《地基处理》第二章 换土垫层法解析
换土垫层法
换土垫层法一、引言换土垫层法是一种常用的土木工程施工技术，它主要用于改善地基土的性质，增加地基的稳定性和承载能力。
本文将从换土垫层法的定义、施工流程、施工工艺、应注意的问题等方面进行全面、详细、深入地探讨。
二、定义换土垫层法是指将原有地基土取出，然后用新的土材料进行填补和加固的一种土木工程施工技术。
它可以修复地基的不平整、缓解地基沉降、加强地基承载能力等。
三、施工流程换土垫层法的施工流程通常包括以下步骤：1. 调查勘测在施工前，需要对地基进行调查和勘测，了解地质地貌情况、地基土的性质和承载能力等信息，以确定施工方案和材料选择。
2. 原土清理将原有地基土进行清理，清除其中的杂质、混凝土碎片等，保证换土垫层与原土之间的紧密结合。
3. 土方开挖根据设计要求，开挖地基土，并将其处理妥善。
同时，需要进行土方测量，确保挖掘的土方符合要求。
4. 新土填充将新的土材料运输至施工现场，按照设计要求进行填充。
在填充过程中，需要控制填充层的厚度和均匀度，以保证换土垫层的质量。
5. 压实与加固填充完成后，对换土垫层进行压实与加固。
常见的加固方式包括振动压实、喷射加固、碾压等，以增加垫层的密实度和稳定性。
6. 验收与监测在施工完成后，需要进行垫层的验收与监测工作。
通过检测和监测，评估垫层的质量和性能，确保其达到设计要求和使用功能。
四、施工工艺换土垫层法的施工工艺与具体工程和要求有关，但通常包括以下几个步骤：1. 材料选择根据地基土的性质和工程要求，选择合适的新土材料。
新土材料应具有一定的稳定性、承载能力和抗沉降能力。
2. 地基处理对地基土进行清理和改良。
清除杂质、混凝土碎块等，同时进行地基加固工作，以提高地基的承载能力。
3. 换土垫层施工按照施工流程进行换土垫层的施工。
控制换土垫层的厚度、填充均匀度和加固程度，确保施工质量。
4. 加固处理施工完成后，对换土垫层进行加固处理，以提高垫层的稳定性和承载能力。
加固方式可以根据具体情况选择，常见的有振动压实、喷射加固和碾压等。
地基处理之换土垫层法(内容丰富)[详细]
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处理。
压实原理及压实参数
• 土的压实机理
人们很早就用土
作为建筑材料，
d d
而且知道要把松
土击实。公元前 200多年，我国
秦朝修筑驰实
（行车大道），
就有用“铁锥筑
土坚实”的记载，
说明那时人们已
砂（砂石、碎石）垫层
砂（碎石、砂石）垫层的设计
设计要求： 既要求有足够的厚度以置换可能被剪
切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度 以防止砂垫层向两侧挤出。
注意
排水砂垫层不同于置换垫层，前 者主要在基础底面设置厚度为 30cm的砂（或砂石、碎石）垫层， 以利于软土层的排水固结
（砂石、碎石）垫层
砂垫层的厚度设计
砂（砂石、碎石垫层）
• 砂（砂石、碎石）垫层质量检验
垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层 的压实系数符合设计要求后铺上层土。
检验方法有：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；另对砂石垫 层也可用重型动力触探检验，并均应能过现场 试验以设计压实系数所对应的贯入度为标准检 验垫层的施工质量。压实系数也可用环刀法， 灌砂法等。
击实功能的影响 对同一种土，压实功能小，则能达到的最大干密度也小，最 优含水率大；压实功能大，则能达到的最大干密度也大，最 优含水率小
压实原理及压实参数
施工现场如何控制压实程度？
压实度
c
d d max
现场施工的土料，土块大小不一，含 水量和铺填厚度又很难控制均匀，因此实 际压实土的均质性较差，固对现场土的压 实，应以压实系数来进行检验。
粉煤灰垫层
换土垫层法
一、概述 当软弱土地基的承载力或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，将基础地面下处理范围内 的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂 （碎石、素土、灰土、矿渣、粉煤灰）或其它性能稳定、 无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实质要求的密度为止， 这种地基处理方法称为换填垫层法，简称换填法。 虽然不同的材料的垫层，其应力分布稍有差异，但从 试验分析，其极限承载力的结果还是比较接近的；通过实 际沉降观测资料发现，不同垫层的特点基本相似，故可将 各种垫层设计都它垫层的要求
