3.1 概述,换填垫层法的概念、施工技术与工程实例,3.1.1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了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂、碎石、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的材料，并分层夯实（或振实）至要求密实度还包括：平整场地和道路路基填注等3.1.2 换填垫层法分类,按回填材料：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、 二灰二灰土 - 简介.ppt垫层、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 3.1.3 换填垫层法适用范围,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 处理深度常控制在35m范围以内若换土垫层太薄，其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5m换填法各种垫层的适用范围见表2.1,表3.1 各种垫层的适用范围,垫层分类及其实用性,3.2 加固机理,3.2.1 垫层的作用,1）提高浅层地基承载力 2）减少地基的变形量 3）加速软土层的排水固结 4）防止土的冻胀：毛细现象 5）消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性 6）消除湿陷性黄土的湿陷作用 7）局部换填处理暗浜和暗沟,3.2.2 土的压实原理,1）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，颗粒间引力大，压实效果差。
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 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，土干密度减少2）最优含水量,现场碾压与室内击实试验的比较 a-碾压6遍；b-碾压12遍；c-碾压24遍； d-室内击实试验 砂土和粘土的压实曲线,最大干密度必须是针对某一特定的压实功能而言的施工含水量:,压实系数:,土的最大干密度:,（3）击实功 击实功是用击数来反映的，如用同一种土料，在同一含水率下分别用不同击数进行击实试验，就能得到一组随击数不同的含水率与干密度关系曲线，从而得出以下结论 1）对于同一种土，最优含水率和最大干密度随击实功而变化；击实功愈大，得到的最优含水率愈小，相应的最大干密度愈高 2）含水率超过最优含水率后，击实功的影响随含水率的增加而逐渐减小 3）压实曲线和饱和曲线土在饱和状态时的含水率与干密度的关系曲线不相交，且压实曲线永远在饱和曲线的下方,（4）土的级配 级配良好的土压实性较好，这是因为不均匀土内粗颗粒形成的孔隙有足够的细土粒填充，因而能获得较高的干密度；均匀级配的土压实性较差，因为均匀土内粗颗粒形成的孔隙很少有细土粒填充。
此压实特性可由室内击实试验中得到的但实践工程表明，垫层填土、路堤施工填筑的情况与室内击实试验的条件是有差别的室内击实试验是用锤击的方法使土体密度增加实际上击实试验使土样在有侧限的击实筒内进行，不可能发生侧向拉移，力作用在有侧限的土体上，则夯实会均匀，且能在最优含水率状态下获得最大干密度，而现场施工的土料土块大小不一，含水率和铺填厚度很难控制均匀，实际压实土的均匀性较差3.3 垫层设计计算,3.3.1 砂垫层的设计 （1）垫层的厚度确定,条形基础：,矩形基础：,图3.3 垫层内应力分布,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容许承强力,（2）垫层的宽度确定,b垫层底面宽度； 垫层扩散角 构造要求：垫层顶面每边宜超出边底不小于300mm，或按经验进行放坡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：,压力扩散角,（3） 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，并应进行下卧层承载力的验算各种垫层的承载力,（4） 沉降计算,垫层模量：,（5） 垫层材料的选用,1）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2mm部分不超过总重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（粒径小于0.075mm部分不超过总重9%）时，应掺入不少于总重30%碎石或卵石 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 2）粉质粘土 3）灰土 灰土体积配合比宜为28或37 4）粉煤灰 5）矿渣 6）其他工业废渣 7）土工合成材料,3.3.2 素土（或灰土、二灰）垫层设计,1）土料以粘性土和塑性指数大于4的粉土，有机质含量小于5%，颗粒小于15mm且过筛石灰应用级以上新鲜的块灰，使用前12d消解并过筛素土和灰土垫层的铺填厚度，应按夯实机具种类选择；素土和灰土垫层底层的铺填厚度，既能满足该层的压密条件，又能防止破坏及扰动下卧湿陷性黄土的结构；素土和灰土垫层材料最优含水量的宜控制在op2%范围内2）素土和灰土垫层处理湿陷性黄土地基的施工过程中，合理安排施工程序,保证工程质量和施工进度,完成湿陷性黄土地区建设任务 素土和灰土垫层处理湿陷性黄土地基的应用已有重大突破，即施工设备已采用了挖掘机、装载机和大吨位的振动压路机，素土和灰土铺垫采用了旋耕机，使工程质量显著提高 根据地基检测的结果，目前素土垫层的地基承载力特征值普遍达到180kPa以上，灰土垫层的地基承载力特征值普遍达到250kPa以上，且有良好的均匀性。
