换填垫层法地基处理.doc

换填垫层法现场施工技术总结摘 要：当地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软土层的厚度又不是很大时，将地基底面以下处理范围内的软土层部分挖除一部分或全部挖除，然后分层换填强度较高的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无侵蚀性材料，并压实至所要求的密实度为止,这种地基处理方法即为换填垫层法。Abstract：When the foundation bearing capacity and deformation can not meet the design requirements, and the thickness of soft soil is not large, the substrate surface disposed within the soft soil section excavated part or all of the excavation, then stratified filling strength higher sand (crushed stone, soil, lime, slag, fly ash ) or other stable performance, five corrosive materials, and compacted to the desired density so far, this ground treatment method for replacement cushion method.关键词：垫层设计 垫层宽度 垫层材料10目录一、换填垫层法21.1、垫层的作用21.1.1、提高持力层的承载力21.1.2、减小沉降量21.1.3、加速软弱土层的排水固结31.1.4、防止冻胀31.1.5、消除冻胀土的涨缩作用31.2、换填法适用范围31.3、换填垫层设计31.3.1、垫层厚度的确认31.3.2、垫层宽度的确认51.3.3、垫层承载力的确定51.3.4、沉降计算61.3.5、垫层材料选用7参考文献：10正文：随着我国民经济持续高速的增长，各种基础设施的投入不断加大，土木工程得到了前所未有的发展。岩土工程作为其中最为重要的一个领域，遇到了很多新的课题。地基处理又是岩土工程中最为活跃且最具生命力的一个分支，近十余年来，土木工程建设的发展极大的推动了地基处理技术研究和应用水平水平的提高。我国幅员辽阔，软土及其他不良地基土分布范围非常广，加上上部结构物对地基变形要求越来越严，因此，地基处理技术在土木工程建设中的应用越来越广。地基是指承受建筑物荷载的地层，地基所面临的问题主要有以下四个方面：（1） 承载力及稳定性问题。当地基的抗剪强度不足以支承上部结构的自重及外荷载时，地基就会产生局部或整体剪切破坏。（2） 沉降、水平位移及不均匀沉降问题。当地基在上部结构的自重及荷载作用下产生过大的变形时，会影响结构物的正常使用，特别是超过建筑物所能容许的不均匀沉降时，结构可能开裂破坏。沉降量过大时，不均匀沉降往往较大。（3） 地基的渗透量或水力坡降超过容许值时，会发生水量水量损失，或因潜蚀和管涌而可能导致失事。（4） 地震、机器以及车辆的震动、海浪作用和爆破等动力荷载可能引起地基土，特别是饱和无粘性土的液化、失稳和震陷等危害。这类地基问题也可能分别概括于上述稳定和变形问题中，只不过它是由动力荷载引起的。在土木建设工程中，当天然地基不能满足建筑物对地基要求时，需要对天然地基进行加固改良，形成人工地基，以满足建筑队地基的要求，保证其安全与正常使用。地基处理的目的是利用换填、夯实、挤密、排水、胶结、加筋和热学等方法对地基土进行加固，用以改良地基土的工程特征，主要表现在以下几个方面。（1） 提高地基土的抗剪强度，地基的剪切破坏表现在：建筑物的地基承载力不够；偏心荷载及侧向土压力的作用使建筑物失稳；填土或建筑荷载使临近地基土产生隆起；土方开挖时边坡失稳；基坑开挖时坑底隆起。地基的剪切破坏反映地基土的抗剪强度不足，因此，为防止剪切破坏，就需要采取一定措施已增加地基土的抗剪强度。（2） 降低地基土的压缩性，地基土的压缩性表现在：建筑物沉降或者差异沉降较大，由于有填土或建筑荷载，地基会产生固结沉降；作用于建筑基础的负摩擦力引起建筑的沉降；大范围地基的沉降和不均匀沉降；基坑开挖引起临近地面沉降；降水是地基产生固结沉降。地基的压缩性反应在地基土的压缩模量指标的大小。因此，需要采取措施以提高地基土的压缩模量，从而减少地基的沉降或者不均匀沉降。（3） 改善地基土的透水特征，地基土的透水性表现在：堤坝等基础产生的地基渗漏；基坑开挖过程中，因土层内夹粉砂或粉土而产生流砂和管涌。这些都是地下水运动中所出现的问题，必须为此采取措施使地基土降低透水性和减少其水压力。（4） 改善地基的动力特征，地基的动力特征表现在：地震时饱和松散粉细砂（包括部分粉土）将产生液化；由于交通荷载或打桩等原因，临近地基产生震动下沉。为此，需要采取措施防止地基液化，并改善其振动特征以提高地基的抗震性能。本文主要就施工一线使用最为简单、广泛的换填垫层法进行研究，但愿能给奋斗在航道建设一线的同行提供一点点帮助，因为土力学是一个极为复杂的学科，很多公式都带有经验主义，在某些特定环境并不一定适用，还恳请各位同行提出本文的不足，大家共同进步。