换填垫层

第二部分换填垫层法2·1换填垫层法的应用建筑工程中，经常直接在地面上或者先将地面下浅部土层挖除，分层填筑工程性能良好的材料而形成一种人工地基，我们称这种地基处理方法为换填垫层法。这种地基处理方法广泛用于房屋类建筑、厂道和城市街道、堆场、广场和机场、公路等建设工程领域。换填垫层的目的（或者说作用）有提高地基承载力、减小地基沉降或不均匀沉降，加速软土层的排水固结，防止冻胀，消除膨胀土的胀缩性和湿陷性黄土地基的湿陷性，以及降低液化地基的液化沉陷等，建筑工程类型不同，换填垫层的作用也有所不同。换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基或者不良地基或者不均匀地基。当建筑场地范围内局部存在的松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴等，也可采用换填法进行地基处理。在这种地基局部的换填处理中，保持建筑地基整体变形均匀是换填应遵循的最基本原则。当建筑地基上层软弱土层或者不良土层或者不均匀土层较浅薄，而下卧层较好时，可采用全部置换处理。开挖基坑后，利用分层回填压实或夯实，也可用于处理较深厚的软弱土层。但换填基坑开挖过深，常因地下水位过高，需要采用降水辅助措施；坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护；及因此易引起邻近地面、管网、道路与建筑等的沉降变形破坏；再则因施工土方工程量大、弃土多等因素，常使处理工程费用增高、工期拖长、对环境的不良影响增大等。因此，换填垫层法地基处理的深度通常控制在3m以内，最大也不宜超过5m。当采用换填垫层法置换软弱土地基的上层时，必须考虑建筑体型、荷载分布、结构刚度等因素的影响。对于建筑体型复杂、荷载大、整体刚度差或者对差异变形敏感的建筑，不应采用浅层局部置换的处理方法。对于深厚软弱土地基（如淤泥或淤泥质土地基），采用换填垫层法仅置换上层软土后，通常可以提高持力层的承载力，但不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形量过大对上部建筑结构产生的有害影响，因此也不应采用局部换填垫层法进行处理。但对轻型建筑、地坪、道路或堆场，采用垫层处理上层部分软弱土时，由于传递到下卧层顶面的附加应力很小，也可以取得较好的效果。对不同特点的工程，还应考虑换填材料的强度、稳定性、压力扩散能力、密度、渗透性、耐久性、对环境的影响、价格、来源与消耗等方面的因素。当换填量较大时，尤其应首先考虑当地材料的性能及使用条件。此外，还应考虑所能获得的施工机械设备类型、适用条件等综合因素，从而合理地进行换填垫层设计及选择施工方法。例如，对于承受振动荷载的地基不应选择砂垫层进行换填处理；略超过放射性标准的矿渣可用于道路或堆场地基换填，但不能用于房屋类建筑换填垫层处理等。2·2换填垫层设计与施工要点一、垫层断面形式根据垫层底面与自然地面的关系，换填垫层的断面形式主要有下列三种情况：第一种情况（如图2·2—1（a）所示），是先将部分或全部软弱土层或者不良土层或者不均匀土层挖除，然后在所形成的基坑内回填坚硬的或较粗粒径的材料，并压实形成垫层，称之为换填垫层；第二种情况（如图2·2—1（b）所示），不开挖基坑，而是直接在自然地面以上填筑工程性能良好的材料，并压实形成垫层，通常称这种垫层为填筑垫层；第三种情况（如图2·2—1（c）所示），称之为联合垫层（或称半挖半填垫层），这种垫层的一部分在自然地面以上，而另外一部分在自然地面以下。在建筑物工程中，常用第一种形式的垫层，在道路、地坪、堆场等工程中有时也用第二、三种。zdbppbczz′θθp321图2·1－1：垫层类型示意图（a）回填垫层；（b）填筑垫层；（c）联合垫层1—垫层；2—回填土；3—基础（a）zdbppczzθθp321（b）zdbppbczz′θθp321（c）ββββzdbppbczz′θθp321（a）ββzdbppczzθθp321（b）βzdbppbczz′θθp321（c）aβ二、垫层厚度要求垫层厚度应根据需要置换软弱土层的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下卧层验算的要求（即式2·2—1的要求）。对换填垫层，其厚度一般不宜小于0.5m，也不宜大于3m。pz＋pcz≤faz（2·2—1）式中pcz——垫层底面处土的自重压力（kPa）；faz——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）；pz——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力(kPa)，可按式2·2—2或式2·2—3计算。条形基础pz＝b(pk－pc)／(b＋2ztanθ)（2·2—2）矩形基础pz＝bl(pk－pc)／[(b＋2ztanθ)(l＋2ztanθ)]（2·2—3）b——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；l——矩形基础底面的长度（m）；pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力（kPa）；pc——基础底面处土的自重压力（kPa）；z——基础底面下垫层的厚度（m）；θ——垫层的压力扩散角（°），宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表2·2—1采用。三、垫层宽度要求1．对于换填垫层（图2·2—1(a)），垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求，一般可按下式确定：b′≥b+2ztanθ（2·2—4）式中b′——垫层底面宽度（m）；b——基础底面宽度（m）；θ——压力扩散角（°），可按表2·2—1采用。当z/b＜0.25时，仍按表中z/b＝0.25取值。整片垫层底面的宽度可根据施工要求适当加宽度。垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。表2·2—1压力扩散角（°）垫层材料z/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、卵石、碎石、矿渣粉质粘土、粉煤灰灰土0.2520628≥0.503023注：①当z/b＜0.25时，除灰土取θ＝28°外，其余材料均取θ＝0°，必要时，宜由试验确定；②当0.25＜z/b＜0.5时，θ值可内插求得.2．对于填筑垫层（图2·2—1(b)）和联合垫层（图2·2—1(c)），垫层顶面宽度应满足地基稳定性要求，即满足式2·2—5至式2·2—7的要求。⑴当垂直于坡顶边缘线的基础底面边长小于或等于3m时，其基础底面外缘至坡顶的水平距离应符合下式要求，但不得小于2.5m。