（一）素土（或灰土）垫层设计 素土垫层（简称土垫层）或灰土垫层（石灰与土按2：8 或3：7配合比）在湿陷性黄土地区适用较为广泛，这是一 种以土治土的处理湿陷性的方法，传统厚度一般为1～3m。 素土或灰土垫层可分为局部垫层和整片垫层。当仅要求 消除基底下处理土层的湿陷性时，宜采用素土垫层；当要 求提高地基承载力和水稳定性时宜采用灰土垫层。 局部垫层一般设置在矩形或方形基础或条形基础底面 下，主要用于消除地基的部分湿陷性，并提高承载力。据 工程经验，局部处理的范围，每边超出基础底边的宽度不 应小于其厚度的一半，
（二) 矿渣垫层 矿渣是高炉 重矿渣，是高炉冶炼生铁过程重产生的固体废 渣自然冷却而成，具有原料足，造价低的特点。 工程特点： 1、稳定性 2、堆积密度 3、变形模量。 一般的矿渣的变形模量大于或等于砂、碎石等垫层的 变形模量。当垫层压实复合标准，则具有线性变形的特点； 如压实不佳，强度不足，并具有显著的非线性变形。 4、环境效应。要求复合放射性安全标准，容易受酸碱影响 的基础和材料不能用矿渣，大量使用时，应考虑对地下水 和土的环境影响。
二、填土的压实机理
1、粘性土的压缩有一个最优含水率问题 2、一般的土都含有些细粒，或者粘粒，粘性土的含量的 多少影响到最优含水量的大小，粘粒越多，最优含水量 越大，反之亦然。 3、最优含水率一般是在实验室内的击实实验得到的。 4、对于土的压实，不同的压实功能，也会影响到最优含 水量的值。如对于同种土，压实功能越大，则需要的最 优含水量要相应降低。 5、现场施工的土料，土块大小不一，含水量和铺填厚度很 难控制均匀，实际压实土的均质性差。对现场土的压实， 应以压实系数 土的控制干密度与最大干密度之比） λc 与施工含水量来检验
换土垫层地基处理方法施工实例
换土垫层地基处理方法施工实例地基处理方法是建筑工程中非常重要的一个环节，其质量直接影响着建筑物的安全性和使用寿命。
在这里，我们将介绍一种常用的地基处理方法：换土垫层法，并结合施工实例进行说明。
一、换土垫层法的概念换土垫层法是一种改善地基土质条件，提高地基稳定性的地基处理方法。
换土垫层的目的是通过清除原有松软、有机质含量高的地基土层，采用坚实的砂土或碎石等作为新的地基，从而提高地基的承载力和稳定性。
二、换土垫层法的施工步骤1.现场勘测和设计：地基处理是建筑施工的重要环节之一，因此，在进行换土垫层处理前，需要对施工现场进行详细的勘测和设计。
2.清理原有土层：在施工前，需要将原有的松软、有机质含量高的土层清理干净。
清理后，需要进行地面硬化，保证施工时的平整度和稳定性。
3.选材和运土：在对地面进行硬化后，需要选用坚实的砂土或碎石等作为新的地基。
在运土过程中，需要注意控制运输车辆的速度和质量，避免对地面造成损坏。
4.铺设新的地基：在选材和运土完成后，需要将新的地基均匀地铺设于原有土层之上。
铺设完毕后，需要进行细化压实，保证地基的密实度和稳定性。
5.进行验收和回填：在施工完成后，需要对地基进行验收，并对施工质量进行检查。
在验收合格后，进行回填工作，保持施工现场的整洁和平整。
三、施工实例某工地在进行新建地下停车场工程时，施工现场发现原有土层松软且有机质含量较高，不能满足地下停车场的承载力和稳定性要求，根据现场实际情况，决定采用换土垫层法进行地基处理。
在施工前，进行了详细的勘测和设计，并确定了施工方案和选材方案。
在施工过程中，按照施工步骤进行操作，清理了原有松软、有机质较高的土层，选择了坚实的砂土作为新的地基，运输车辆严格按照规定的速度和质量进行运输，确保土壤不会出现松散现象。
在铺设新的地基过程中，施工人员进行了细化压实，保证地基的密实度和稳定性。
在施工完成后，进行了严格的验收和检查，并对施工现场进行了回填处理。
2021.3.21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。
1、换土垫层（1）提高地基承载力地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着基底压力的增大而逐渐向纵深发展。
因此，若以强度较大的砂或其它填筑材料代替软弱土层，就可提高持力层承载力，从而避免地基破坏。
（2）减少地基沉降量基础下地基浅层部分的应力较大，其沉降量一般在地基总沉降中所占的比例也较大，若以密实的砂或密实填筑材料代替浅层软弱土，就可减少地基的大部分沉降量。
另外，由于密实垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层上的压力较小，因此也相应减少了下卧土层的沉降量。
