1、山东科技大学 王清标3.1 概述概述3 换填垫层法换填垫层法3.1.1换填垫层法概念与应用换填垫层法概念与应用 换填垫层法也称为换填法，是指当软弱土地基的承载力和变形满足不换填垫层法也称为换填法，是指当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，而了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面以下处理，将基础底面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填分层换填强度较大的砂、碎石、强度较大的砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、高炉干渣等素土、灰土、粉煤灰、高炉干渣等强度较大、性能稳定和无侵蚀性强度较大、性能稳定和无侵
2、蚀性的材料，的材料，并分层夯实（或振实）至要求并分层夯实（或振实）至要求密实度密实度。还包括：平整场地和道路路基填。还包括：平整场地和道路路基填注等。注等。山东科技大学 王清标3.1.2 换填垫层法分类换填垫层法分类按回填材料：按回填材料：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰二灰二灰土二灰土 -简介简介.ppt.ppt垫层垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。、干渣垫层和粉煤灰垫层等。按施工机械：重锤夯实法，机械碾压法和振动压实法按施工机械：重锤夯实法，机械碾压法和振动压实法 。3.1.3 换填垫层法适用范围换填垫层法适用范围 换填垫层法
3、换填垫层法 适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。主要用于淤适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。主要用于淤泥、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。处理。处理深度常控制在处理深度常控制在3 35m5m范围以内。若换土垫层太薄，其作用不甚明范围以内。若换土垫层太薄，其作用不甚明显，因此显，因此处理深度也不应小于处理深度也不应小于0.5m0.5m。换填法各种垫层的适用范围见表。换填法各种垫层的适用范围见表2.12.1山东科技大学 王清标表表3.1 3.1 各种垫层的适用范围各种垫层的适用范围垫层分类及其实
4、用性垫层分类及其实用性山东科技大学 王清标3.2 加固机理加固机理3.2.1 垫层的作用垫层的作用1 1）提高浅层地基承载力）提高浅层地基承载力2 2）减少地基的变形量）减少地基的变形量3 3）加速软土层的排水固结）加速软土层的排水固结4 4）防止土的冻胀：）防止土的冻胀：毛细现象毛细现象5 5）消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性）消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性3.2.2 土的压实原理土的压实原理1）土的压实原理）土的压实原理 粘性土含水量（以质量分数计）较小时，水化膜很薄，颗粒间引力粘性土含水量（以质量分数计）较小时，水化膜很薄，颗粒间引力大，压实效果差。大，压实效果差。增加土含水量时，
5、结合水膜逐渐增厚，颗粒间引力减弱，土粒在相增加土含水量时，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，土干密度也随之提高。同的压实功能下易于移动而挤密，压实效果提高，土干密度也随之提高。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，但是，自由水充填在孔隙中，阻的扩大作用并不明显，颗粒间引力很弱，但是，自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，病随着含水量的增大二阻力逐渐增大，压实效果下降，止了土粒间的移动，病随着含水量的增大二阻力逐渐增大，压实效果下
6、降，土干密度减少。土干密度减少。山东科技大学 王清标2）最优含水量最优含水量干密度d/g.cm含水量w/%粗砂粉质粘土粘土含水量w/%cbda干密度d/g.cm现场碾压与室内击实试验的比较现场碾压与室内击实试验的比较a-碾压碾压6遍；遍；b-碾压碾压12遍；遍；c-碾压碾压24遍；遍；d-室内击实试验室内击实试验 。砂土和粘土的压实曲线砂土和粘土的压实曲线 最大干密度最大干密度必须是针对必须是针对某一特定的某一特定的压实功能而压实功能而言的。言的。山东科技大学 王清标dmaxdc/sopswdmax.01.01.dwd施工含水量施工含水量:压实系数压实系数:土的最大干密度土的最大干密度（p 1
