第3章--换填垫层法

3.2 垫层的作用 3.2 Functions of Cushion




1、提高持力层的强度，将基底压力扩散到垫层以下 的软弱地基，使软弱地基土中所受应力减小到该软弱 地基土的容许承载力范围内，满足强度要求； 2、垫层置换软弱土层，可减少地基的变形量； 3、加速软土层的排水固结。垫层材料透水性大，软 弱土层受压后，垫层作为良好的排水面，使基础下的 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； 4、防止冻胀。由于粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易 产生毛细现象，可防止寒冷地区土中结冰造成的冻胀； 5、对湿陷性黄土、膨胀土等特殊土，可以消除或部 分消除地基土的湿陷性、胀缩性。

（4）压缩性。当压实系数为0.9~0.95时,压缩模量
为8～20MPa。

（5）承载能力。粉煤灰具有遇水后强度降低的特 性，无试验资料时，对压实系数为0.9~0.95的浸水 垫层,其承载力可采用120～200kPa，但尚应满足软 弱下卧层的强度和地基变形要求。 （6）渗透性。粉煤灰颗粒组成近似砂质粉土，渗 透系数在10－4～10－5cm/s之间变化，明显大于粘 性土，良好的透水性能给多雨地区的施工带来方便 ，且由于外力引起的孔隙水压力也消散得快。 （7） 抗液化性。粉煤灰经压实后不会发生液化 。
地基处理技术
Ground Treatment Techniques
重庆交通大学 河海学院 吴文雪
3.1 概 述 3.1 Introduction

当软弱土地基的承载力和变形满足不了设计 要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基 础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖 除，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土 、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定、无 侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止， 这种地基处理方法称为换填法，它多用于公路 构筑物的地基处理。在建筑工程中也有一定范 围的应用。
3.4 垫层设计(Design of Cushion)

要求：
1）足够的厚度 ：置换可能受到剪切破坏的软弱 土层 ，满足地基强度和变形的要求 2）足够的宽度 ：防止垫层向两侧挤出增加沉降 3）形成一个排水层面，以利于软土的排水固结

3.4 垫层设计(Design of Cushion)


（3）灰土。体积配合比宜为2：8或3:7。 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。石灰宜用新鲜得 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 筑物、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层 上宜覆土0.3～0.5m。
建筑物基础沉降量等于垫层自身的变形量和软弱 下卧层的变形量 ，即S=SC+SP SC——垫层自身变量（㎜）； SP—— 压缩层厚度范围内（自下卧层顶面，即 垫层底面算起） S--各土层压缩变形之和（㎜）。

4、沉降量计算

垫层自身变形量可按下式计算： SC=（p+ αp ） hs /2Es （2-9）
力特征值（kPa）。 垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。



垫层底面处的附加压力值可分别按下两式计算： b( p k pc ) 对条形基础 pz b 2 z tg 对矩形基础
bl ( p k pc ) pz (b 2 z tg )(l 2 z tg )



（3）压实条件 指压实时被压实土层的特点，所采用压实 机械的功能和性能，压实的方法和方式等。 室内击实试验的结果只能作为工程实践的参 考。 （4）其他因素 土的颗粒粗细、级配、矿物成分和添加的 材料等因素对压实效果是有影响的。颗粒越 粗，就越能在低含水量时获得最大的干密度 ；颗粒级配越均匀，压实曲线的峰值范围就 越宽广而平缓；对粘性土，其压实效果与其 中的粘土矿物成分含量有关。

加固原理： 是根据土中附加应力分布规律，使垫层 承受上部较大的应力，软弱土层承担较小 的应力，以满足设计对地基的要求。




该法常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大 的回填土方工程，一般适用于处理浅层软弱土层 与低洼区域的填筑。一般处理深度为2～3m。 处理的对象：淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀 土、冻胀土、杂填土地基。 换填材料： 砂垫层、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 根据实验结果及实测资料可将各种材料的垫层 设计都近似地按砂垫层的设计方法进行计算。
3.6 垫层施工方法 3.6 Construction of Cushion
2.含水量 施工含水量应尽量接近最优含水量。 3.铺填厚度及压实遍数 应通过现场试验确定。采用不同的施工机械， 要选择与之相应的参数。
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5Βιβλιοθήκη 垫层材料的选用
（1）砂石。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。 （2）粉质粘土。土料中有机质含量 不得超过5％，当含有碎石时，粒径不宜 大于50mm。


