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1、换填法(换填垫层法）ReplacementMethod,第2章,主要内容,适用范围加固机理垫层设计垫层施工垫层质量检验工程实例,换填垫层法,2.1概述,1.概念当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不很大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为换填法(replacementmethod)。它还包括低洼地域筑高（平整场地）或堆填筑高（道路路基）。,换填垫层法,换填垫层法,2.换填法处理方法按施工机械不同
2、，施工方法有：机械碾压重锤夯实平板振动作为压（夯、振）实垫层的不同机具对待，这些施工方法不但可处理分层回填土，又可加固地基表层土。按回填材料不同,垫层(Cushion)可分为：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等；及土工合成材料加筋垫层。,3.适用条件及范围地层条件建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)中规定：适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。包括软土（淤泥、淤泥质土）、湿陷性黄土、素填土、膨胀土、杂填土、冻土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。建筑物条件中、小型建筑工程为主处理深度0.5米3.0米,换填垫层法,适用范围,常用于基坑面积宽大和开挖
3、土方量较大的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层（淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等）与低洼区域的填筑。一般处理深度为0.53m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、素填土和杂填土等。换填垫层法常用于处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等,注意！,换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基。当在建筑范围内上层软弱土较薄，则可采用全部置换处理。对于较深厚的软弱上层，当仅用垫层局部置换上层软弱土时，下卧软弱上层在荷载下的长期变形可能依然很大。例如，对较深厚的淤泥或淤泥质土类软弱地基，采用垫层仅置换上层软土后，通常可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
4、大对上部建筑物产生的有害影响；或者对于体型复杂、整体刚度差、或对差异变形敏感的建筑，均不应采用浅层局部置换的处理方法。,大面积填土产生的大范围地面负荷影响深度较深，地基压缩变形量大，变形延续时间长，与换填垫层法浅层处理地基的特点不同，因而大面积填土地基的设计施工应另行按国家现行有关规范执行。,注意！,换填垫层法,4.垫层材料中粗砂、卵石、砾石、素土灰土：灰土比2:8或3:7工业废料：粉煤灰，干渣（高炉重矿渣）土工合成材料：土工合成材料加筋垫层、土工合成材料轻质垫层（聚苯乙烯板块垫层）,垫层的分类,垫层分类,回填材料,砂垫层,粉煤灰垫层,粉质粘土垫层,灰土垫层,矿渣垫层,其他工业废渣垫层,土工合
5、成材料垫层,1）砂垫层,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。对湿陷性黄上地基，不得选用砂石等透水材料。,砂石是良好的换填材料，但对具有排水要求的砂垫层宜控制含泥量不大于3%；采用粉细砂作为换填材料时，应改善材料的级配状况，在掺加碎石或卵石使其颗粒不均匀系数不小于5并拌合均匀后，方可用于铺填垫层。,提示！,2）粉质粘土垫层,土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含
6、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。,粘土及粉土均难以夯压密实，故换填时均应避免采用作为换填材料，在不得己选用上述土料回填时，也应掺入不少于30%的砂石并拌合均匀后，方可使用。当采用粉质粘土大面积换填并使用大型机械夯压时，土料中的碎石粒径可稍大于50mm，但不宜大于100mm，否则将影响垫层的夯压效果。,提示！,3）灰土垫层,体积配合比宜为28或37。土料宜用粉质粘土，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。,灰土强度随土料
7、中粘粒含量增高而加大，塑性指数小于4的粉土中粘粒含量太少，不能达到提高灰土强度的目的，因而不能用于拌合灰土。灰土所用的消石灰应符合级以上标准，贮存期不超过3个月，所含活性CaO和MgO越高则胶结力越强。通常灰土的最佳含灰率为CaO+MgO约达总量的8%。石灰应消解34d并筛除生石灰块后使用。,提示！,4）粉煤灰垫层,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
8、境影响。,粉煤灰可分为湿排灰和调湿灰。按其燃烧后形成玻璃体的粒经分析，应属粉土的范畴。但由于含有CaO、SO3等成分，具有一定的活性，当与水作用时，因具有胶凝作用的火山灰反应，使粉煤灰垫层逐渐获得一定的强度与刚度，有效地改善了垫层地基的承载能力及减小变形的能力。不同于抗地震液化能力较低的粉土或粉砂，由于粉煤灰具有一定的胶凝作用，在压实系数大于0.9时，即可以抵抗7度地震液化。,提示！,5）矿渣垫层,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11kN/m3，有机质及含泥总量不超过5%。
