地基处理方法：换填垫层法详解

地基处理方法：换填垫层法详解

地基处理是土木工程中一个重要的环节，其中换填垫层法是一种常见的地基处理方法。本文将详细介绍换填垫层法的原理、分类、适用条件、作用、设计要点、施工方法及注意事项等内容。

垫层法概述

垫层法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。

垫层法分类

1. 按垫层材料分类：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层、加筋土垫层等。
2. 按垫层所起作用分类：换土垫层、排水垫层、加筋土垫层。

垫层法适用条件

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、暗塘等的浅层处理，且建筑物荷载不太大的地基处理。换填法的处理深度通常宜控制在3m以内较为经济合理，但不应小于0.5m。

垫层的作用

在各类工程中，垫层所起的主要作用有时是不同的，如建筑物基础下的垫层主要是起换土作用；而在路堤和土坝等工程，主要是利用垫层起排水固结作用。

换土垫层

1. 提高地基承载力
2. 减少地基沉降量
3. 加速软弱土层的排水固结
4. 防止地基土冻胀

排水垫层

排水垫层是指软土地基上堤坝或大面积堆载基底等所铺设的水平排水层，一般采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑，必要时在垫层底和上表面增设具有反滤性能的土工合成材料，防止砂石垫层被淤堵和拉裂。

其主要作用为：

1. 作为水平排水层和下卧软土层的排水通道，加速地基的排水固结，提高浅层地基的抗剪强度，配合砂井，加固深部软土层；
2. 约束软弱下卧层的侧向变形，提高地基的稳定性，并改善其变形性质。

加筋土垫层

加筋土垫层是指由砂、石和素土垫层中增设各种类型加筋材料组成的复合垫层。如加筋土垫层、土工格室垫层等。

其主要作用有以下三个方面：

1. 扩散应力，使压缩应力分布均匀；
2. 增强砂石垫层的整体性和刚度，减小不均匀沉降；
3. 约束软弱土的侧向变形。

换土垫层的设计

主要内容包括垫层材料的选用、厚度的确定、垫层铺设范围以及地基沉降计算等。

垫层材料选用

垫层材料：砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、矿渣、加筋土等。选用原则：因地制宜根据工程的具体条件合理选用。

砂垫层厚度及宽度的确定

对于碎石、卵石、砂夹石、砂和矿渣等粗粒换填材料的垫层由于在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小，因而在地基变形计算中，可以忽略该部分；但对于细粒材料，尤其是厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。

沉降计算

s1计算中，应力可取垫层顶面和底面压力的平均值。一般砂垫层Es=2030MPa；粉煤灰则Es=820MPa，碎石、卵石为30~50MPa。无论是地基还是垫层，其沉降计算均可传统分层总和法计算。

基础灰土垫层施工

厚度确定

软土地基上土垫层厚度的确定与砂垫层相同。

1. 对非自重湿陷性黄土地基上的垫层厚度应保证天然黄土层所受的压力小于其湿陷起始压力值。
2. 对自重湿陷性黄土地基上，垫层厚度应大于非自重湿陷性黄土地基上垫层的厚度，或控制剩余湿陷量不大于20cm才能取得好的效果。

宽度确定

按照处理范围素土垫层或灰土垫层可分为局部垫层和整片垫层。

1. 局部垫层：一般设置在矩形（或方形）基础或条形基础底面下，其平面处理范围，每边超出基础底面的宽度不应小于垫层厚度的一半。
2. 整片垫层：一般设置在整个建筑物（跨度大的工业厂房除外）的平面范围内。每边超出建筑物墙基础外缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不得小于2m。

粉煤灰垫层

化学性质

粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，具有火山灰的特性，在潮湿条件下具有凝硬性，与二氧化硅，三氧化二铝等物质进行水化反应，生成水化产物，使碾压密实的粉煤灰颗粒胶结固化形成块状结构，可提高粉煤灰的强度，降低压缩变形，增强抗渗性和水稳定性。

物理性质

粉煤灰的压实曲线与粘性土相似，具有相对较宽的最优含水量区间，其干密度对含水量的敏感性比粘性土小，最优含水量易于控制。

垫层施工

土的压实机理

土一般由固体颗粒、水、空气组成。土中固、液、气三相组成的比例反映干湿、密实程度，对评价土的工程性质有重要意义，是垫层压实参数选择的依据。

实践证明，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”，不能增大土的密实度。对很干的土进行碾压，也不能把土充分压实。

最优含水量

在干密度——含水量曲线上干密度的峰值即为最大干密度，与之对应的含水量即为最优含水量。

干密度——含水量曲线的物理意义

1. 当粘性土的含水量较小时，水化膜很薄，以结合水为主，颗粒间引力大，在一定的外部压实功作用下，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差，土的干密度较小；
2. 当增加土的含水量时，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，土的干密度也随之提高；
3. 当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，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，并随着含水量的继续增大，移动阻力逐渐增大，压实效果反而下降，土的干密度随之减少。

土的压实系数λc

垫层施工方法

机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法三种。

机械碾压法

机械碾压法是采用压路机、推土机、羊足碾、振动碾或其它压实机械来压实软弱地基土或分层填土垫层。常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的工程。