（5）矿渣。主要用于堆场、道路和地坪， 也可用于小型建筑物、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％。 （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。 （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。
b b 2 z tg
2、垫层宽度的确定

方法二：按侧面土的承载力标准值确 定
3、垫层承载力的确定

现场试验确定 静载试验、取土分析、标准贯入、动力触 探等综合确定。
3、垫层承载力的确定

不太重要、小型、轻型、沉降要求不高的
4、沉降量计算

比较重要的建筑物或垫层下存在软弱下 卧层的建筑：验算基础的沉降量，使建筑 物基础的最终沉降量小于建筑物的容许沉 降量。
3.3 土的压实原理 3.3 Mechanism of Soil Compactness


1
普洛特（Proctor）假说
当粘性土的含水量较小时，土粒表面的结合水膜 很薄（主要是强结合水），颗粒间很大的分子力阻 碍着土的压实，这时压实效果就比较差；当含水量 增大时，结合水膜逐渐增厚，粒间联结力减弱，水 起着润滑的作用，使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，压 实时，孔隙水不易排出，形成较大的孔隙压力，势 必阻止土粒的靠拢，所以压实效果又趋下降，这就 是土的压实机理。
换土垫层法
垫层种类 适 用 范 围
砂（沙砾、 碎石）垫层 素土垫层
灰土或二 灰土垫层 粉煤灰垫层 干渣垫层
多用于中小型建筑工程的滨、塘、沟等的局部处理。适用 一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理。不宜适 用湿陷性黄土地基，也不适宜大面积堆载。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 作垫层。
第三节 垫层施工


2 控制压实效果的主要因素
（1）最优含水量 在一定的压实机械的功能条件下，土最易于被压 实、并能达到最大密实度时的含水量，称为最优含 水量，相应的干密度称为最大干密度。最优含水量 大致为塑限＋2％。土中粘土矿物含量大，则最优 含水量越大。（实际干密度比理论值小） （2）压实功能 当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小 ，对应的最优含水量则较大。所以，在压实工程中 ，若土的含水量较小，则需选用夯实功能较大的机 具，才能把土压实至最大干密度。
压力扩散角
换填 材料
z/b
中砂、粗砂、 砾砂、圆砾、 角砾、石屑、 卵石、碎石、 矿渣
粉质粘土、 粉煤灰
灰土
0.25
20
6
28
≥ 0.50
30
23
28

2 垫层宽度的确定
方法一： 垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的 要求，可按下式确定：




式中 b’ －－垫层底面宽度（m）； θ －－ 压力扩散角，按上表采用；当在 z/b小于0.25时，仍按表中z/b ＝ 0.25 取值 。 垫层顶面每边超出基础底边不宜小于 300mm。


3.6 垫层施工方法 3.6 Construction of Cushion

二、土的压实参数
1.压实系数λc
d c d max
ρd——现场土的实际控制干密度；ρdmax—— 土的最大干密度。
3.6 垫层施工方法 3.6 Construction of Cushion

无资料时：
d max
pw · ds · 1 0.01· op · ds
pw——水的密度（kN/m3） η——经验系数，粘土取0.95，粉质粘土取0.96，粉土 取0.97； ds——土颗粒的相对密度（土的比重）； ωop——土的最优含水量（%），可按当地经验或取ωp +2（ ωp为塑限），粉土取14～18%。

1 垫层的厚度的确定
垫层的厚度z应根据需置换软弱土的深度或下 卧土层的承载力确定，并符合下式要求：


p z pcz f az

式中 pz－－ 相应于荷载效应标准组合时，垫 层底面处的附加压力值（kPa）； pcz－－垫层底面处土的自重压力值（kPa）；

faz －－垫层底面处经深度修正后的地基承载
适用中、小型工程及大面积回填，湿陷性黄土地基处理。
适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地基的处理， 也可用于膨胀土地基的处理。 用于厂房、机场、港区陆域和堆场等工程的大面积填筑， 粉煤灰垫层在地下水位以下时，强度降低30%左右。 地坪、堆物等工程大面积的地基处理和场地平整，铁路、 道路地基等，但受酸性和碱性废水影响的地基不得用干渣 作垫层。