换填垫层法.ppt

1、第二部分 换填垫层法,21 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

2、、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

3、，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

4、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。,22 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221（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

5、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221（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221（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。,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221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

6、。 pz pcz faz （221） 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222或式223计算。,条形基础 pzb(pkpc)(b2z tan) （222） 矩形基础 pzbl(pkpc)(b2z tan) (l2z tan) （223） 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）； 垫层的压力扩

7、散角（），宜通过试验确定，当无试验资料时，可按 表221采用。,三、垫层宽度要求 1对于换填垫层（图221(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： bb+2z tan （224） 式中 b垫层底面宽度（m）； b基础底面宽度（m）； 压力扩散角（），可按表221采用。当z/b0.25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221 压力扩散角（）,注： 当z/b0.25时，除灰土取28外，其余材

8、料均取0，必要时，宜由 试验确定； 当0.25z /b 0.5时， 值可内插求得.,2对于填筑垫层（图221(b)）和联合垫层（图221(c)），垫层顶面宽度应满足地基稳定性要求，即满足式225至式227的要求。 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 a3.5bd / tan （225） 矩形基础 a2.5bd / tan （226） 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）； 边坡的坡角（）。, 当基础底面外缘线至坡顶的水平距离不满足上

9、述要求时，可根据基底平均压力按公式227确定基础距坡顶边缘的距离和基础埋深。 当边坡坡角大于45、坡高大于8m时，尚应按公式227验算地基整体稳定性。 1.2 （227） 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。,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222选用。,表222 垫层承载力特征值和模量,注： 压实系数小的垫层，承载力特征值取低值，反之

10、 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； 压实矿渣的E0/Es1.53.0； 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： 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

11、石等透水材料。 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。 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。, 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0.30.5m。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

12、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。 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。 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

13、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。, 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

14、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： 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。 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。 当采用细粒土填筑时，路床、路堤填料最小强度应符合表225的要求。 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。 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。 桥涵台背和挡土墙墙背应优先选用透水性良好的填料。在

15、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。 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。 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223。垫层的压实标准可按表224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223 垫层压实方法及适用范围,表224 各种垫层的压实标准,注： 压实系数c为土的控制干密度d与最大干密度dmax的比值

16、；土 的最大干密度宜用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取 2.02.2t/m3； 当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 可取低值； 矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于2mm。,公路一般路基填料最小强度（CBR）、压实度应符合表225的要求。 表225 一般路基填料最小强度和压实度要求,注： 表列压实系数系按公路土工试验规程（JTJ051）中 重型击实试验所确定的最大干密度的压实度； 当三、四级公路铺筑沥青混凝土和水泥混凝土路面时， 其压实度应采用二级公路的规定值； 路堤采用特殊填料或处于特殊气候地区时，压实度标准 可根据试验路的状况在保证路

17、基强度要求的前提下适当 降低。,六、垫层设计与施工注意事项 1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邻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换填材料的重度大于天然土的重度时，宜早填，并应考虑其附加荷载对建筑及邻近建筑的影响。 垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。对于满足上述设计条件的垫层，可不考虑垫层自身的变形。对沉降要求严的或垫层厚度大的建筑，应计算垫层自身的变形。垫层本身的变形可按下式计算： （228） 式中 s1垫层本身的变形（mm）； pz基底附加压力（kPa）； 压力扩散系数； Es1垫层的压缩模量（MPa），宜由载荷试验确定。无试

18、验资料 时，可按表222选用。,2垫层的施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定，当不具备试验条件时，也可参照建工或水电部门的经验数值，按表226选用。除接触下卧土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200300mm。 对于存在软弱下卧层的垫层，应针对不同施工机械设备的重量、碾压强度、振动力等因素，确定垫层底层的铺填厚度，应既能满足该层的压密条件，又能防止破坏或扰动下卧土层的结构。 3. 室内和现场(载荷)试验证明：未浸水的粉煤灰垫层具有良好的物理力学特性和较高的强度，但垫层浸水湿润或处于地下水位以下时，会导致结构破坏，强度降

19、低（但不是直线发展趋势），其幅度为20%30%，压缩变形量增大约10%。因此，在工程设计和应用中，应考虑至粉煤灰垫层浸水饱和状态下强度的折减系数。,表226 垫层的分层铺填厚度及压实遍数,注：为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度。,4粉质粘土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在最优含水量wop2%的范围内；当采用振动碾压时，可适当放宽下限范围值，即最优含水量控制在（wop6%）（wop2%）的范围。粉煤灰垫层不应采用浸水饱和施工法，其含水量宜控制在最优含水量wop4%的范围内。对于砂石材料则可根据施工方法不同按经验控制适宜的施工含水量，即当用平板式振动器时可取15%20%；当用平碾或蛙式夯时可

20、取8%12%；当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压。 粉质粘土和灰土垫层的最优含水量wop可通过击实试验确定，也可按当地经验取用。当缺乏试验资料时，也可近似取液限值的0.6倍，或按照经验采用塑限wop2%的范围值作为施工含水量控制值。 5当垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均的部位时，应根据建筑对不均匀沉降的要求予以处理，并经验收合格后，方可铺填垫层。 6基坑开挖时应避免坑底土层扰动，可保留约300mm厚的土层暂不挖去，铺填垫层前再挖到设计标高。严禁扰动垫层下的软弱土层，防止其被践踏、受冻或受水浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置150300mm厚的砂垫层