一、 换填垫层法当地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软土层的厚度又不是很大时，将地基底面以下处理范围内的软土层部分挖除一部分或全部挖除，然后分层换填强度较高的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定，五侵蚀性材料，并压实至所要求的密实度为止这种地基处理方法即为换填垫层法。1.1、 垫层的作用1.1.1、 提高持力层的承载力通过应力扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小1.1.2、减小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很大的，以条形基础为例，在相当于基础跨度深度范围内的沉降量约占总沉降量的50%，如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就可以减小这部分的沉降量。砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层的压力减小，这样也会相应减小下卧土层的沉降量。1.1.3、加速软弱土层的排水固结不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载作用下，在软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排除，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的空隙水压力，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，垫层可以作为良好的排水面，使基础下面的空隙水压力迅速消散，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。1.1.4、防止冻胀 因为粗颗粒的垫层材料空隙大，不易产生毛细现象，因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀。这时，砂垫层的底面应该满足当地冻结深度要求。1.1.5、消除冻胀土的涨缩作用在各类工程中，垫层所起的作用有时也是不同的，对冻胀土地基而言主要是消除冻胀土的涨缩作用。1.2、换填法适用范围换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基等浅层处理。通常基坑开挖后，利用分层回填压实，也可以处理较深的软弱土层，但经常由于地下水位高而需要采取降水措施；坑壁放坡占地面积大或者需要基坑支护，以及施工土方量大、弃土多等因素，从而使处理费用增加、工期拖长、因此换填垫层的处理深度通常宜控制在3米以内，但不宜小于0.5米，如果换填垫层太薄，则换填垫层的作用也不显著。1.3、换填垫层设计1.3.1、垫层厚度的确认垫层厚度z(见图1)应根据需要置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合式（11）的要求。Pz+pczfaz (11)式中：pz相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kpa）; Pcz垫层底面处土的自重应力值（kpa）fcz垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kpa）垫层厚度不宜小于0.5米，也不宜大于3米。图1 垫层内应力分布垫层底面处的附加应力值pz可以分别按式（12）、式（13）进行简化处理。对于条形基础 （12） 对于矩形基础 (13)式中：b矩形基础或者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值（kpa）;pc基础底面土的自重压力值；z基础底面下垫层的厚度（m）;垫层的压力扩散角，易通过试验确定，工地现场无条件时，可以按表（1-1）选用表1-1压力扩散角Z/b换填材料中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、乱石、碎石、矿渣粉质粘土灰土0.25200602800.50300230280注：、z/b0.25时，除灰土取=280外，其余材料=00，必要时，可以用试验。、0.25z/b0.5时，值可以通过内插法求得。1.3.2、垫层宽度的确认垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散角的要求，可以按下式确定。b/b+2ztan (14)式中：b/垫层底面宽度； 压力扩散角，可以按照表1-1采用；整片垫层底面的宽度可以根据施工要求适当加宽。垫层顶面宽度可以从垫层底面两侧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。1.3.3、垫层承载力的确定经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不够完善，垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定。当无试验资料时，可以按照表1-2选用，并验算下卧层的承载力。