7、5）:山东科技大学 王清标3.3 垫层设计计算垫层设计计算3.3.1 垫层的厚度确定垫层的厚度确定azczzfpp条形基础：条形基础：tan.2)(zbppbpckz矩形基础：矩形基础：)tan2)(tan2()(zlzbppblpckz图图3.3 垫层内应力分布垫层内应力分布 砂垫层的厚度一般是根据垫层底部软弱砂垫层的厚度一般是根据垫层底部软弱土层的承载力和建筑物对地基的变形要求土层的承载力和建筑物对地基的变形要求来确定的。即作用在砂垫层底面处土的自来确定的。即作用在砂垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于软弱土层的重应力与附加应力之和不大于软弱土层的容许承强力容许承强力山东科技大学 王
8、清标3.3.23.3.2垫层的宽度确定垫层的宽度确定b垫层底面宽度；垫层底面宽度；垫层扩散角。垫层扩散角。构造要求：垫层顶面每边宜超出边底不小于构造要求：垫层顶面每边宜超出边底不小于300mm，或按经验进行，或按经验进行放坡。放坡。垫层宽度应以满足基础底面压力扩散和不破坏垫层垫层宽度应以满足基础底面压力扩散和不破坏垫层侧面土质为原则进行设计：侧面土质为原则进行设计：tan2zbb压力扩散角压力扩散角山东科技大学 王清标3.3.3 垫层承载力的确定垫层承载力的确定 垫层承载力宜通过现场载荷试验确定。当无试验资料时，可按规范选用，并应进垫层承载力宜通过现场载荷试验确定。当无试验资料时，可按规范选用
9、，并应进行下卧层承载力的验算。行下卧层承载力的验算。各种垫层的承载力各种垫层的承载力山东科技大学 王清标3.3.4 沉降计算沉降计算ssssed)(5.1imzsidhEsieheees1211)(31zyxm山东科技大学 王清标垫层模量：垫层模量：山东科技大学 王清标3.3.5 垫层材料的选用垫层材料的选用1）砂石）砂石 宜用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于宜用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm部分不部分不超过总重超过总重45%），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石粉），应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂
10、或石粉（粒径小于（粒径小于0.075mm部分不超过总重部分不超过总重9%）时，应掺入不少于总重）时，应掺入不少于总重30%碎石或卵石。碎石或卵石。砂石最大粒径不宜大于砂石最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄上地基，不得选用砂石等透水材料。对湿陷性黄上地基，不得选用砂石等透水材料。2）粉质粘土）粉质粘土3）灰土）灰土 灰土体积配合比宜为灰土体积配合比宜为28或或37。4）粉煤灰）粉煤灰5）矿渣）矿渣6）其他工业废渣）其他工业废渣7）土工合成材料）土工合成材料山东科技大学 王清标3.4 换填垫层法施工技术换填垫层法施工技术机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法。应根据不同的换填材料选择。机械碾压法、重
11、锤夯实法和振动压实法。应根据不同的换填材料选择。3.4.1 施工方法施工方法1）机械碾压法）机械碾压法 常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程。常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程。施工设备有平碾、振动碾、羊足碾、振动压实机、蛙式夯、插入式施工设备有平碾、振动碾、羊足碾、振动压实机、蛙式夯、插入式振动器和平板振动器等。振动器和平板振动器等。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可采粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯，砂石等宜用振动碾，粉煤灰宜采用平碾，振动碾、用蛙式夯、柴油夯，砂石等宜用振动碾，粉煤灰宜采用平碾，振动碾、平板振动器，
