1、地基处理技术Technical of Soil Improvement 河南理工大学土木工程学院换填垫层技术placement cushion method第第2 2章章 换填垫层法换填垫层法2.1 概述（垫层法 ，褥垫法）2.2 换填垫层设计 2.3 垫层碾压施工2.4 质量检验2.5 换填垫层法处理地基工程实例2.1 2.1 概概 述述n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。n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。n换填法就是量大面广，简单、快速和经济的浅层处理方法。换填垫层法的概念 换填
2、垫层法是将基础底面下一定深度范围内不满足地基性能要求的土层（或局部岩石），全部挖出，换填符合地基性能要求的材料，然后分层夯实，作为基础的持力层。 换填垫层法按其换填材料的的功能不同又分为垫层法和褥垫法。 垫层法：以软换硬形成的垫层作为持力层，主要是 提高承载力和减少其变形量。 褥垫法：以硬换软形成垫层作为基础持力层，主要调整地基的压缩性，减少其不均匀变形。垫层法垫层法 当软弱土地基的承载力和变形无法满足工程要求，且软弱土层的厚度不大时，将软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂石、素土等性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求密实度的地基处理，又称为换土填层法。垫层法的作用垫层
3、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
4、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，可消除湿陷性黄土的湿陷性。垫层的分类及适用范围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
5、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。2.2 2.2 换填垫层的设计换填垫层的设计2.2.1 砂垫层设计2.2.2 素土和灰土层垫层设计2.2.3 褥垫层设计2.2.4 垫层材料的选用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）；：经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa） azzzfppcczpazfzp垫层底面处的附加压力
6、值pz可按压力扩散角进行简化计算 tgzbppbpcz2)(k)2)(2()(ktgzltgzbpplbpcz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2-1 砂垫层内应力分布czpzpkp2.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。bbztg2b: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 :
7、基底面积（m2)d ：基础埋深（m） ：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GdAFpGksEzpps2)(1例子例子2-12-1 某4层混合结构，承重墙240mm厚的砖墙，传至基础顶部的竖向力Fk=180kN,地基的表层为1.2m厚的杂填土，重度 17.5kN/m3；其下为7.8m厚的淤泥，含水量w=50%，承载力特征值fak=75kPa.地下水位深度为1.0m,基础埋深d=0.8m,试设计该墙基的砂垫层。计算步骤：
8、计算步骤：1）计算基础宽度和基底附加压力2）确定垫层底面淤泥的承载力3）计算垫层底面处的自重应力和附加压力4）验算垫层厚度5）确定垫层宽度d=0.8m1.0m垫层厚度Z杂填土基础宽度b淤泥垫层宽度b地下水位=17.5kN含水量w=50%承载力特征值f =75kPaak 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/m31.2m1.2m建筑地基基础设计规范（建筑地基基础设计规范（GB50007-2002GB50007-2002）1）计算基础宽度和基底压力)5 . 0() 3(adbffmdbakblGFAGFpfkkkkka
9、)5 . 0(adffmdak因为)( 1 .223)5 . 08 . 0(5 .174 . 4200akPakPakPafa)垫层的修正承载力特征值)(869.08.0201.223180mmdfFbGakb)基础宽度的确定Gk基础自重及基础上土重故取 b=1.0(m)c)基底附加压力假设垫层厚垫层厚Z=1.6mZ=1.6m,软弱下卧层顶面以上土的平均重度为：)5 . 0(azdffmdak)/(17.134 . 2104 . 1182 . 05 .178 . 03mkNm)(1828 . 05 .170 . 10 . 1208 . 00 . 10 . 118000kPadAGFpkk垫层底
10、面处经深度修正后的承载力特征值 指建筑物荷载引起的超出原有基底压力的压力增量.2）确定垫层底面淤泥的承载力特征值)(2 .1005 . 04 . 217.130 . 175azkPaf）（有效重度基底附加应力p0计算基础位于地面上时FpdpFpp 0dppm0基础位于地面下时建筑物修建前，土中存在自重应力。自重作用下的变形已稳定。只有地基附加压力才能引起附加应力和变形。3）计算垫层的底面处的自重应力和附加应力)(02.10052.9592.636 .31kPafkPappazczz）（)(92.63306 . 121182120kPatgtgzbbppozkPakPapcz6 .3110204
11、 . 1182 . 05 .178 . 0）（4）验算垫层厚度5）确定垫层厚度)(85. 2)30tan6 . 121 (2 mmztgbbo故取 b=3.0m2.2.2 素土和灰土垫层的设计 素土垫层：又叫土垫层 灰土垫层：石灰与土的比例2:8或者3:7 在湿陷性黄土地区使用比较广泛，处理深度为1-3m. 垫层厚度的确定方法同砂垫层，垫层宽度以下方法确定。czbtan2B2）整片垫层的处理范围，每边超出建筑物外墙基础边缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不应小于2m.1）局部垫层的平面处理范围，没边超出基础底边的宽度由 褥垫法是将基础地面下一定程度的范围内局部压缩性较低的岩石凿去，换填压缩性较大的
12、材料，然后分成夯实的垫层作为基础的持力层，是基础整个持力层的变形相互协调的地基处理的方法。 主要用来处理有局部岩层出露而大部分为土层的地基，一般用于条形基础的处理效果较好。2.2.3 褥垫法设计 褥垫的作用：调整地基的压缩性，改造压缩性低的地基，从而调整岩土交接部为地基的相对变形，避免该处发生应力集中。 褥垫的宽度去稍大于基底的宽度，不需另行计算。主要是根据地基的变形要求计算其厚度。褥垫层构造图褥垫层厚度的计算2sss12s1）确定褥垫的沉降量:地基土的沉降量shsz1:建筑物沉降差的允许值2s2）褥垫的厚度 Z 的计算zsEsz2hsEs:褥垫顶，底面的附加应力值:褥垫材料的压缩模量:褥垫材
