002第2章-换填--《地基处理新技术》

第2章换填2.1概述2.2压实原理2.3垫层设计2.4垫层施工2.5质量检验2.1概述换填法：针对软弱地基的承载力和变形不能满足建筑物的要求，同时，软弱土层厚度不大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后换上强度较大的砂或其他性能稳定，无侵蚀性等材料，将其压实，振密的处理方法。土层压实增加了抗剪强度，减少渗透性和压缩性，减弱液化势，增加抗冲刷能力。换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟等浅层处理。2.2压实原理土的含水量是影响填土压实性的主要因素之一。低含水量时，水被土颗粒吸附在表面，因无毛细管作用而互相联结很弱，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，失去夯击效果。只有把土的含水量调整到其间某一适宜值时，才能收到最佳压实效果。在一定压实机械功能的条件下，土最易被压实，并达到最大干密度的含水量，称为最佳含水量（wop）,相应的干密度称为最大干密度ρdmax。最优含水量采用《土工实验方法标准》（GB/T50123）中规定的标准击实试验确定。2.3垫层设计垫层的主要作用:1.提高地基承载力2.减少沉降量和湿陷量3.加速软弱土层的排水固结4.防止冻胀5.消除膨胀土的胀缩作用2.3.1砂(或砂石、碎石)垫层设计对砂垫层的设计，既要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大的宽度以防止砂垫层向两侧挤出。一、垫层厚度的确定厚度应根据垫层底部下卧土层承载力确定。并符合以下公式：pz垫层底面处的附加应力值(kPa)pcz垫层底面处的自重应力值(kPa)fz垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kpa）zczzfpp垫层底面处的附加压力值pz可按压力扩散角θ进行简化计算：条形基础：矩形基础：tan2zbppbpckz)tan2)(tan2(zlzbpplbpckz二、垫层宽度的确定垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。关于宽度计算，目前还缺乏可靠的方法。一般可按下式计算或根据当地经验确定：b’垫层底面宽度（m）θ垫层压力扩散角tan2'zbb三、垫层承载力的确定垫层承载力确定宜根据现场试验确定，无试验资料时，可按下表选用，并验算下卧层的承载力。四、沉降计算对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，要进行地基变形计算。建筑物沉降s等于垫层自身变形s1与下卧土层变形s2之和。垫层下卧层变形计算可按照现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007）的有关规定计算。2.3.2素土（或灰土、二灰）垫层设计一、垫层材料素土垫层是采用素土作为垫层材料，素土土料中的有机质含量不得超过5％，亦不得含有冻土或膨胀土，不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料，碎石粒径不得大于50mm。灰土垫层采用石灰和土的混合物作为垫层材料，石灰与土的体积比一般为2:8或3:7。土料宜用黏性土及塑性指数大于4的粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。二、垫层设计素土垫层(简称土垫层)或灰土垫层在湿陷性黄土地区使用较为广泛，是一种以土治土的处理湿陷性黄土地基的传统方法，处理厚度一般为1～3m。素土垫层或灰土垫层可分为局部垫层和整片垫层。根据工程实践经验，局部垫层的平面处理范围,每边超出基础底边的宽度，可按下式计算确定，并不应小于其厚度的一半：czbBtan2B需处理的土层底面的宽度（m）b条形(或矩形)基础短边的宽度（m）z基础底面至处理土层底面的距离（m）θ地基压力扩散线与垂直线的夹角，宜为220～300，用素土处理宜取小值，用灰土处理宜取大值。