12、蛙式夯。平板振动器，蛙式夯。矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。山东科技大学 王清标 为了保证有效压实深度，机械碾压速度控制范围为：平碾为为了保证有效压实深度，机械碾压速度控制范围为：平碾为2km/h；羊；羊足碾足碾3km/h；振动碾；振动碾2km/h；振动压实机；振动压实机0.5km/h。垫层的每层铺填厚度和压实遍数垫层的每层铺填厚度和压实遍数山东科技大学 王清标2）重锤夯实法）重锤夯实法 用起重机将夯锤提升到某一高度，然用起重机将夯锤提升到某一高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。适用于地下水位距
13、地表适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土。分层填土。山东科技大学 王清标3）平板振动法）平板振动法处理无粘性土或粘粒含量少、透处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好松散杂填土地基。水性较好松散杂填土地基。工作原理工作原理:由电动机带动两个偏心由电动机带动两个偏心块以相同速度反向转动，由此产生块以相同速度反向转动，由此产生较大垂直振动力。较大垂直振动力。振动机频率振动机频率11601180r/min振幅为振幅为3.5mm激振力激振力50100kN。振动压实机振动压实机山东科技大学 王清标打夯机蛙式打夯机山东科技
14、大学 王清标压实机蛙式打夯机山东科技大学 王清标山东科技大学 王清标3.4.2 砂石垫层施工砂石垫层施工 1）砂石垫层材料）砂石垫层材料 选择选择 2）施工要点）施工要点 宜采用振动碾和振动压实机等机具，其压实效果、分层铺填厚度、压实遍宜采用振动碾和振动压实机等机具，其压实效果、分层铺填厚度、压实遍数、最优含水量等，应通过现场试验确定。数、最优含水量等，应通过现场试验确定。平板式振动器时，施工含水量平板式振动器时，施工含水量15%20%；平碾或蛙式夯时可取；平碾或蛙式夯时可取8%12%；当用插入式振动器时，宜为饱和的碎石、卵石。当用插入式振动器时，宜为饱和的碎石、卵石。垫层底部存在古井、古墓、
15、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均的部位时，应垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均的部位时，应先予清理，再用砂石或好土逐层回填夯实，经检查合格后，再铺填垫层。先予清理，再用砂石或好土逐层回填夯实，经检查合格后，再铺填垫层。严禁扰动垫层下卧的淤泥和淤泥质土层，防止践踏、受冻、浸泡或暴晒过严禁扰动垫层下卧的淤泥和淤泥质土层，防止践踏、受冻、浸泡或暴晒过久。在卵石或碎石垫层的底部宜设置久。在卵石或碎石垫层的底部宜设置150300mm厚的砂层，以防止下卧淤泥和厚的砂层，以防止下卧淤泥和淤泥质土层表面的局部破坏。淤泥质土层表面的局部破坏。砂石垫层的底面宜铺设在同一标高上。砂石垫层的底面宜铺设在
16、同一标高上。地下水高于基坑底面时，宜采取排降水措施，注意边坡稳定。地下水高于基坑底面时，宜采取排降水措施，注意边坡稳定。山东科技大学 王清标3.4.3 土垫层施工土垫层施工 施工要点施工要点:施工含水量应控制在施工含水量应控制在w0p2%的范围内。的范围内。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于0.5m，接缝处应夯压密实，灰土、二灰土应拌和均匀并应当日铺填压，接缝处应夯压密实，灰土、二灰土应拌和均匀并应当日铺填压实，灰土压实后实，灰土压实后3 天内不得受水浸泡，冬季应防冻。天内不得受水浸泡，冬季应防冻。其它要求参见砂
17、垫层的施工要点。其它要求参见砂垫层的施工要点。山东科技大学 王清标1）粉煤灰材料）粉煤灰材料 粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出并被收尘粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出并被收尘器收集的物质，其主要成分是器收集的物质，其主要成分是SiO2、Al2O3和和Fe2O3等。等。粉煤灰颗粒尺寸变化范围大，从几百微米到几微米，比表面积一般粉煤灰颗粒尺寸变化范围大，从几百微米到几微米，比表面积一般为为25007000cm2/g，比重为，比重为2.012.22。我国根据粉煤灰的细度和烧失量将其分为三个等级：我国根据粉煤灰的细度和烧失量将其分为三个等级：级粉煤灰，级粉煤灰，0.