条形基础a≥3.5b－d/tanβ（2·2—5）矩形基础a≥2.5b－d/tanβ（2·2—6）式中a——基础底面外缘至坡顶的水平距离（m）；b——垂直于坡顶边缘线的基础底面边长（m）；d——基础埋置深度（m）；β——边坡的坡角（°）。⑵当基础底面外缘线至坡顶的水平距离不满足上述要求时，可根据基底平均压力按公式2·2—7确定基础距坡顶边缘的距离和基础埋深。⑶当边坡坡角大于45°、坡高大于8m时，尚应按公式2·2—7验算地基整体稳定性。≥1.2（2·2—7）式中K——地基稳定性系数；MR、MS——分别为最危险滑动面上诸力对滑动中心所产生的抗滑力矩和滑动力矩。SRMMK四、垫层材料选择及要求我们知道换填垫层地基的压力扩散角、地基承载力和地基变形等都与垫层材料类型有关，因此选择适宜的垫层材料是垫层设计重要的内容之一。垫层的承载力和模量宜通过试验或当地经验确定。当无试验资料或经验时，可分别参照表2·2—2选用。表2·2—2垫层承载力特征值和模量垫层材料类型承载力特征值fak（kPa）压缩模量Es（MPa）变形模量E0（MPa）碎石、卵石200~30030~50砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%~50%）200~25020~40土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%~50%）150~20015~40中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾150~20020~30粉质粘土130~1808~20石屑120~15020~30灰土200~25040~200粉煤灰120~1508~20矿渣200~30035~70二灰地基（石灰和粉煤灰）25:75200~30055~7020:8030~3715:8528~32注：①压实系数小的垫层，承载力特征值取低值，反之取高值；原状矿渣垫层取低值，分级矿渣或混合矿渣垫层取高值；②压实矿渣的E0/Es＝1.5~3.0；③二灰的配比“25:75”是重量比，相当于体积比3:7。换填垫层设计时，可参照上述不同材料垫层的力学特征，按照建筑需要选择垫层材料。此外，各类垫层材料还应符合下列要求：⑴砂石：宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45%），应级配良好（不均匀系数应大于5），不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石粉（粒径小于0.075mm的部分不超过总重的9%）时，应掺入不少于总重30%的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm。对于湿陷黄土地基，不得选用砂石等透水材料。⑵粉质粘土：土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。⑶灰土：体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜为粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂质粉土，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。⑷粉煤灰：可用于道路、堆场和小型建筑、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.3~0.5m。粉煤灰垫层中采用掺加剂时，应通过试验确定其性能及适用条件。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采用适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。⑸矿渣：垫层使用的矿渣是指高炉重渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑、构筑物地基。选用矿渣的松散重度不小于11kN/m3，有机质及含泥量不超过5%。设计、施工前必须对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符合安全规定后方可使用。作为建筑物垫层的矿渣应符合放射性安全标准要求。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。大量填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的环境影响。⑹其他工业废渣：在有可靠试验结果或成功工程经验时，对于质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等均可用于填筑换填垫层。被选用工业废渣的粒径、级配和施工工艺等应通过试验确定。⑺土工合成材料：由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋土垫层。所用土工合成材料的品种与性能及填料的土类应根据工程特性和地基土条件，按照现行国家标准《土工合成材料应用技术规范》GB50290的要求，通过设计并现场试验后确定。作为加筋的土工合成材料应采用抗拉强度较高、受力时伸长率不大于4%~5%、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工垫或土工织物等土工合成材料；垫层材料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质粘土等材料。当工程要求垫层具有排水功能时，垫层材料应具有良好的透水性。在软土地基土上使用加筋垫层时，应保证建筑稳定并满足允许的要求。公路一般路基填料选择应符合下列要求：⑴应优先选用级配较好的砾类土、砂类土等粗粒土作为填料。路床填料最大粒径应小于100mm；路堤填料最大粒径应小于150mm。⑵泥炭、淤泥、冻土、强膨胀土、有机质土及易溶盐超过允许含量的土等，不得直接用于填筑路基。冰冻地区的路床，以及浸水部分的路堤不应直接采用粉质粘土填筑。⑶当采用细粒土填筑时，路床、路堤填料最小强度应符合表2·2—5的要求。⑷液限大于50%、塑性指数大于26的细粒土，不得直接作为路堤填料。⑸浸水路堤应选用透水性良好的材料填筑。当采用细砂、粉细砂作填料时，应考虑振动液化的影响。⑹桥涵台背和挡土墙墙背应优先选用透水性良好的填料。在透水性材料缺乏的地区，采用细粒土填筑时，宜用石灰、水泥、粉煤灰等无机结合料进行处治。⑺膨胀性岩石、易溶性岩石、崩解性岩石和盐化岩石等均不应用于路堤填筑。⑻用于高速公路、一级公路路堤的粉煤灰，烧失量宜小于20%，烧失量超过标准的粉煤灰应作对比试验，分析论证后采用。五、压实方法和压实标准建筑地基垫层的压实方法及适用条件详见表2·2—3。垫层的压实标准可按表2·2—4选用。对工程量较大的换填垫层，应按所选用的施工机械、换填材料及场地的土质条件，宜通现场试验确定压实效果和压实参数。表