难，太薄作用不显著。砂垫层底面处的附加应力设计值pz，通常可按简化的压力扩散角法求得。表2.1-1压力扩散角（度）换填材料z/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、卵石、碎石粘性土和粉土(8Ip14)灰土0.25206≥0.50302330（二）宽度确定垫层宽度b′应满足基础底面应力扩散的要求，其宽度要根据当地实际情况确定。对条形基础可按下式计算：b′≥b+2·z·tg(2.1-4)式中b’——垫层底面宽度（m）；——垫层压力扩散角（o）。垫层顶面宽度一般宜超过基础底边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按当地基坑开挖经验的要求放坡，向上延伸至地表面。当垫层两侧土质较好时，垫层顶部与底部可以等宽，其宽度可沿基础两边各放出300mm，侧面土质较差时，应增加垫层底部的宽度。(三）垫层承载力的确定垫层的承载力应通过现场试验确定，当无试验资料时，可按表2.1-3选用，并验算下卧层承载力。（四）沉降计算砂垫层断面确定后，对比较重要的建筑物还要验算基础的沉降，沉降值应小于建筑物的容许沉降。建筑物基础的沉降包括：一部分是砂垫层的沉降；另一部分是砂垫层下压缩层范围内的软弱土层的沉降。砂垫层自身的沉降仅考虑其压缩变形，垫层的压缩模量，应由荷载试验确定，当无试验资料时，可选用24~30MPa。下卧土层的变形值可由分层总和法求得。对于超出原地面标高的垫层或换填材料的密度高于天然土层的密度的垫层，宜早换填并应考虑附加的荷载对建筑物及邻近建筑沉降的影响。二、土垫层设计素土、灰土、二灰垫层总称土垫层，适用于处理1~4m厚的软弱土层。灰土垫层中石灰和土的体积比一般以2：8或3：7为最佳。垫层强度随含灰量的增加而提高。但含灰量超过一定值后，灰土强度增加很慢。二灰垫层是将石灰和粉煤灰两种材料按2：8或3：7体积比加适当水拌和均匀后分层夯实。其强度比灰土垫层高得多，常用于处理湿陷性黄土的湿陷性。设计内容主要包括:（一）厚度确定;（二）宽度确定;（三）平面处理范围•（一）厚度确定•软土地基上土垫层厚度的确定与砂垫层相同。•对非自重湿陷性黄土地基上的垫层厚度应保持天然黄土层所受的压力小于其湿陷起始压力值。根据试验结果，当矩形基础的垫层厚度为0.8~1.0倍基底宽度，条形基础的垫层厚度为1.0~1.5倍基底宽度时，能消除部分至大部分非自重湿陷性黄土地基的湿陷性。当垫层厚度为1.0~1.5倍柱基基底宽度或1.5~2.0倍条基基底宽度时，可基本消除非自重湿陷性黄土地基的湿陷性。•在自重湿陷性黄土地基上，垫层厚度应大于非自重湿陷性黄土地基上垫层的厚度，或控制剩余湿陷量不大于20cm才能取得好的效果。（三）平面处理范围素土垫层或灰土垫层可分为局部垫层和整片垫层。整片素土垫层宽度可取b′≥b+3（m），当z2m时，b′还可适当放宽。在湿陷性黄土场地，若仅要求消除基底下处理土层的湿陷性时，宜采用局部或整片素土垫层；当还要求提高土的承载力或水稳定性时，宜采用局部或整片灰土垫层。局部垫层的平面处理范围，其宽度b′可按下式计算：b′=b+2·z·tg+c(b′≥21·z)(2.1-5)式中：c——考虑施工机具影响而增加的附加宽度，宜为200mm。整片垫层的平面处理范围，每边超出建筑物外墙基础的外缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不应小于2m。三、粉煤灰垫层一般特性:粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，其主要化学成分为硅、铝、铁等的氧化物，其中硅、铝氧化物总量超过70%以上。经有关研究证实，粉煤灰具有火山灰的特性，在潮湿条件下具有凝硬性，且在碱性物质激发作用下，与SiO2、Al2O3等物质进行水化反应，生成水化产物，使碾压密实的粉煤灰颗粒胶结固化形成块体结构，提高粉煤灰的强度，降低压缩变形，增加抗渗性和水稳定性。粉煤灰具有良好的物理、化学性能，是一种良好的换填材料。其压实曲线与粘性土相似，具有相对较宽的最优含水量区间，即其干密度对含水量的敏感性比粘性土小。