18、045mm方孔筛筛余量小于方孔筛筛余量小于12%，烧失量小于，烧失量小于5%；级粉煤灰，级粉煤灰，0.045mm方孔筛筛余量小于方孔筛筛余量小于20%，烧失量小于，烧失量小于8%；级粉煤灰，级粉煤灰，0.045mm方孔筛筛余量小于方孔筛筛余量小于45%，烧失量小于，烧失量小于15%。3.4.4 粉煤灰垫层施粉煤灰垫层施 工工山东科技大学 王清标 2）施工要点）施工要点 粉煤灰的最大干密度和最优含水量应由室内击实试验确定。施工粉煤灰的最大干密度和最优含水量应由室内击实试验确定。施工时分层摊铺，逐层振密或压实。时分层摊铺，逐层振密或压实。粉煤灰垫层在地下水位以下施工时，应采取排（降）水措施，严粉煤
19、灰垫层在地下水位以下施工时，应采取排（降）水措施，严禁在饱和和浸水状态下施工，更不宜采用水沉法施工。禁在饱和和浸水状态下施工，更不宜采用水沉法施工。在软土地基，应先铺填在软土地基，应先铺填20cm 左右厚的粗砂或高炉干渣，以免表左右厚的粗砂或高炉干渣，以免表层土体扰动，同时有利于下卧土层的排水固结，并切断毛细水上升。层土体扰动，同时有利于下卧土层的排水固结，并切断毛细水上升。每一层粉煤灰垫层验收合格后，应及时铺筑上层或采用封层，以每一层粉煤灰垫层验收合格后，应及时铺筑上层或采用封层，以防干燥松散起尘污染环境，并禁止车辆在其上行驶通行。防干燥松散起尘污染环境，并禁止车辆在其上行驶通行。山东科技大
20、学 王清标3.5 质量检验质量检验垫层的施工质量检验可利用贯入仪、轻型动力触探或标准贯入试验检验。垫层的施工质量检验可利用贯入仪、轻型动力触探或标准贯入试验检验。1）检验方法选用原则）检验方法选用原则 粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层可用环刀法、贯入仪、静力触探、粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层可用环刀法、贯入仪、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验。轻型动力触探或标准贯入试验检验。砂石、矿渣垫层可用重型动力触探。砂石、矿渣垫层可用重型动力触探。压实系数也可采用环刀法、灌砂法、灌水法或其他方法检验。压实系数也可采用环刀法、灌砂法、灌水法或其他方法检验。载荷试验压板边长或直径不应小于垫层厚度
21、的载荷试验压板边长或直径不应小于垫层厚度的1/3。2）检验点数量）检验点数量 对大基坑每对大基坑每50100m2 不应小于不应小于1个检验点；对基槽每个检验点；对基槽每1020m不应不应少于少于1个点；每个单独柱基不应少于个点；每个单独柱基不应少于1个点。个点。贯入仪或动力触探检验时，分层检验点的间距应小于贯入仪或动力触探检验时，分层检验点的间距应小于4m。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。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
22、。山东科技大学 王清标【例例1 1】某教学楼是三层砖混结构，条形毛石基础，基某教学楼是三层砖混结构，条形毛石基础，基础埋深础埋深1.8m，条形基础底面宽度为条形基础底面宽度为1.8m，基底压力，基底压力140kPa，基底以上基础回填土的重度为，基底以上基础回填土的重度为19.2kN/m3，该场，该场地地08m为软粘土，重度为为软粘土，重度为18kN/m3，地基承载力特征值，地基承载力特征值为为100kPa，采用灰土垫层处理，灰土重度，采用灰土垫层处理，灰土重度19.8kN/m3。3.6 工程应用实例工程应用实例山东科技大学 王清标 计算过程如下：软土重度软土重度D 基础埋深基础埋深28tan2
