换土垫层法地基处理垫层设计及垫层施工

1、地基处理技术Technical of Soil Improvement 河南理工大学土木工程学院换土垫层法placement cushion method换土垫层法地基处理垫层设计及垫层施工1 概述2 土的压实机理3 垫层设计 4 垫层施工5 质量检验6 工程实例3.1 概 述地基处理从处理深度上可分为浅层处理和深层处理，浅层处理一般认为处理深度大致在地面以下5m深度以内。浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料。换填法就是量大面广，简单、快速和经济的浅层处理方法。换土垫层法的概念 当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物对地基的要求，而软弱土层的厚度又不

2、是很大时（一般小于5米），可以将基础底面一下软弱土层部分或全部挖去，然后换填强度较高的砂石或其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止。 换土垫层：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、矿渣垫层、粉煤灰垫层等。砂石垫层的计算方法进行计算垫层法的作用：1）提高地基承载力：浅基础地基承载力与基础下土层的抗剪 强度有关。换填法以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料代替较软弱的土。2）减少沉降量：一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例较大的。条形基础在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量的50%左右。采用换填法可减少这部分的沉降量。此外垫层对应力的

3、扩散作用，也会减小下卧土层的沉降量。 3）加速软弱土层的排水固结：建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，不利于地基中水的排出。换填用的垫层透水性强，能加速基础下面的孔隙水压力消散。4）防止冻胀：垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。5）消除地基的湿陷性和胀缩性：对与湿陷性黄土地基，采用灰土或素土置换可消除或减轻地基的湿陷变形。同理非膨胀性材料置换膨胀土，可消除或减轻地基的胀缩性。 垫层法适用于适用于浅层地基处理，包括淤泥、杂填土、等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。还适用于一些地域性特殊土的处理：用于消除膨胀土地基的胀缩作用，可消除湿

4、陷性黄土的湿陷性。垫层的分类及适用范围垫层分类适用范围砂(砂石、碎石)垫层 多用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理，适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。素土垫层 适用于中小型工程及大面积回填、湿陷性黄土地基的处理。灰土垫层 适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地基的处理。粉煤灰垫层 适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等大、中、小型工程的大面积填筑。矿渣垫层 适用于中小型建筑工程，尤其适用于地坪、堆场等工程大面积的地基处理和场地平整。但对于受酸性或碱性废水影响的地基不得采用矿渣垫层。 土的压实机理就是对土体的碾压与夯实使填土或地基表层疏松土孔隙体积减小，密实度提高，从而降低土

5、的压缩性，提高其抗剪强度和承载能力，减少透水性，经过处理的的表层软弱土能承担较大的荷载。3.2 土的压实机理 大量工程实践和试验研究表明，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会出现“橡皮土”，不能增大其密度。对很干的土机型碾压（夯实）也不能充分夯实。 控制土的压实效果的主要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。土的击实性（压实性） 压实：指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性压实性：指土在一定压实能量作用下密度增长的特性研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的

6、压实密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三者之间的关系和基本规律。 击实方法：室内击实试验现场试验: 夯打、振动、碾压土干密度与含水量的关系曲线（击实试验结果） 1.最优含水量 对粘性土，当压实功能和条件相同时，土的含水量过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水量调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。 在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水量，称为最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。2.粘粒含量的影响 相同压实功能对于不同的试料的压实效果也不同，粘粒含量较多的土，土颗粒间引力就越大，只有比较大的含水量时才能达到最大干密度。 3

7、.压实功能的影响 对于同类土，随着压实功能的变化，最大干密度和最优含水量也随之变化。 当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大； 反之，干密度较大，对应的最优含水量则较小。4.土的压实参数经验系数，粘土取0.95 粉质粘土取0.96 粉土取0.975.压实方法1. 机械碾压法 顾名思义，用机械自重把松散土地基压实加固。常用于地下水位以上大面积填土压实及一般非饱和粘性土和杂填土地基的浅层处理。2.平板振动法 用振动压实机械在地基表面施加振动力以振实浅层松散地基处理方法。使地基土的颗粒受振动，移动至稳固位置，减小土的孔隙而压实。 实践证明：用振动压实法处理砂土地基以及碎石

8、、矿渣等渗透性较好无粘土为主的松散填土地基效果良好。振密后的地基是有较强的抗震能力。3.重锤夯实法 将重锤提到一定高度，用自由落下的冲击能来夯实浅层地基。经过多次重复提起、落下，地基表面形成一层较为均匀密实的硬壳层，从而提高了地基强度。经过重锤夯实的地基承载力可通过静荷载试验确定，一般可达100150kPa。羊脚碾： 羊脚碾的羊脚插入土中，不仅使羊脚底部的土料受到压实，而且使侧向上午土料也受到挤压，从而达到均匀的压实效果。羊脚碾仅适用于压实粘性土料和粘土，不适合压非粘性土。土料压实层在一定深度的范围内，可以获得较高的压实干表观密度，但土体的干表观密度沿深度方向的分布不均匀。羊脚碾的独特优点是能

