垫层法的作用、分类、设计及施工技术

1、垫层法的作用、分类、设计及施工技术软土层垫层 垫层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。 垫层法适用条件：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，且建筑物荷载不太大的地基。换填法的处理深度通常宜控制在3m以内较为经济合理，但不应小于0.5m。 31 垫层法分类 1.按垫层材料分类：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层、加筋土垫层等。 2.按垫层所起作用分类：换土垫层、排水垫层、加筋土垫层。32 垫层的作用1. 换土垫层(1)提高地基承

2、载力 地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着基底压力的增大而逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂或其它填筑材料代替软弱土层，就可提高持力层承载力，从而避免地基破坏。 在各类工程中，垫层所起的主要作用有时是不同的，如建筑物基础下的垫层主要是起换土作用；而在路堤和土坝等工程，主要是利用垫层起排水固结作用。 （2）减少地基沉降量 基础下地基浅层部分的应力较大，其沉降量一般在地基总沉降中所占的比例也较大，若以密实的砂或密实填筑材料代替浅层软弱土，就可减少地基的大部分沉降量。另外，由于密实垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层上的压力较小，因此也相应减少了下卧土层的沉降量。 （3）加速软弱土层的排

3、水固结 由于砂或碎石等垫层材料的透水性大，当软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力得以迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结，从而提高地基土强度。（4）防止地基土冻胀 由于粗颗粒垫层材料的孔隙较大，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。 2. 排水垫层 排水垫层是指软土地基上堤坝或大面积堆载基底等所铺设的水平排水层，一般采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑，必要时在垫层底和上表面增设具有反滤性能的土工合成材料，防止砂石垫层被淤堵和拉裂。 其主要作用为： （1）作为水平排水层和下卧软土层的排水通道，加速地基的排水固结，提高浅层地基的抗剪强度，配合砂井，加固

4、深部软土层； （2）约束软弱下卧层的侧向变形，提高地基的稳定性，并改善其变形性质。3. 加筋土垫层 加筋土垫层是指由砂、石和素土垫层中增设各种类型加筋材料组成的复合垫层。如加筋土垫层、土工格室垫层等。 其主要作用有以下三个方面： （1）扩散应力，使压缩应力分布均匀； （2）增强砂石垫层的整体性和刚度，减小不均匀沉降； （3）约束软弱土的侧向变形。33 换土垫层的设计一、砂垫层的设计 垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且应符合经济合理的原则。 设计内容:确定垫层断面合理的厚度和宽度。 对于有排水要求的垫层来说，除要求有一定厚度和宽度外，还需形成一个排水面，即在基础底面下设置厚度

5、为30cm的砂、砂石或碎石等透水性大的垫层，促进软弱土的固结，提高强度，以满足上部结构的要求。表达式为： czz faz faz 垫层底面处软弱 土层经深度修正后 的承载力特征值； cz 垫层底面处土的 自重应力； z 垫层底面处土的 附加应力。 1. 垫层厚度的确定p0zczzd 垫层厚度一般是根据垫层底面处软弱土层的承载力而确定的。垫层土 的 类 别bd淤泥和淤泥质土01.0人工填土，或e或者大于等于0.85的粘土01.0红粘土 含水比大于0.8 含水比小于等于0.800.151.21.4填土 压实系数大于0.95、粘粒含量大于10的粉土 最大干密度大于2.1t/m3的级配砂石001.52

6、.0粉土 粘粒含量大于10的粉土 粘粒含量小于10的粉土0.30.51.52.0e及IL均小于0.85的粘性土粉砂、细砂(不包括很湿与饱和时的稍密状态)中砂、粗砂、砾砂和碎石土0.32.03.01.63.04.4地基承载力修正：条形基础矩形基础垫层底面处的附加应力z ，按计算得：式中 p 基础底面平均压力(kPa)； c 基础底面标高处的自重应力(kPa)； l、b 基础底面的长度和宽度(m)； z 垫层的厚度(m)； 垫层的应力扩散角，按下表选取。垫层材料z/b中砂、粗砂、砾砂、碎石类土、石屑粘性土和粉土（8Ip14）灰土0.25206280.5030232. 垫层宽度的确定 垫层顶面宽度：

7、底宽确定后，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。 垫层底面宽度：需满足应力扩散和防止垫层向两侧挤出的要求。3.垫层承载力的确定 垫层承载力宜通过现场试验确定；当无试验资料时，可参考下表确定。施工方法换填材料压实系数c承载力特征值（kPa）碾压、振密或夯实碎石、卵石0.940.97200300砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%50%）200250土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%50%）150200中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾150200粉质粘土130180各种垫层的承载力特征值施工方法换填材料压实系数c承载力特征值

