岩土工程师

换填垫层法

3.1.1 基本概念

当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换填土垫层来处理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。换填法适于浅层地基处理，处理深度可达2～3米。在饱和软土上换填砂垫层时，砂垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。

工程实践表明，在合适的条件下，采用换填垫层法能有效地解决中小型工程的地基处理问题。本法的优点是：可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期，又能降低造价，因此，得到较为普遍的应用。

3.1.2 适用范围

换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。但在用于消除黄土湿陷性时，尚应符合国家现行标准《湿陷性黄土地区建筑规范》中的有关规定。在采用大面积填土作为建筑地基时，应符合国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007)的有关规定。

换填时应根据建筑体型、结构特点、荷载性质和地质条件，并结合施工机械设备与当地材料来源等综合分析，进行换填垫层的设计，选择换填材料和夯压施工方法。

3.1.3 加固机理

(1)置换作用。将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。

(2)应力扩散作用。基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。

(3)加速固结作用。用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。

(4)防止冻胀。由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。

(5)均匀地基反力与沉降作用。对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的土料，并在石芽以上也设置垫层;或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。

因此，换填的目的就是：提高承载力，增加地基强度;减少基础沉降;垫层采用透水材料可加速地基的排水固结。

【例题1】 换填法处理地基的目的和作用是( )。

A、提高基础底面以下地基浅层的承载力;

B、提高基础底面以下地基深层的承载力;

C、减少地基沉降量、加速地基的排水固结;

D、消除基础底面以下适当范围内地基的湿陷性和胀缩性。 答案：A、C、D

3.1.4 垫层设计

3.1.4.1 垫层材料

(1)砂石。宜选用碎石、卵石、角砾、原砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2 mm的部分不应超过总重的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(粒径小于0.075mm的部分不应超过总重的9%)时，应掺人不少于总重30%的碎石或卵石。最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。

(2)粉质黏土。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。用于湿陷性黄土地基或膨胀土地基的粉质黏土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。

(3)灰土。体积配合比宜为2：8或3：7。土料宜用粉质黏土，不得使用块状黏土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15 mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。

(4)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0.3~0.5m。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、管网宜采取适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。

(5)矿渣。垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，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11 kN/m3，有机质及含泥总量不超过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对放射性安全标准的要求。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。

(6)其他工业废渣。在有可靠试验结果或成功工程经验时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等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。

(7)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》(GB 50290—98)的要求，通过设计并进行现场试验后确定。

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;垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质黏土等材料。如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.

【例题3】某工程地基为软弱地基，采用换填法处理，换填材料为砾砂，垫层厚度为1m，已知：该基础为条形基础，基础宽度为2m，基础埋深位于地表下1.5m，上部结构作用在基础上的荷 载为： P=200KN/m;自地面至6.0m均为淤泥质土，其天然重度为17.6KN/m3，饱和重度为19.7KN/m3，承载力特征值为70kpa，地下水位在地表下2.7m，问：

1、作用于垫层底部的附加应力为( )。

A、46.7 kpa; B、65.7kpa; C、110kpa; D、126.8 kpa; 答案：B

2、下卧层承载力是否满足要求( )

A、满足; B、不满足; C、无法判断; D、没有必要判断 答案：A

3.1.4.3 垫层的宽度

垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，并且要考虑垫层侧面土的侧向支承力来确定，因为基础荷载在垫层中引起的应力使垫层有侧向挤出的趋势，如果垫层宽度不足，四周土又比较软弱，垫层有可能被压溃而挤入四周软土中去，使基础沉降增大。

垫层底面宽度可按下式计算并根据当地经验确定：

b'≥b+2ztanθ 3.1-4

式中：b'为垫层底面宽度;θ为垫层的压力扩散角，可按表3.1-1采用，当z/b<0.25时，仍按表中z/b=0.25取值。

整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面每边宜超出基础底边不小于 300mm，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡。

3.1.5 垫层的承载力

垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定，并应进行软弱下卧层验算，验算下卧层的承载力是否满足要求。按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007)划分安全等级为三级的建筑及一般不太重要的、小型、轻型或对沉降要求不高的工程，在无试验资料或经验时，当施工达到表3.1-2规定的压实标准后，可以参考表3.1-3所列的承载力特征值取用。