9、够翻松表面土层，可省去刨毛工序，保证了上下土层的结合质量。此外，羊脚碾还能起到混合土料的作用，可以使土料级配和含水量比较均匀。羊脚顶端接触应力的过大或过小，都会降低碾压效果。气胎碾：气胎碾适用于压实粘土料，也适合于压实非粘性土料，如粘性土、粘土、砂质土和沙砾料等，都可以获得较好的压实效果。气胎碾的充气轮胎，在压实过程中具有一定的弹性，可以和压实的土料同时发生变形，轮胎与土料的接触应力，主要取决于轮胎的充气压力，与轮胎的荷载大小无关。振动碾：振动碾是一种以碾重静压和振动力共同作用的压实机械，较之没有振动的压实机械，土中应力可提高45倍，因而它能有效地压实堆石体、砂砾料和砾质土；也可用与压实粘性土

10、和粘土。夯实机械（重锤） ： 夯板使用于压实沙砾料、砾质土和粘性土，也可用于压实粘土。羊脚碾碾压PY220C-2液力驱动自行式平地机振动压路机重捶夯实法三种处理方法的作用原理及适用范围3.3 垫层的设计主要内容： 垫层设计不但满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且符合经济合理的原则，应根据建筑物体型、结构特点、荷载性质、岩土工程条件、施工设备及填料性质和来源进行综合分析设计。 确定断面的合理厚度和宽度 要有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够宽度防止垫层向侧向挤出。2.2.1 砂垫层厚度的设计：垫层底面处的附加应力设计值（kPa）;：垫层底面处土的自重压力值（kPa）；：经深度

11、修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa） 垫层底面处的附加压力值可按压力扩散角进行简化计算 条形基础： 矩形基础： 要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。1.垫层厚度确定图3-2 砂垫层内应力分布2.垫层宽度的确定 垫层宽度应满足基础底面应力扩散和防止向两侧挤出的要求。:垫层底面宽度(m)； :垫层的压力扩散角，可按表2.1-1采用 满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边宜超出基础300mm, 按经验从垫层底面两侧向上放坡。P :基地平均有效压力（kPa)Fk :基础顶面的竖向承载力值（kN）A : 基底面积（m2)d ：基础埋深（m）

12、：回填土与基础的混合重度 ：基底压力扩散系数 对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形计算。 建筑物基础沉降等于垫层自身的变形量S1与下卧土层的变形量S2之和。4) 沉降计算3) 垫层承载力的确定例子：某砖混结构办公楼，承重墙为条形基础。宽b=1.4,基础埋深d=1.5m,传至基础顶部的竖向力F=250kN,地基的表层为1.8m厚的杂填土，容重为 ；其下为的淤泥，含水量w=50%， 承载力特征值fak=80kPa.地下水位深度为1.5m,试设计该基础的砂垫层。解：1）垫层材料选用碎石，设垫层厚度z=1.8,z/b=1.8/1.4=1.290.5,压力扩散角30。 2）垫层厚

13、度验算：基础底面以下平均压力：基底面处自重应力： 条形基础是基础的长度大于或等于10倍基础宽度的一种基础形式，按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础.重度：20kN/m31.8m承载力特征值fak=80kPad=1.5m1.5m垫层底面处附加应力：垫层底面处的自重应力：经过深度修正淤泥的地基承载力特征值因为验算垫层厚度确定垫层宽度故取 b=3.6m，按照1:1.5边坡开挖建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）垫层材料的选用 砂石,粉质粘土,灰土,粉煤灰,矿渣,其他工业废渣,土工合成材料,聚苯乙烯(EPS)聚苯乙烯(EPS)： 在软弱地基的填土工程中，有时采用垫层材料的密度大，难以满

14、足设计要求。这时采用EPS，可有效减少作用在地基上的荷载，借以取得设计和施工上的良好效果。 可用于公路及铁路路堤，桥头，挡土墙，机场建设等换填垫层设计的总结垫层材料 碎石，素土，灰土，矿渣，粉煤灰等垫层厚度 要求垫层底面处自重应力与荷载作用下产生的附加应力之和不大于同一标高处的地基承载力标准值，一般0.5-3m。铺设范围 满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm或按经验从垫层底面两侧向上放坡。地基沉降计算 一般仅考虑下卧层沉降。垫层施工注意事项基坑保持无积水。铺筑垫层材料之前，应先验槽。 施工中必须避免扰动软弱下卧层的结构，防止降低土的强度、增加沉降。如采用碎石或卵石垫层，宜先铺一层1520cm的砂垫层作底面，用木夯夯实，以免坑底软弱土发生局部破坏。3.4 垫层施工垫层底面应等高。 人工级配砂石垫层，应先拌和均匀，再铺填捣实。 垫层每层虚铺200300mm，均匀、平整，严格掌握。 垫层材料应采用最优含水率。施工机械应根据不同垫层材料进行选择