8、（kPa）碾压、振密或夯实石屑0.940.97120150灰土0.95200250粉煤灰0.900.95120150矿渣200300重锤夯实土或灰土0.930.95150200续表注：矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于2mm。4.沉降计算式中 s基础沉降量； s1垫层自身变形量； s2压缩层厚度范围内（自垫层底面算起）各土层压缩 变形之和。 对于碎石、卵石、砂夹石、砂和矿渣等粗粒换填材料的垫层由于在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小，因而在地基变形计算中，可以忽略该部分；但对于细粒材料，尤其是厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。 s1计算中，应力可取垫层顶面和底

9、面压力的平均值。一般砂垫层Es=2030MPa；粉煤灰则Es=820MPa，碎石、卵石为3050MPa。无论是地基还是垫层，其沉降计算均可传统分层总和法计算。 某砖混结构办公楼，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1.0m，承重墙传至基础的荷载F=180kN/m；地表为1.5m厚的杂填土，=16kN/m3，sat=17kN/m3；下面为淤泥层，sat=19kN/m3，地基承载力特征值fak=67kPa，地下水埋深1.0m。试设计基础的垫层。 【解】 垫层材料选中砂，并设垫层厚度z=1.5m，则垫层的应力扩散角=30 。例 题（2）垫层厚度的验算基础底面平均压力设计值p为：基底处的自重应力： c

10、=161.0=16 kPa垫层底面处的附加应力垫层底面处的自重应力: 经深度修正得地基承载力设计值faz（查表得深度修正系数d=1.1）:故满足强度要求，垫层厚度选定为1.5m合适。（3）确定垫层底宽b取b为3m，按1：1.5边坡开挖。二、土垫层设计 素土、灰土、二灰土总称土垫层。适于处理13m厚的软弱土层。 灰土：熟石灰与粉质粘土按2：8或3：7比例拌和。垫层强度随灰量的增加而提高。 2：8的灰土：当 时，其容许承载力也可达300kPa。 3：7灰土,当 时，其容许承载力可达300kPa以上。基础灰土垫层施工 软土地基上土垫层厚度的确定与砂垫层相同。 （1）对非自重湿陷性黄土地基上的垫层厚度

11、应保证天然黄土层所受的压力小于其湿陷起始压力值。 （2）对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。1. 厚度确定2.宽度确定 按照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。 式中 b 灰土顶面基础砌体宽度； z 灰土厚度。灰土垫层的宽度可取 （1）局部垫层：一般设置在矩形（或方形）基础或条形基础底面下，其平面处理范围，每边超出基础底面的宽度不应小于垫层厚度的一半。 （2）整片垫层：一般设置在整个建筑物（跨度大的工业厂房除外）的平面范围内。每边超出建筑物墙基础外缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不得小于2m。 1

12、.化学性质 粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，具有火山灰的特性，在潮湿条件下具有凝硬性，与二氧化硅，三氧化二铝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状结构，可提高粉煤灰的强度，降低压缩变形，增强抗渗性和水稳定性。 2. 物理性质 粉煤灰的压实曲线与粘性土相似，具有相对较宽的最优含水量区间，其干密度对含水量的敏感性比粘性土小，最优含水量易于控制。三、粉煤灰垫层垫层分类适用范围砂垫层多用于中小型工程的局部处理，适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。不适宜用于湿陷性黄土地基。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

13、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垫层分类及适用范围34 垫层施工一、土的压实机理 土一般由固体颗粒、水、空气组成。土中固、液、气三相组成的比例反映干湿、密实程度，对评价土的工程性质有重要意义，是垫层压实参数选择的依据。 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会出现“橡皮土”，不能增大土的密实度。对很干的土进行碾压，也不能把土充分压实。0 4 8 12 16 20 24 28含水量w(%)2.01.81.61.4干密度d(g/cm3)dmax=1.86wop=12.11.最优含水量

14、在干密度含水量曲线上干密度的峰值即为最大干密度，与之对应的含水量即为最优含水量。 （1）当粘性土的含水量较小时，水化膜很薄，以结合水为主，颗粒间引力大，在一定的外部压实功作用下，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差，土的干密度较小； （2）当增加土的含水量时，结合水膜逐渐增厚，颗粒间引力减弱，土粒在相同的压实功能下易于移动而挤密，压实效果提高，土的干密度也随之提高；2.干密度含水量曲线的物理意义 （3）当土中含水量增大到一定程度后，孔隙中开始出现自由水，结合水膜的扩大作用并不明显，颗粒间引力很弱，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，并随着含水量的继续增大，移动阻力逐渐增大，压实