c考虑施工机具影响而增设的附加宽度，且不小于0.2m。2.3.3粉煤灰垫层设计一、垫层材料粉煤灰是燃煤电厂的工业废弃物，每年排放量都在增加。实践证明，粉煤灰是一种良好的地基处理材料资源，具有良好的物理、力学性能，能满足工程设计的技术要求。粉煤灰按其排放系统的不同，可分为干排灰、湿排灰和调湿灰三种。按钙含量多少又可分为高钙灰(CaO≥10％)和低钙灰(CaO10％)两种。粉煤灰的粒径组成类似于砂质粉土，其主要的特性如下：1.自重轻粉煤灰相对密度比黏性土小得多，一般松散重度在6～7kN/m3，经轻型击实试验后干密度在0.92～1.35t/m3；比土轻得多，产生差别的原因在于粉煤灰主要是以硅、铝为主的非晶态玻璃球体组成，结晶矿物含量较少。粉煤灰自重轻对回填土工程带来有利的一面，可降低下卧层土的压力，减少沉降，如利用该特点，道路路堤的填筑高度现在可提高至8m，打破了土路堤4.5m的高度极限。为此，在《公路粉煤灰路堤设计与施工技术规范》(JTJ016—93)中规定：软弱地基土的高路堤在技术经济合理的条件下应优先采用粉煤灰2.击实性能好粉煤灰的颗粒组成特点，使它具有可振实或碾压的条件，击实试验曲线峰值段比天然土具有相对较宽的最优含水量区间。粉煤灰的最优含水量变动幅度是±4％，大于土的±2％的变动幅度。因此，粉煤灰在回填施工过程中达到设计密实度要求的含水量容易控制，施工质量容易得到保证。当地下水位高、雨水多、土含水量大，压实试验采用轻型击实标准较为适宜，大量实践证明，压实系数达到95％以上的轻型击实标准，亦要采用10t振动压路机碾压8～10遍。3.抗剪强度抗剪试验按直剪(快剪)和三轴剪(固结不排水剪）分别进行，粉煤灰的内摩擦角φ、黏聚力c均与粉煤灰的灰种、剪切方法、压实系数大小和龄期长短有关。4.压缩性粉煤灰的压缩性能与击实功能、密实度和饱和程度等因素有关，应通过土工试验确定。当无试验资料时，在压实系数为0.9～0.95时，Es＝8～20MPa。5.承载能力粉煤灰垫层经压实后承载能力的试验结果得知，具有遇水后强度降低的特性。当无试验资料时，压实系数为0.9～0.95时的浸水垫层，其地基承载力特征值可采用120～150kPa，但尚应满足软弱下卧层的承载力与地基变形要求。6.渗透性由于粉煤灰颗粒组成近似砂质粉土，压实过程中与压实初期具有较大的渗透系数，但随着龄期的增加，渗透性能逐渐减弱。初始渗透系数在10-3～10-5cm/s间变化，明显大于黏性土。7、抗液化性粉煤灰经压实后是否能避免在振动条件下的液化，为此，宝钢进行了较为系统的分析。试验表明，标准贯入击数证明不会发生液化。粉煤灰地基有较高的标贯击数反应了它的龄期效应特征。如宝钢煤气柜粉煤灰地基回填6个月测得10击，4年后在原料坑再测，则平均高达21击。其原因是它具有微弱的火山灰反应，因此有一定的凝胶性，其抗液化能力要比砂质粉土强得多。8、对环境的影响粉煤灰是一种碱性材料，遇水后由于碱性可溶物的析出使得pH值升高，如宝钢粉煤灰pH值可达10～12，同时粉煤灰中还含有一定量的微量有害元素和放射性元素，因此粉煤灰在填筑过程中是否能推广应用，在很大程度上取决于是否能够满足我国现行的有关环境方面的要求。粉煤灰中微量有害元素。特别是其浸出液中，有害元素的溶出对土壤和地下水的影响又是一个环境影响问题。二、垫层设计粉煤灰垫层适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程大面积填筑。粉煤灰垫层厚度的计算方法可参照砂垫层厚度计算。粉煤灰的最大干密度ρmax和最优含水量ωop在设计、施工前应按《土工试验方法标准》(GB/T50123—1999)击实试验法确定。粉煤灰的内摩擦角φ、黏聚力c、压缩模量Es、渗透系数K，随粉煤灰的材质和压实密度而变化，应通过室内试验确定。粉煤灰压实垫层具有遇水后强度降低的特点。2.3.4干渣垫层设计一、垫层材料干渣亦称高炉重矿渣，简称矿渣。它是高炉冶炼生铁过程中所产生的固体废渣经自然冷却而成矿渣取代天然碎石是冶金渣综合利用的有效途径之一。它具有原料量大、工程造价低和节约天然资源等优点。经破碎、筛分的矿渣称分级矿渣(8～40mm和40～60mm二级)；未经破碎和筛分的矿渣称原状矿渣；经破碎但未经筛分者称混合矿渣(0～60mm)。