3.1.6 沉降计算

软黏土分布地区的大量建筑物沉降观测及工程经验表明，采用换填垫层进行局部处理后，当垫层下还存在软弱下卧层时，由于下卧层的变形，建筑物地基往往还会产生过大的沉降量和差异沉降量。类似地，即使采用水泥土搅拌桩复合地基，当桩端以下存在软弱土层时，仍有较多建筑物发生了较大的沉降，由此，对竖向承载的搅拌桩，《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)规定，其长度除应根据承载力和变形的要求确定外，尚宜穿透软弱土层到达承载力相对较高的土层。采用砂石桩法、高压喷射注浆法等方法处理的地基均有类似规定。

因此，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。并且，对垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地基变形验算时应考虑邻近基础对软弱下卧层顶面应力叠加的影响。对超出原地面标高的垫层或换填材料的重度高于天然土层重度的垫层，宜早换填并应考虑其附加的荷载对建筑及邻近建筑的影响。

换填垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。对粗粒换填材料，由于在施工期间垫层的自身压缩变形已基本完成，且变形值很小，因此，对碎石、卵石、砂夹石、矿渣和砂垫层，当换填垫层厚度、宽度及压实程度均满足设计及相关规范的要求后，一般可不考虑垫层自身的压缩量而仅计算下卧层的变形。

当建筑物对沉降要求严格，或换填材料为细粒材料且垫层厚度较大时，尚应计算垫层自身的变形。垫层的模量应根据试验或当地经验确定。在无试验资料或经验时，可参照表3.1-4选用。 表3.1-4 垫层模量

模量垫层材料 压缩模量ES(Mpa) 变形模量E0(Mpa)

粉煤灰 8~20

砂 20~30

碎石、卵石 30~50

矿渣 35~70

3.1.7 垫层施工

1.施工机械

(1)粉质黏土与灰土：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。

(2)砂石：宜用振动碾。

(3)粉煤灰：宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯。

(4)矿渣：宜采用平碾振动器或平碾、蛙式夯。

2.施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数

宜通过试验确定。除接触下卧软土层的垫层底层应根据施工机械设备及下卧层土质条件的要求具有足够的厚度外，一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200~300mm。为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度。

3.含水量控制

粉质黏土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在最优含水量Wop±2%的范围内，粉煤灰垫层的最优含水量宜控制在最优含水量Wop±4%的范围内。最优含水量可通过击实试验确定，也可按当地经验取用。

4.其他施工要点

(1)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，并经检验合格后，方可铺填垫层。

(2)基坑开挖时应避免坑底土层受扰动,可保留约200mm厚的土层暂不挖去。严禁扰动垫层下卧层的淤泥或淤泥质土层，防止其被践踏、受冻或受浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置150~300mm厚的砂垫层或铺设一层土工织物，以防止淤泥或淤泥质土层表面的局部破坏。

(3)垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底上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，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯砸密实。

(4)粉质黏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。

(5)灰土应拌和均匀并应当日铺填夯压。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污染，同时应禁止车辆通行。垫层竣工后，应及时进行基础施工与基坑回填。

(6)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、顶破。铺设时应把土工合成材料张拉平直、绷紧，严禁有褶皱;端头应固定或回折锚固;切忌曝晒或裸露;连接宜用搭接法、缝接法和胶结法，并均应保证主要受力方向的联结强度不低于所采用材料的抗拉强度。

3.1.8 质量检验

1.施工质量检验

对粉质黏土、灰土、砂垫层和砂石垫层可用环刀法、贯人仪、静力触探、轻型动力触探或标准贯人试验检验，对砂垫层、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人度为标准检验垫层的施工质量。压实系数的检验可采用环刀法、灌砂法或其他方法。

垫层的质量检验必须分层进行。每夯压完一层，应检验该层的平均压实系数。当压实系数符合设计要求后，才能铺填上层土。

当采用环刀法取样时，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50～100m2应不少于1个检验点;对基槽每10~20m应不少于1个点，每个单独柱基应不

少于1个点。当采用贯人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。

【例题6】对于垫层的质量检验，必须( )进行。

A、整体; B、按面积; C、按体积; D、分层; 答案：D

【例题7】当采用环刀法取样时，取样点应位于每层厚度的( )深度处。

A、上1/3; B、下1/3; C、 2/3; D、 表面; 答案：C

2.竣工验收

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;对大型工程则应按单体工程的数量或工程面积确定检验点数。

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（责任编辑：何以笙箫默）

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