15、效果反而下降，土的干密度随之减少。 3. 土的压实系数c式中 d 现场土的实际控制干密度； dmax土的最大干密度。 机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法三种。 （一）机械碾压法 机械碾压法是采用压路机、推土机、羊足碾、振动碾或其它压实机械来压实软弱地基土或分层填土垫层。常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的工程。二、垫层施工方法粘性土等软弱土杂填土砂土、碎石土、湿陷性黄土狭窄场地、边角平碾或羊足碾平碾振动碾或振动压实机蛙式夯实机土类和场地对碾压设备选用的影响压路机振动压路机多边轮振动压路机 轮胎碾羊足碾粘性土或粉土Sheepsfoot roller蛙式打夯机平板夯 施工步骤: 1.将拟建范围内一

16、定深度内的软弱土挖出至设计要求； 2.将底部土体碾压加固； 3.分层填筑，逐层加密。 施工参数：如施工机械、铺筑厚度、碾压遍数与填筑含水量等由工地试验确定。 为保证有效压实质量，碾压速度要有所控制，平碾控制在2.0km/h，羊足碾控制在3.0km/h，振动碾控制在2.0km/h。施工设备每层铺填厚度mm每层压实遍数平碾（812t）20030068（矿渣1012）羊足碾（56t）200350816蛙式夯（200kg）20025034振动碾（815t）600130068插入式振动器200500平板式振动器150250垫层每层铺填厚度及压实遍数 施工中，随层检验平均干密度、含水量。采用环刀法或贯入测

17、定法。每个基坑或100500m2设一个检验点。质量检验： 碾压法对表层地基加固深度一般可达23m。一般粘性土经表层压实处理，其地基承载力可达80100kPa。 重锤夯实法是用起重机械将夯锤（1530kN）提升到一定高度（2.54.5m），然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。（二）重锤夯实法 1. 施工顺序 重锤夯实宜一夯挨一夯顺序进行。在独立柱基基坑内，宜按先外后里的顺序夯击。同一基坑底面标高不同时，应按先深后浅的顺序逐层夯实。 （1）现场试夯； （2）夯击前应检查坑中土的含水量； （3）施工夯打工艺； （4）现场有边坡或邻近建筑物时，应当采用必要的防护措施。3.质量检验 不仅要检查施工记录

18、及试夯最后下沉量，而且要检查加固质量。基槽每30m一点，整片地基每100m2两点以上。经过重锤夯实的地基承载力可达100150kPa。2.施工要点 振动压实法是利用各种振动压实机，将松散土振压密实。 适用于处理无粘性土或粘粒含量少，透水性较好的松散杂填土地基。 振动压实机的工作原理是由电动机带动两个偏心块以相同速度反向转动而产生很大的垂直振动力。 压实效果：一般杂填土经振实后，地基承载力特征值可达100120kPa。(三)平板振动法 振动压实的效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，效果越好，但振动时间超过某一值后，振动引起的下沉基本稳定，再继续振动就不能起到进一步的压实作用。因

19、此，施工前需进行试振，得出稳定下沉量和时间的关系。 参考：对主要由矿渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾，振动时间约在1min以上；对含炉灰等细粒填土，振动时间约为35min，有效振实深度为1.21.5m。 振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两边，后振中间，其振实的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格，并辅以轻便触探试验检验其均匀性及影响深度。 1.垫层材料 砂石：颗粒级配良好、质地坚硬的砂石（砂料的不均匀系数不能小于5，以中粗砂为好，可在砂中掺入一定数量的碎石，但要分布均匀），不得含有草根、垃圾，含泥量应小于5，对具有排水要求的砂垫层宜控制在含泥量不大于3%。 灰土：土料宜用粉质粘土

20、，不宜使用块状粘土和砂质粉土，石灰宜用新鲜的消石灰。三、砂（砂砾、碎石）垫层施工 （1）施工机械应根据不同垫层材料进行选择，压实参数由现场试验确定。 （2）不同施工机具应采用不同的最优含水量，尤其对素土和灰土垫层应严格控制。 粉质粘土和灰土的施工含水量宜控制在最优含水量wop2%的范围内;粉煤灰宜控制在最优含水量wop4%范围内;砂石料，当用平板式振动器时可取15%20%，采用平碾或蛙式夯时可取8%12%，用插入式振动器时宜为饱和；对于碎石及卵石应充分浇水湿透后夯实。2.施工要点 （3）不良地质现象（如垫层下存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等），应先进行清理，然后再施工垫层。 （4）施工过程中严禁扰动垫层下卧的淤泥和淤泥质土等软弱土层。为避免坑底土层受到扰动，可保留约200mm厚的土层暂不挖去，待铺筑垫层前再挖