23、8.18.1)4.32140(zPz96.124)5.08.1(2.19100azfkPaPc4.328.118zzDPDcz8.198.12.190096.3049136.6005532.212zz Z=2.206603778m&Z=0.666368943m山东科技大学 王清标 取取z=0.7m，则，则Pz=76.12kPa，Pcz=48.42kPa 则则Pz+Pcz=124.54kPa faz=124.96kPa 满足下卧层验算要求。满足下卧层验算要求。据据建筑地基处理规范建筑地基处理规范4.2.2，垫层底面的宽度应满足基础，垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定底面应力
24、扩散的要求，可按下式确定mzbb55.228tan7.028.1tan2 基础顶面的宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保基础顶面的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经验放坡确定。持边坡稳定的经验放坡确定。山东科技大学 王清标 取取z=2.2m，则，则Pz=46.8kPa，Pcz=78.12kPa 则则Pz+Pcz=124.92kPa faz=124.96kPa 满足下卧层验算要求。满足下卧层验算要求。据据建筑地基处理规范建筑地基处理规范4.2.2，垫层底面的宽度应满足基础，垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定：底面应力扩散的要求，可按下式确定：mz
25、bb14.428tan2.228.1tan2 但显然，垫层底面很宽，必然导致垫层的顶面也很宽，显然但显然，垫层底面很宽，必然导致垫层的顶面也很宽，显然基坑开挖面积大，垫层施工的土方量大，是不太适宜的。基坑开挖面积大，垫层施工的土方量大，是不太适宜的。山东科技大学 王清标【例例2】某基础底面积某基础底面积 bl4m5m，埋深，埋深d3m，作用基础顶面竖向荷，作用基础顶面竖向荷载载F10000kN，土层，土层08m皆为细砂，皆为细砂，6个细砂试样的内摩擦角平均值为个细砂试样的内摩擦角平均值为21.70，变异系数为，变异系数为0.1，重度为，重度为17kN/m3。是否要进行地基处理？若采用换。是否要
26、进行地基处理？若采用换填垫层法进行地基处理，填料为碎石，重度为填垫层法进行地基处理，填料为碎石，重度为19.5kN/m3，换填垫层厚度为，换填垫层厚度为2m，分层压实，使土的内摩擦角达到，分层压实，使土的内摩擦角达到360。下卧层承载力是否满足要求？若。下卧层承载力是否满足要求？若换填的碎石的最大干重度为换填的碎石的最大干重度为1.60t/m3，分层压实每层控制干密度为多少？，分层压实每层控制干密度为多少？F3m2m自然地面碎石垫层1）地基承载力验算地基承载力验算基础及垫层情况基础及垫层情况垫层底面处的附加压力值垫层底面处的附加压力值(kPa)560542035410000kAGFp由砂土抗剪
27、强度确定地基承载力特征值由砂土抗剪强度确定地基承载力特征值6,1.0,7.21nm山东科技大学 王清标917.01.0)6678.46704.1(1)678.4704.1(122nn则细砂土的内摩擦角标准值为：则细砂土的内摩擦角标准值为：20917.07.21mk查查建筑地基基础设计规范建筑地基基础设计规范GB50007-2002表表5.2.5，得承载力系数：，得承载力系数：Mb0.51，Md=3.06则由砂土抗剪强度确定的地基承载力特征值为则由砂土抗剪强度确定的地基承载力特征值为：kPa8.19031706.341751.0dMbMfmdba天然地基承载力不满足要求，需要进行地基处理。天然地基承载力不满足要求，需要进行地基处理。山东科技大学 王清标2）下卧层承载力验算）下卧层承载力验算3）分层压实的每层控制干密度确定）分层压实的每层控制干密度确定山东科技大学 王清标毛细现象 毛细现象（又称毛细管作用）是指液体在细管状物体内侧，由于内聚力与附着力的差异、克服地心引力而上升的现象。当液体和固体（管壁）之间的附着力大于液体本身内聚力时，就会产生毛细现象。液体在垂直的细管中时液面呈凹或凸状、以及多孔材质物体能吸收液体皆为此现象所致。