（3）加速软弱土层的排水固结由于砂或碎石等垫层材料的透水性大，当软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力得以迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结，从而提高地基土强度。
（4）防止地基土冻胀由于粗颗粒垫层材料的孔隙较大，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。
2、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。
换土垫层法
换土垫层法本章概述1．换土垫层的概念2．换土垫层适用条件3．换土垫层的五个作用4．换土垫层的设计5．换土垫层的施工要点6．换土垫层法的质量检验方法本章重点与难点重点掌握换土垫层的概念、适用条件及其五个作用；对砂垫层厚度、宽度的设计；换土垫层法的质量检验方法。
第二章换土垫层法第一节概述当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，而软土层的厚度又不很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并夯压（振实）至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换土垫层法（Replacement Memod）。
换土垫层法常用作为浅层处理地基的方法．而重锤夯实法、机械碾压法和振动压实法，则是换土垫层法中采用不同的压实机具对换填地基土进行夯（压、碾）实的不同施工方法。
换土垫层法还包括低洼地域筑高（平整场地）或道路筑高（道路路基）。
对回填不同材料形成的垫层，可称之为该材料垫层、如碎垫层、干渣垫层、和粉煤灰垫层等。
换土垫层的作用是：（1）提高地基承载力，并通过垫层的应力扩散作用，减少垫层下．天然土层所承受的压力。
从而使地基强度满足要求；（2）垫层置换了软弱土层，从而可减少地基的变形量；（3）加速软土层的排水固结；（4）调整不均匀地基的刚度；（5）对湿陷性黄土、膨胀土或季节性冻土等特殊土，其目的主要是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性。
换土垫层法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等地等地基土的浅层处理．常用于轻型建筑、地砰、堆料场和道路工程等地基处理工程中。
大面积填土产生的大范围地面负荷，其影响深度较大，地基土的压缩变形量大，沉降延续时间长，与换土垫层法浅层处理地基的特点不同，因而对大面积填土地基进行设计和施工时，地面堆载要力求均衡，避免大量、迅速、集中堆载，并应根据使用要求、堆载特点、结构类型和地质条件等来确定允许堆载量的大小和范围。
地基处理—换土垫层法(基础工程)
在软土层上回填好土
2.5.1 换填法
软土层较厚时，将基础下面一定范围内的软土挖去, 回填强度高、压缩性低、无侵蚀性的材料作持力层。采用 砂石、灰土、矿渣、素土等材料换土的地基分别称为砂石 地基、灰土地基、粉煤灰地基。
对于解决荷载较大的中小型建筑 物的地基问题比较有效。 处理深度通常控制在3m以内时 较为经济合理。
碾压法 250～350 8～12
60～100kN压路机往复碾压
备注
不宜使用干细砂或含泥 量较大的砂铺筑砂垫层
湿陷性黄土、膨胀土、 细沙地基不得使用
适用于砂石垫层 ①适用大面积砂石垫层 ②不宜用于地下水位以 下的砂垫层
●地基底面标高不同时，边坡应挖成阶梯形（或平缓 斜坡），每层错开0.5~1.0m，按先深后浅的顺序分层铺设， 搭接处充分夯实。
对于承受振动荷载的地基，不应 选择换填垫层法进行处理。
各种换填材料的适用范围
换土种类
适用范围
砂石（砂砾、 碎卵石） 垫层
土 素土垫层 垫 层 灰土垫层
适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理； 不宜用于湿陷性黄土地基，也不适宜用于大面积堆载、密 集基础和动力基础的软地基处理；可有条件地用于膨胀土 地基；砂垫层不宜用于有地下水且流速快、流量大的地基 处理；不宜采用粉细砂作垫层。
B′
垫层底宽确定后，按照基坑的坡度向上延伸至基础底面。
②砂石垫层材料要求：
●宜选用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾石、碎石、
石屑等，含泥量不宜超过5%；