施工步骤:

1. 将拟建范围内一定深度内的软弱土挖出至设计要求；
2. 将底部土体碾压加固；
3. 分层填筑，逐层加密。

施工参数：如施工机械、铺筑厚度、碾压遍数与填筑含水量等由工地试验确定。

为保证有效压实质量，碾压速度要有所控制，平碾控制在2.0km/h，羊足碾控制在3.0km/h，振动碾控制在2.0km/h。

碾压法对表层地基加固深度一般可达23m。一般粘性土经表层压实处理，其地基承载力可达80100kPa。

质量检验：
施工中，随层检验平均干密度、含水量。采用环刀法或贯入测定法。每个基坑 或100~500m2设一个检验点。

重锤夯实法

重锤夯实法是用起重机械将夯锤（1530kN）提升到一定高度（2.54.5m），然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。

1. 施工顺序
   重锤夯实宜一夯挨一夯顺序进行。在独立柱基基坑内，宜按先外后里的顺序夯击。同一基坑底面标高不同时，应按先深后浅的顺序逐层夯实。

2. 施工要点
   （1）现场试夯；
   （2）夯击前应检查坑中土的含水量；
   （3）施工夯打工艺；
   （4）现场有边坡或邻近建筑物时，应当采用必要的防护措施。

3. 质量检验
   不仅要检查施工记录及试夯最后下沉量，而且要检查加固质量。基槽每30m一点，整片地基每100m2两点以上。经过重锤夯实的地基承载力可达100~150kPa。

平板振动法

振动压实法是利用各种振动压实机，将松散土振压密实。

适用于处理无粘性土或粘粒含量少，透水性较好的松散杂填土地基。

振动压实机的工作原理是由电动机带动两个偏心块以相同速度反向转动而产
很大的垂直振动力。

压实效果：一般杂填土经振实后，地基承载力特征值可达100~120kPa。

振动压实的效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，效果越好，但振动时间超过某一值后，振动引起的下沉基本稳定，再继续振动就不能起到进一步的压实作用。因此，施工前需进行试振，得出稳定下沉量和时间的关系。

参考：对主要由矿渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾，振动时间约在1min以上；对含炉灰等细粒填土，振动时间约为35min，有效振实深度为1.21.5m。

振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两边，后振中间，其振实的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格，并辅以轻便触探试验检验其均匀性及影响深度。

砂（砂砾、碎石）垫层施工

1. 垫层材料
   砂石：颗粒级配良好、质地坚硬的砂石（砂料的不均匀系数不能小于5，以中粗砂为好，可在砂中掺入一定数量的碎石，但要分布均匀），不得含有草根、垃圾，含泥量应小于5％，对具有排水要求的砂垫层宜控制在含泥量不大于3%。
   灰土：土料宜用粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂质粉土，石灰宜用新鲜的消石灰。

2. 施工要点
   （1）施工机械应根据不同垫层材料进行选择，压实参数由现场试验确定。
   （2）不同施工机具应采用不同的最优含水量，尤其对素土和灰土垫层应严格控制。
   粉质粘土和灰土的施工含水量宜控制在最优含水量wop±2%的范围内;粉煤灰宜控制在最优含水量wop±4%范围内;砂石料，当用平板式振动器时可取15%20%，采用平碾或蛙式夯时可取8%12%，用插入式振动器时宜为饱和；对于碎石及卵石应充分浇水湿透后夯实。
   （3）不良地质现象（如垫层下存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等），应先进行清理，然后再施工垫层。
   （4）施工过程中严禁扰动垫层下卧的淤泥和淤泥质土等软弱土层。为避免坑底土层受到扰动，可保留约200mm厚的土层暂不挖去，待铺筑垫层前再挖至设计标高。对碎石或卵石垫层，其底部宜设置150300mm厚的砂垫层或铺一层土工织物，以防止软弱土层表面的局部破坏。
   （5）垫层的底面宜铺设在同一标高上，若深度不同，基坑底土面应挖成阶梯状或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。
   （6）当地下水位高于基坑底面时，应采取排降水措施。
   （7）垫层每层虚铺200300mm，分层铺填，分层压实，每层经检验符合设计要求后方能进行下一层施工。

3. 质量检验
   施工质量检验——环刀法或贯入测定法。
   （1）环刀法：用容积不小于200cm3的环刀压入每层2/3的深度处取样，测定其干密度，干密度应不小于该砂石料在中密状态的干密度值。
   （2）贯入测定法：先将砂垫层表面3cm左右厚的砂刮去，然后用贯入仪、钢叉或钢筋以贯入度的大小来定性地检查砂垫层质量。
   工程质量验收——载荷试验。

换土垫层法注意事项

a. 浅层(深层施工困难);
b. 换填厚度为0.5至3.0m(太薄无用,太厚施工困难,费用高);
c. 分层回填压实(保证质量);
d. 验算变形；
e. 大面积及深厚垫层宜考虑换填材料重度大于天然土时对变形的影响（本身影响以及对临近建筑物的影响）。