机械化程度的提高,使得灰土垫层法施工速度加快，经济成本降低，素土和灰土垫层法应用进一步扩大3.3.3 粉煤灰垫层设计,粉煤灰类似于砂质粉土，粉煤灰垫层的应力扩散角=21.70粉煤灰垫层的最大干密度和最优含水率在设计和施工前，应按照土工试验方法标准中的击实实验法测定 粉煤灰的内摩擦角、粘聚力、压缩模量和渗透系数，随粉煤灰的材料性质和压实密度而变化，应该通过室内土工实验确定3.3.4 矿渣垫层设计,干渣（简称矿渣）又称高炉重矿渣，是高炉熔渣经空气自然冷却或经热泼淋水处理后得到的渣，可以作为一种换土垫层的填料 素土垫层或灰土垫层、粉煤灰垫层和干渣垫层的设计可以根据砂垫层的设计原则，再结合各自的垫层特点和场地条件与施工机械条件，确定合理地施工方法和选择各种设计计算参数，并可参照有关的技术和文献资料3.4 换填垫层法施工技术,按密实方法和施工机械，换填垫层法分为机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法应根据不同的换填材料选择施工机械3.4.1 施工方法,1）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 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 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、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；羊足碾3km/h；振动碾2km/h；振动压实机0.5km/h表3.7 垫层的每层铺填厚度和压实遍数,2）重锤夯实法,重锤夯实法是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 适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土3）平板振动法,处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好松散杂填土地基 工作原理: 由电动机带动两个偏心块以相同速度反向转动，由此产生较大垂直振动力 振动机频率11601180r/min 振幅为3.5mm 激振力50100kN振动压实机,打夯机,蛙式打夯机,压实机,蛙式打夯机,3.4.2 按垫层材料分类,1）砂石垫层施工 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 平板式振动器时，施工含水量15%20%；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 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。
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150300mm厚的砂层，以防止下卧淤泥和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 地下水高于基坑底面时，宜采取排降水措施，注意边坡稳定2） 土垫层施工,施工要点: 施工含水量应控制在w0p2% 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实，灰土压实后3 天内不得受水浸泡，冬季应防冻 其它要求参见砂垫层的施工要点1）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器收集的物质，其主要成分是SiO2、Al2O3和Fe2O3等 粉煤灰颗粒尺寸变化范围大，从几百微米到几微米，比表面积一般为25007000cm2/g，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： 级粉煤灰，0.045mm方孔筛筛余量小于12%，烧失量小于5%； 级粉煤灰，0.045mm方孔筛筛余量小于20%，烧失量小于8%； 级粉煤灰，0.045mm方孔筛筛余量小于45%，烧失量小于15%。
3） 粉煤灰垫层施 工,2）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20cm 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 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4）干渣垫层施工,用于垫层的干渣技术条件应符合下列规定：稳定性合格：松散密度不小于1.1t/立方米；泥土与有机质含量不大于5%对于一般场地平整，干渣质量可不受上述指标限制 施工采用分层压实法压实可用平板振动法和机械碾压法小面积施工宜采用平板振动器振实电动功率大于1.5kw，每层虚铺厚度，200-250mm，振捣遍数有试验确定，以达到设计密实度为准大面积施工宜采用8-12t压路机，每层虚铺厚度不大于300mm；也可采用振动压路机碾压，碾压遍数均可由现场试验确定根据冶金部门对矿渣垫层的研究，无论是采用碾压施工还是采用振动法施工，当满足压实条件时，均可获得很高的变形模量而能满足工程要求。
5）土工合成材料垫层施工,土工合成材料上的第一层填土摊铺宜采用轻型推土机或前置式装载机一切车辆、施工机械只允许沿路堤的轴线方向行驶 回填填料时，应采用后卸式卡车沿加筋材料两侧边缘倾卸填料，以形成运土的交通便道，并将土工合成材料张紧填料不允许直接缷在土工合成材料上面，必须缷在已摊铺完毕的土面上；缷土高度以不大于1m为宜，以免造成局部承载力不足缷土后应立即摊铺，以免出现局部下陷6）聚苯乙烯板块垫层施工 聚苯乙烯板块施工时，宜按施工放样的标志沿中线向两边采用人工或轻型机具把EPS准确就位，不许重型机械或拖拉机在EPS块体上行驶EPS块体和块体之间应分别采用连接件单面爪（底部或顶部）、双面爪（块体之间）和“L形”金属销钉连结紧密3.5 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1）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、轻型动力触探或标准贯入试验检验 砂石、矿渣垫层可用。