表1-2 各种垫层的承载力施工方法换填材料类别压实系数c承载力特征值fak/kpa碾压、振密或重锤夯实碎石、乱石0.940.97200300砂夹石（其中碎石、乱石的质量分数为30%-50%）200250土夹石（其中碎石、乱石的质量分数为30%-50%）150200中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾150200粉质粘土130180灰土0.930.95200-250粉煤灰0.900.95120150石屑120150矿渣200300注：、压实系数c为土的控制干密度pd与最大干密度pdmax的比值，土的最大干密度采用击实试验确定，碎石或乱石的最大干密度可取2.02.2t/m3; 、采用轻型击实试验时，压实系数c宜取高值；采用重型击实试验时，压实系数c可以取低值。、矿渣垫层的压实系数为最后两遍压实的压陷差小于2mm;、压实系数小的垫层，承载力特征值取高值，反之取低值；、原状矿渣垫层取低值，分级矿渣或矿渣垫层取高值。1.3.4、沉降计算对于垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地基变形计算时应考虑临近基础应考虑临近基础对软弱下卧层顶面应力叠加影响。当超出原地面标高的垫层或者换填材料重度高于天然土层重度时、宜早换填，并考虑其附加荷载对建筑及临近建筑的影响。垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。粗粒换填材料的垫层在满足上述要求的前提下，在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小，垫层地基变形可以尽考虑下卧层的变形。但是由于细粒材料的尤其是厚度较大的换填垫层或对沉降要求严格的建筑，应计算垫层自身变形，有关垫层的模量在工地无试验条件时可以根据下表1-3选用。表1-3 垫层数量垫层材料压缩模量Es变形模量E0粉煤灰8-20砂20-30碎石、乱石30-50矿渣3570注：压实矿渣E0/Es,比值按照1.53取用。垫层下卧层的变形量可按现行国家标准建筑地基基础设计规范GB50007的有关规定计算。下卧层顶面承受换填材料本身的压力超过天然土层压力较多的工程，地基下卧层将产生较大的变形。如工程条件许可，宜尽早换填，以使由此引起的大部分地基变形在上部结构施工之前完成。1.3.5、垫层材料选用（1）砂石砂石是良好的换填材料。砂石垫层材料宜选用碎石、乱石、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，不含植物残体、垃圾等杂质。对具有排水要求的砂垫层宜控制含泥量不大于3%。当使用粉细砂作为换填材料时，应改善材料的级配状况，在渗入不少于总量30%的碎石或乱石使颗粒不均匀系数不小于5，并拌合均匀后，方可用于铺填垫层。砂石的最大粒径不宜大于50mm,并通过实验确定需铺厚度、振捣遍数、振捣功率等技术参数。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。开挖基坑时应避免坑底土层扰动，可以保留200mm厚土层暂不挖去，待铺砂前再挖至设计标高。如有浮土，必须清除。当坑底为饱和软土时，须在与土接触处铺一层细沙起反虑作用，其厚度不计入砂石垫层设计厚度内。砂石垫层施工一般可采用振动碾或振动 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，也可以根据施工方法的不同控制最优含水量。用平板振动器时，最优含水量为15%20%；用平碾或蛙式夯时，最优含水量为8%12%；当采用插入式振动器时，宜对饱和的碎石、卵石或矿渣洒水湿润后进行机械压实。同一建筑下砂垫层设计厚度不同时，顶面标高应相同，厚度不同的砂石垫层搭接处或者分段施工的交界处，与做成踏步或者斜坡，加强捣实，并酌量增加质量检查点。(2)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，不得夹有砖、砖和石块等渗水材料，当含有碎石时，粒径不宜大于50mm。当采用用粉质粘土大面积换填并使用大型机械夯压时，土料中的碎石粒径可以稍大于50mm，但不宜大于100mm,否则将影响垫层的夯压效果。（3）灰土灰土的体积配合比宜为2：8或3:：7。土料宜采用粉质黏土，不宜采用块状黏土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm.,灰土强度随图中黏粒含量增高而增大，塑性指数小于4的粉土中黏粒含量太少，不能达到提高灰土强度的目的，因而不能用于搅拌灰土。石灰宜采用新鲜的消石灰，其颗粒粒径不得大于5mm。（4）粉煤灰可用于道路、堆场、和小型建筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.30.5m。粉煤灰垫层中采用外加剂时，应通过实验确定其性能及使用条件。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。粉煤灰垫层中金属构件、管网宜采用简单的防腐措施，大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。（5） 矿渣垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，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