干渣垫层的工程特性如下：1.稳定性干渣是否能在回填土工程中推广应用的前提之一，在于它是否具有足够的结构稳定性。2.松散密度重矿渣的强度可用松散密度指标表示，对分级矿渣松散密度要求不小于1.1t/m3，经试验结果分析，松散密度与粒径组合有关，粒径小则轻，粒径大则反之，但粒径较小的矿渣砂(粒径范围0～8mm)，其密度可达1.4t/m3。3．变形模量一般工程不论是分级矿渣或是不分级矿渣(混合矿渣)，压实后的变形模量都大于或等于砂、碎石等垫层的变形模量值。通常采用10～20t平碾，压10～12遍与用振动器振实，振动时间45s，铺渣厚度200mm，或振动时间60s，铺渣厚度250mm，压实后的矿渣垫层(分级或不分级)的变形模量E0可达35MPa以上。高炉矿渣在力学性质上最为重要的特点是：当垫层压实符合标准，则荷载与变形关系具有线性变形体的一系列特点。如压实不佳，强度不足，会引起显著的非线性变形。因此，设计人员应首先了解矿渣的组成部分、级配、软弱颗粒含量和松散密度；其次是根据场地条件与施工机械条件，确定合理的施工方法和选择各种设计计算参数。二、垫层设计干渣垫层的厚度和宽度可按砂垫层的计算方法确定，应满足软弱下卧层的强度和变形要求。2.3.5其他垫层除以上砂垫层、粉煤灰垫层、矿渣垫层、土和灰土垫层外，还有其他五种换填措施。一、粉质黏土垫层二、石屑垫层三、工业废渣垫层四、合成材料加筋垫层五、聚苯乙烯板块垫层2.4垫层施工2.4.1按密实方法分类垫层施工按照压密所采用的不同机械和工艺，一般可分为机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法，每种方法除了采用的机械设备有所不同外，施工工艺(包括垫层分层厚度、碾压遍数和最优含水量)也不相同。一、机械辗压法机械碾压法是采用压路机、推土机、平碾、羊足碾或其他碾压机械在地基表面来回开动，利用机械自重把垫层或松散土地基压实。采用冲击压路机进行碾压法又被称为冲击碾压法。与一般压路机相比，冲击碾压机具有填方量大，行进速度大和功效高的特点。压路机蛙式打夯机二、重锤夯实法是用起重机将夯锤提高到某一高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。三、平板振动法平板振动法是使用振动压实机来处理无粘性土或黏粒含量少、透水性较好的松散杂填土地基的一种方法。2.4.2按垫层材料分类一、砂（或砂石）垫层砂石垫层材料，宜选用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石或碎石等，料中不得含有植物残体、垃圾等杂质，且含泥量不超过5％。干密度ρd为砂垫层施工质量控制的技术标准。垫层施工一般可采用振动碾或振动压实机等压密，其压实效果、分层铺填厚度、压实遍数、最优含水量等应根据具体施工方法及施工机具通过现场试验确定，也可参照表2—11初步确定。二、素土（或灰土、二灰）垫层控制垫层质量的压实系数应符合：①当垫层厚度不大于3m时，≥0.93：②当垫层厚度大于3m时，≥0.95。素土(或灰土、二灰)垫层采用分层填夯(压)实的施工方法。分层铺填厚度应该按照所采用的施工机具来确定，参见表2—12。素土(或灰土、二灰)材料的施工含水量宜控制在最优含水量ωop+2％范围内。素土(或灰土等)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500mm。灰土应拌合均匀，应当日铺填夯压，压实后3天内不得受水浸泡。三、粉煤灰垫层粉煤灰垫层可采用分层压实法，压实可用压路机和振动压路机、平板振动器、蛙式打夯机。机具选用应按工程性质、设计要求和工程地质条件等确定。粉煤灰不应采用水沉法或浸水饱和施工。四、干渣垫层干渣垫层材料可根据工程的具体条件选用分级干渣、混合干渣或原状干渣。用于垫层的干渣技术条件应符合下列规定：稳定性合格；松散密度不小于1.1t/m3;泥土与有机质含量不大于5%。对于一般场地平整，干渣质量可不受上述指标限制。施工采用分层压实法。压实可采用平板振动法或机械碾压法。五、土工合成材料垫层六、聚苯乙烯板块垫层2.5质