●在缺少中粗砂和砾石地区，也可采用细砂，但同时宜掺入最
大粒径不宜大于50mm碎石或卵石，以保证垫层的密实和稳定，其掺 量按设计，不少于总重30%，不大于50%；
换土垫层法浅析
50科技创新导报 Science and Technology Innovation Herald1 引言由于城市的扩大化,许多建筑需要在软弱地基上修筑,为了使厚度不是很大的软弱地基能够满足建筑物的承载力和变形要求,可对软弱地基实施换土垫层法施工。
笔者将工作中的经验总结本文,供同行参考。
2 适用范围换土垫层法是一种地基处理方法,适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、杂填土地基及暗沟、暗塘及山地不良地基等的浅层处理。
3 设计计算3.1垫层厚度的确定垫层的厚度可根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力来确定。
表达式如下。
p z +p cz ≤f z f z —垫层底面处土层的地基承载力(kPa)p z —垫层底面处土的附加压力(kPa)p cz —垫层底面处土的自重压力(kPa)计算时,一般可根据垫层的容许承载力确定出基础宽度,再根据软弱下卧层的承载力确定出垫层的厚度。
垫层底面处的附加压力,可按下式确定:条形基础 p z ＝b (p －p c )/(b +2Z tan θ)矩形基础 p z ＝bl (p -p c ) /(b +2Z tan θ)(l+2Z tan θ)式中p —基础底面压力(kPa)p c —基础底面处土的自重压力(kPa)l 、b —基础底面的长度和宽度(m)Z —垫层的厚度(m)θ—垫层压力的扩散角,可按下列表格查表选取。
《建筑地基处理技术规范》(J G J 79-2002)压力扩散角θ(°)(如表1）注:(1)当Z /b <0.25时,除灰土仍取28外,其余材料均取0,必要时宜由试验确定。
(2)当0.25<Z /b <0.5时,θ值可内插求得《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)地基压力扩散角θ(°)（如表2）注:(1)E s1为上层土压缩模量;E s2为下层土压缩模量。
(2)当Z /b <0.25时,θ＝0°,必要时宜由试验确定。
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2.3.2 素土（灰土、二灰）垫层设计
(1)素土、灰土垫层简介
素土垫层（土垫层）
湿陷性黄土地区
灰土垫层（石灰与土体积比2：8，3：7） 处理厚度1-3m
减小地基的 总湿陷量(以 土治土)
分类
素土垫层
消除湿陷性
灰土垫层
消除湿陷性， 提高承载力和
水稳性
局部垫层
整片垫层
设置在矩形基础或条基下，每边 超出基底宽度不小于其厚度一半， 用于消除地基部分湿陷量；无法 阻水从垫层侧面渗入下部未处理 湿陷性土层。
第2章 换土垫层法（换填法）
Cushion
2.1 垫层分类和适用范围
换填法是指挖去地表浅层软弱土层，回填坚硬、较粗粒径的材料， 并夯压密实，形成垫层的地基处理方法。
垫:7 工业废料：粉煤灰，矿渣
土工合成材料、聚苯乙烯板块
适用范围
2.击实曲线特点：具有峰值：峰值点对应于ρdmax和ωop。
工程中常按ωop＝ωp±2
2.0
dmax=1.86
1.8
塑限等于土样 风干时的含水
量
干密度d(g/cm3)
1.6
wop=12.1
1.4
0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%)
3.测定最佳含水量方法：击实试验
试验所用设备：击实仪
机
下易于移动而挤密，所以压实效果较好 ，直至wop时达到ρdmax
理
W继续增大，孔隙中就出现了自由水，此时自由水填充在孔隙中，产
生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，ρd 反而减小。
1.最优含水量:在一定压实能量下，使土最容易压实，并能达到 最大干重度的含水量wop，与之相对应的干密度称为最大干密 度ρdmax
(3)砂垫层的承载力确定
a.经换填垫层处理的地基其承载力宜通过试验、尤其是通过现场原位试验（载 荷、标贯、触探）确定。中砂、粗砂、砾砂垫层应控制密实度在中密以上。 b.对于按《建筑地基基础设计规范》划分安全等级为三级的建筑物及不太重要、 小型、轻型或对沉降要求不高的工程，在无试验资料时可按下表取用承载力特 征值。
现场填土的压实质量用下列两个指标来检验：压实 系数λc=ρd/ρdmax、施工含水量w=wop±2%