13、料试样的高度:p-s曲线上褥垫所受压力的变形值2.2.4 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，机场建设等等换填垫层设计的总结n垫层材料 碎石，素土，灰土，矿渣，粉煤灰等n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。n铺设范围 满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边
14、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。n地基沉降计算 一般仅考虑下卧层沉降。2.3 2.3 垫层的碾压施工垫层的碾压施工2.3.1 2.3.1 压实机理压实机理2.3.2 2.3.2 压实方法压实方法2.3.3 2.3.3 施工要点施工要点2.3.1 2.3.1 土的压实机理土的压实机理 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
15、量。干密度与含水量的关系曲线（击实试验结果） 当粘性土含水量较小时，水化膜很薄，颗粒间引力大，在一定的外部压实功能作用下，还不能有效克服引力而使土颗粒相对移动么所以压实效果差；增加含水量时optw 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
16、时才能达到最大干密度。 3.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maxcddsoptswddw01. 01dmax：经验系数，粘土取0.95 粉质粘土取0.96 粉土取0.972.3.2 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
17、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、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，而且使侧向上部土料也受到挤压，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
18、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
19、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2.3.3 垫层施工注意事项u基坑保持无积水。u铺筑垫层材料之前，应先验槽。 u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。u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。l垫层底面应等高。 l人工级配砂石垫层，应先拌和均匀，再铺填捣实。 l垫层每层虚铺200
20、300mm，均匀、平整，严格掌握。 l垫层材料应采用最优含水率。l施工机械应根据不同垫层材料进行选择，如素填土宜用平碾或羊足碾 。l进行质量检验。 n干密度d 一般中砂 d不小于1.60g/cm3； 灰土 d不小于1.55g/cm3； 卵石 d 不小于1.90g/cm3。n压实系数 n一般要求: 压实系数为0.93-0.97之间。 d :垫层材料施工要求达到的干密度，g/cm3 dmax :垫层材料能够压密的最大干密度，由击实试验测定，g/cm3 2.4 垫层的质量检验dmaxcd1）对粉质粘土、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、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验；
21、对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验，并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。压实系数也可采用环刀法、灌砂法、灌水法或其他方法检验。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。3）竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3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。垫层的质量检验静聴有難！Thank you for your kind attention！土的击实性（压实性） 压实：压实：指通过夯打、振动、碾压等，使指通过夯打、振动、碾压等，使土体变得密实、以提高土的强度、减小土体变得密实、
22、以提高土的强度、减小土的压缩性和渗透性土的压缩性和渗透性压实性：压实性：指土在一定压实能量作用下密指土在一定压实能量作用下密度增长的特性度增长的特性研究击实性的目的：研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实以最小的能量消耗获得最大的压实密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三密度，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。者之间的关系和基本规律。 击实方法：击实方法：室内击实试验现场试验: 夯打、振动、碾压土土粘性土的击实性 饱和曲线饱和曲线 dmax=1.86wop=12.12.01.81.61.4干密度干密度 d(g/cm3)0 4 8 12 16
23、 20 24 28含水量含水量w(%)击实性曲线：特点：特点：具有峰值具有峰值位于饱和曲线之下位于饱和曲线之下 最大干密度最大干密度最优含水量最优含水量satdd)( 实践证明，土被击实到最佳情况时，饱和度一般在80%左右。 dw饱和线dmaxoptw影响因素1. 击实功能击实功能d 50 N30 N10 N max,dop,Econst d d E存在一个上界d,E,const 2. 土的级配土的级配 d 321constE 越小。越大，级配越好，其opmaxd 3. 3. 击实方式击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适 压实标准压实标准a. a.
24、 粘性土存在最优含水量粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的，在填土施工中应该将土料的含水量控制在含水量控制在op左右，以期得到左右，以期得到dmax，通常取，通常取 %)32(op b. b. 工程上常采用压实度工程上常采用压实度DcDc控制（作为填方密度控制标准）控制（作为填方密度控制标准）%100Dmaxdc 室内标准击实试验的填土的干密度、级土石坝级土石坝 Dc9598%Dc9598% 级土石坝级土石坝 Dc9295% Dc9295% 无粘性土的压实性无粘性土的压实性 击实曲线击实曲线d 20%20%特点特点不存在最优含水量；不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态在完全风干和饱和两种状态 下易于击实；下易于击实；潮湿状态下潮湿状态下d d明显降低明显降低。压实标准压实标准 常用相对密度控制常用相对密度控制 Dr0.70.75Dr0.70.75 施工过程中要么风施工过程中要么风干，要么就充分洒水，干，要么就充分洒水，使土料饱和使土料饱和