21、或铺一层土工织物，以防止软弱土层表面的局部破坏，同时必须防止基坑边坡坍土混入垫层中。,7换填垫层施工应注意基坑排水，除采用水振法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采取降低地下水位的措施。 8垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。 粉质粘土及灰土垫层分段施工时，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。接缝处应夯压密实。灰土应拌合均匀，并应当天铺填夯实。灰土夯压密实后3d内不得受水浸泡。粉煤灰垫层铺填后宜当天压实，每层验收后应及时铺填上层或封层，防止干燥后松散起尘染，同时禁止车

22、辆碾压通行。 垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工及基坑回填。 9铺设土工合成材料时，下铺地基土层顶面应平整，防止土工合成材料被刺穿或顶破。铺设时应把土工合成材料张拉平直、绷紧，严禁有折皱；端头应固定或回折锚固；切忌曝晒或裸露；连结宜用搭接法、缝接法和胶结法，并应保证主要受力方向的连结强度不低于所采用材料的抗拉强度。,23 换填垫层质量控质及检验, 垫层施工常见质量通病及预防措施 垫层施工常见质量通病及预防措施如表231所示。,表231 垫层施工常见质量通病及预防措施, 垫层质量检验的基本规定 1垫层施工前及施工过程中，应对垫层原材料质量和成品材料质量进行检验或检查。严禁使用不合格材料。 原

23、材料的检验项目、批量和检验方法应符合国家现行有关标准的规定。例如土工合成材料以100m2为一批，每批应抽查5%。 2垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。 施工过程中应检查分层铺筑的厚度、分段施工时上下两层的搭接长度、夯实时加水量、夯实或压实遍数、压实系数。 3施工结束后，应检测垫层地基承载力。, 垫层质量验收项目及标准 1灰土地基的质量验收检查项目及标准应符合表232的规定。 表232 灰土地基质量验收检查项目及标准,2砂或砂石地基的质量验收检查项目及标准应符合表232的规定。 表232 砂或砂石地基质量验收检查项目及标准,3土工合成材料地基的质量验收检

24、查项目及标准应符合表233的规 定。 表234 土工合成材料地基质量验收检查项目及标准,4粉煤灰地基的质量验收检查项目及标准应符合表235的规定。 表235 粉煤灰地基质量验收检查项目及标准, 垫层地基质量检验数量要求 国家现行行业标准建筑地基处理技术规范（JGJ792002 J2202002）对垫层地基质量检验的数量规定如下：采用环刀法检验垫层施工质量时，取样点应位于每层厚度的2/3深度处。检验点数量，对大基坑每50100m2不应少1个检验点；对基槽每1020m不应少于1个点；每个独立柱基础不应少于1个点。采用贯入仪或动力触探检验垫层的施工质量时，每分层检验点的间距应小于4m。竣工验收采用载

25、荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3个点；对于大型工程则应按单体工程的数量或工程的面积确定检验点数量。 此外，国家现行标准建筑地基基础工程质量验收规范（GB50202）对垫层地基检验数量的规定如下：每单位工程不应少于3点，1000m2以上工程，每100m2至少应有1个点；3000m2以上工程，每300m2至少应有1个点。每一独立基础下至少应有1个点。基槽每20延米应有1个点。, 垫层质量检验方法简介 垫层质量检验的方法有很多，对于粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验可用环刀法、贯入仪法、静力触探法、轻型动力触探法或标准贯入试验法等；对于砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验。并

26、均应通过现场试验以设计压实系数所对应的贯入度为标准检验垫层的施工质量。压实系数也可用环切法、灌砂法、灌水法或其他有效方法检验。实际工作中可根据垫层材料类型及压实方法，参照表236选择适宜的垫层质量检验方法 对公路工程，除上述质量检验方法外，还有承载板法和强度仪法。用路面材料强度仪或其它载荷装置进行承载比（CBR）试验，用于测定各种土和路面基层、底基层材料的承载比（CBR）。承压板法和强度仪法可用于测定不同湿度和密度的细粒土垫层的回强弹模量。,24 处理特殊土或不良土地基的垫层 处理湿陷性黄土地基的垫层 现行国家标准湿陷性黄土地区建筑规范（GB500252004）规定：选择垫层材料和挤密处理湿陷

27、性黄土地基，不得使用盐渍土、膨胀土、冻土、有机质土等不良土料和粗颗粒的透水性好的材料（如砂、石等）作填料。 1当仅要求消除基底下13m湿陷性黄土的湿陷量时，宜采用局部（或整片）土垫层进行处理，当同时要求提高垫层土的承载力及增强水稳定性时，宜采用整片灰土垫层进行处理。 2地基处理范围与厚度应符合规范要求。 3垫层的最大干密度和最优含水量，应在工程场地采取有代表性的扰动土样采用轻型标准击实试验确定。垫层的施工质量，应用压实系数控制，并应符合下列规定： 小于或等于3m的土（或灰土）垫层，不应小于0.95； 大于3m的土（或灰土）垫层，其超过部分不应小于0.97。 4土（或灰土）垫层的承载力特征值，应根据现场原位（静载荷试验或静力触探等）试验结果确定。当无试验资料时，对土层不宜超过180kPa，对灰土垫层不宜超过250kPa。, 处理膨胀土地基的垫层 对于膨胀土地基，垫层主要适用于膨胀土层较薄或胀缩变形量不大的情况，目的在于消除或减小地基的膨胀性。现行国家标准膨胀土地区建筑技术规范（GBJ11287）规定： 1换土厚度可通过胀缩变形计算确定。垫层厚度应使地基剩余胀缩变形量控制在容许的范围内。 2平坦场地上、级膨胀土地基处理，宜采用