护筒 导筒 击实筒
击锤
2.3垫层设计
换土垫层作用
软土
（1）提高地基的承载力
（2）减少地基沉降量
垫层
（3）加速软弱土层的排水固结
（4）防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用
2.3.1砂（或砂石、碎石）垫层设计
重
土或灰土
锤
0.93-0.95
150-200
注：压实系数小的垫层承载力取低值，反之取高值
(4)沉降计算
垫层地基沉降分二部分:一是垫层的沉降；二是软弱下卧层的沉降。由于垫层材 料模量远大于下卧层的模量，所以在一般情况下，软弱下卧层沉降量占整个沉降量 的大部分。
经观测及大量工程经验表明，经换填垫层进行局部处理后，往往由于软弱下卧层 的变形，建筑物地基仍将产生过大的沉降及差异沉降，故应按《地基基础规范》中 变形计算方法进行建筑物沉降计算，保证地基处理效果及建筑物安全。
施 工
换填材料
压实系数λc 承载力特征值fak/kPa
碎石、卵石
200-300
砂夹石（碎、卵石占30%-50%）
碾
压
土夹石（碎、卵石占30%-50%）
或
振 密
中砂、粗砂、砾砂
粘性土和粉土（8<IP<14）
灰土
0.94-0.97 0.93-0.95
200-250 150-200 150-200 130-180 200-250
不同材料垫层（如砂垫层、粉煤灰垫层、矿渣垫层）的特性 基本相似，处理稳定后的地基承载力及沉降也相差不大，所 以可将各种材料的垫层近似按砂垫层进行设计。
(1)砂垫层的厚度
垫层厚度应满足：
垫层的厚度一般不宜大于 3m ,太厚施工较困难,太薄 ( < 0. 5m) 则垫层的作用不 显著。
pz pcz faz
适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填 土及暗沟、暗塘等浅层处理 。
开挖基坑后，利用分层回填夯压也可处理较深软弱土层， 但换填基坑开挖过深，因地下水位高，需降水；坑壁放坡 或边坡支护；易引起邻近结构物破坏，且土方量大，费用 高，工期长，对环境影响大，故换填法的处理深度应控制 在0.5-3m
2.2 土的压实机理
因换填法在换填后将土层压实，从而提高了地基的承载力。为 了更好的掌握换填法的机理，首先应了解土的压实机理。
压实的本质
土料孔隙率减小，密实度提高
W较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，还不 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。
压
实
W增大，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实功能条件
直至满足前式
矩形 基础
pz
bl( pk pc ) ( b 2z tanθ )( l 2z tanθ
)
pk—基底平均压力；
Z=0.5-3m
pc—基础底面处土的自重应力；
θ— 垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，当无试验资料时可采用下表
数值：
(2)砂垫层的宽度
垫层底面宽度应满足基底面应力扩散要求
轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土， 击 实 筒 容 积 为 947cm3 ， 击 锤 质 量 为 2.5kg 。 把 制 备 成 一 定 含 水 量 的 土 料 分 三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀 锤击25下，击锤落高为30.5cm 重型击实试验适用于粒径小于20mm的土， 击实筒容积为2130cm3，击锤质量为4.5kg， 击锤落高为45.7cm 。分五层击实，每层56 击。根据击实后土样的密度和实测含水量 计算相应的干密度
b' b 2z tanθ
b′—垫层底面宽度，m。
注意：垫层顶面宽度宜超出基础 底面每边不小于300mm，或从 垫层底面两侧向上按开挖基坑的 要求放坡 。
放坡1： 3
确定垫层宽度时，除应满足应力扩散的 要求处同，还应考虑垫层应有足够的宽 度及侧面土的强度条件，防止垫层材料 向侧边挤出而增大垫层的竖向变形量。
pz—垫层底附加应力设计值； pcz—垫层底面处土自重应力标准值； faz—垫层底面处下卧层土经深度修正后 的地基承载力的特征值（设计值）。
垫层底附加应力pz
条形 基础
pz
b( pk pc ) b 2z tanθ
计算时可先假设一个垫层厚度， 然后按前式进行验算，若不符 合要求重新设一个厚度再验算