9、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。,矿渣的稳定性是其是否适用于做换填垫层材料的最主要性能指标。当矿渣中CaO的含量小于45%及FeS与MnS的含量1%时，矿渣不会产生硅酸盐分解和铁锰分解，排渣时不浇石灰水，矿渣也就不会产生石灰分解，则该类矿渣性能稳定，可用于换填。对中、小型垫层可选用840mm与4060mm的分级矿渣或060mm的混合矿渣；较大面积换填时，矿渣最大粒径不宜大于200mm或大于分层铺填厚度的
10、2/3。,提示！,6）其他工业废渣垫层,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）土工合成材料垫层,由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。作为加筋的上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。在软土地基上使用加筋垫层时，应保证建筑稳定并满足允许变形的要求。,土工
11、合成材料是近年来随着化学合成工业的发展而迅速发展起来的一种新型土工材料，主要由涤纶、尼龙、睛纶、丙纶等高分子化合物，根据工程的需要，加工成具有弹性、柔性、高抗拉强度、低伸长率、透水、隔水、反滤性、抗腐蚀性、抗老化性和耐久性的各种类型的产品。如各种土工格栅、土工格室、土工垫、土工网格、土工膜、土工织物、塑料排水带及其他土工复合材料等。用于换填垫层的土工合成材料，在垫层中主要起加筋作用，以提高地基土的抗拉和抗剪强度、防止垫层被拉断裂和剪切破坏、保持垫层的完整性、提高垫层的抗弯刚度，因此利用土工合成材料加筋的垫层有效地改变了天然地基的性状，增大了压力扩散角，降低了下卧天然地基表面的压力，约束了地基侧
12、向变形，调整了地基不均匀变形，增大地基的稳定性并提高地基的承载力。,提示！,5垫层的作用,提高地基承载力减少沉降量加速软弱土层的排水固结防止冻胀消除地基土的湿陷性、膨胀性作用,换填垫层法,虽然不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但从试验结果分析其极限承载力还是比较接近的；通过沉降观测资料发现，不同材料垫层的特点基本相似，故可将各种材料的垫层设计都近似的按砂垫层的计算方法进行计算。但对湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等某些特殊土采用换土垫层处理时，因其主要处理目的是为了消除地基土的湿陷性、膨胀性和冻胀性，所以在设计时需考虑的解决问题的关键也应有所不同。,(1)提高地基承载力大家知道，浅基础的地基承
13、载力与持力层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。(2)减少沉降量一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的比例题是比较大的。以条形基础为例题，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50%左右。如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。,(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，在荷载的作用下，软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的
14、孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。(4)防止冻胀因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，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。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。(5)消除膨胀土的胀缩作用在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣、二灰或灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用，但垫层厚度应依据变形计算确定，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。
15、,2.2压实原理,压实原理:当粘性土的土样含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好。但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，结合水膜的扩大作用就不大了，因而引力的减少就显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，因而设计时要选择一个”最优含水量”wop，这就是土的压实机理。,换填垫层法,a-碾压6遍；b-碾压12遍；c-碾压24遍；d-室内击实试验,理论上最大压实
16、曲线-饱和曲线（土中气体被赶走，使土达到饱和）,同一种土wop与dmax不是恒定值，随压实功能而变化。,击实试验,换填垫层法,土的压实性：指在一定的含水率下，以人工或机械的方法，使土能够压实到某种密实度的性质。填土的密实程度常以干密度d表示击实试验土工试验方法标准（国家标准）轻型：土d5mm；V=947cm3,m=2.5kg,3层,25击，落高30.5cm重型：土d40mm；V=2104cm3,m=4.5kg,5层,56击，落高47.7cm,击实仪,质量控制,换填垫层法,换填法处理地基前的准备工作,查明地层土性质及不良地质现象；查明沟、塘、洞等分布范围和深度；查明填土的成分、范围、厚度、均匀性、填筑年限和方法等查明地下水的埋藏条件、类型、埋深等；查明地下管线、防空洞及地下障碍物的分布范围和走向；查明换填土的来源、种类、规格、价格等,2.3砂垫层设计,设计原则：对垫层的设计，既要求有足够的厚度z以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度b以防止砂垫层向两侧挤出。,换填垫层法,设计内容垫层厚度z垫层宽度b垫层压实度c,z,垫层设计的步骤