因此，粉煤灰在换填施工中达到最大干密度时，所对应的最优含水量易于控制。设计考虑:粉煤灰垫层的设计可参照砂垫层设计方法和有关的技术要求进行。在缺少资料和没有工程经验的情况下采用粉煤灰垫层，应对使用的材料进行物理、化学和力学性质试验，为设计提供资料及技术参数。在确定粉煤灰垫层厚度时，可取其压力扩散角为22°，计算方法同砂垫层。粉煤灰垫层的承载力一般应通过现场试验确定，当无试验资料时，可参考以下数据：（1）经过人工压实（夯实）的粉煤灰垫层，当压实系数控制在0.90及其干密度为0.9dmax(t/m3)时，其承载力可达120~150kPa。（2）当压实系数控制在0.95及其干密度为0.95dmax(t/m3)时，其承载力可达300kPa，但应进行下卧层强度验算。2.2土的压实作用一、土的压实机理实践证明,要使土的压实效果最好,其含水量一定要适当。对过湿的土进行碾压（或夯击、振实）会出现“橡皮土”，不能增大土的密实度。对很干的土进行碾压（或夯击、振实），也不能把土充分压实。在工程实践中,对垫层的碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度dmax，其值可由室内击实试验得出。根据室内标准击实实验，可绘制土的干密度d与制备含水量w的关系曲线。在d-w曲线上d的峰值为dmax，与之相应的含水量即为最优含水量wop。图2.2-2砂土和粘土的击实曲线图2.2-1工地试验与室内击实试验的比较二、土的压实参数1、压实系数c土料碾压（夯击、振实）密实度的要求和质量控制指标通常以压实系数c表示，其计算公式为：c=maxdd(2.2-1)式中：d——现场土的实际控制干密度（g/cm3）；dmax——土的最大干密度（g/cm3）。垫层的最大干密度应通过室内击实试验测得。当无试验资料时，也可按下式估算：sopswddd01.01max(2.2-2)式中：w——水的密度（g/cm3）；——经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取0.96，粉土取0.97；ds——土粒相对密度；wop——最优含水量（%）。压实系数的大小，一般由设计人员根据工程结构、使用要求及土的性质等确定，也可参考表2.2-1选用。表2.2-1压实填土地基质量控制值结构类型填土部位压实系数c控制最优含水量在地基主要受力层范围内0.96砌体承重结构和框架结构在地基主要受力层以下0.93~0.96在地基主要受力层范围内0.94~0.97简支结构和排架结构在地基主要受力层以下0.91~0.93wop±32、含水量现场施工时,应使填料的含水量尽量接近最优含水量。当无试验资料时,也可按表2.2-2选用。表2.2-2土的最优含水量及最大干密度参考表变动范围土的种类最优含水量（%）（质量比）最大干密度（g/cm3）砂土8~121.80~1.88粘土19~231.58~1.70粉质粘土12~151.85~1.95粉土16~221.61~1.803、铺填厚度及压实遍数铺填厚度及压实遍数，应通过现场试验确定。当无试验资料时，也可参考表2.2-3及表2.2-4。表2.2-3各种压实机械铺土厚度及压实遍数粘土粉质粘土压实机械铺土厚度(cm)压实遍数铺土厚度(cm)压实遍数重型平碾（12t）25~304~630~404~6中型平碾（8~12t）20~258~1020~304~6轻型平碾（8t）158~12206~10轻型羊足碾（5t）25~3012~22双联羊足碾（12t）30~358~12羊足碾（13~16t）30~4018~24蛙式夯（200kg）253~430~408~10人工夯（50~60kg,落距50cm）18~224~5重锤夯（1t,落距3~4m）120~1507~12表2.2-4垫层的每层铺填厚度及压实遍数碾压设备每层虚铺厚度(mm)每层压实遍数土质环境平碾（8~12t）200~3006~8软弱土、素填土羊足碾(5~16t)200~3508~16软弱土蛙式夯(碾)(0.2t)200~2503~4狭窄场地振动碾（8~15t）600~15006~8振动压实机(2吨,振动力98KN)1200~150010砂土、碎石土、湿陷性黄土等插入式振动机200~500平振振动机150~250