换填垫层法的垫层设计
地基处理换填法
机械碾压法是采用各 种压实机械来压实地基土， 此法常用于基坑面积宽大 和开挖土方量较大的工程。 在工程实践中，对垫 层碾压质量的检验，要求 获得填土最大干密度。 施工参数：如施工 机械、铺筑厚度、碾压 遍数与填筑含水量等都 必须由工地试验确定。
土类和场地对碾压设备选用的影响
粘性土等软弱土 平碾或羊足碾 砂土、湿陷性黄土、 杂填土 狭窄场地，边角 碎石土 平碾 振动碾或振动压实机 蛙式夯实机
3.垫层的作用： (1)提高持力层的强度，并将建筑物基础压力扩散到 垫层以下的软弱地基； (2)垫层置换了软弱土层，可以减少地基的变形量； (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， 其处理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。 4. 换填法适用土类：淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素 填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层处理。
2.3 土的压实作用
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。
一、土的压实机理 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。 1.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。
lb(PK - Pc ) 矩形基础：Pz (l 2ztg )(b 2ztg ) b(PK - Pc ) 条型基础： Pz b 2ztg
砂垫层的厚度一般不宜大于3m，太厚则施工困难； 也不宜小于0.5m，太簿则换土垫层的作用不显著。 3.垫层宽度 应根据垫层侧面土的承载力来决定，砂垫层底部宽 度b′可由下式或根据当地经验确定。
地基加固换填垫层施工方法要点
地基加固换填垫层施工方法要点1、换填垫层适用范围换填垫层适用于浅层软弱土层或不均匀土层的地基处理，厚度宜为0.5m~3.0m。
2、垫层材料（1）砂石：对具有排水要求的砂垫层宜控制含泥量不大于3%；对湿陷性黄土或膨胀土地基，不得选用砂石等透水性材料。
（2）粉质黏土：用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质黏土垫层，土料中不得夹有砖、瓦或石块等。
（3）灰土：体积配合比宜为2:8或3:7。
（4）粉煤灰：选用的粉煤灰应满足相关标准对腐蚀性和放射性的要求；粉煤灰垫层上宜覆土0.3m~0.5m。
（5）矿渣：对易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。
（6）土工合成材料加筋垫层。
3、垫层施工方法（1）除接触下卧软土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，其他垫层的分层铺填厚度宜为200mm~300mm。
（2）粉质黏土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在ωop±2%的范围内，粉煤灰垫层的施工含水量宜控制在ωop±4%的范围内。
（3）在碎石或卵石垫层底部宜设置厚度为150mm~300mm的砂垫层或铺一层土工织物，并应防止基坑边坡塌土混入垫层中。
（4）除砂垫层宜采用水撼法施工外，其余垫层施工均不得在浸水条件下进行。
（5）灰土夯压密实后，3d内不得受水浸泡。
（6）土工合成材料铺设顺序应先纵向后横向，应避免暴晒或裸露，阳光暴晒时间不应大于8h。
4、质量检验（1）换填垫层的施工质量检验应分层进行，并应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层。
（2）采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应选择位于每层垫层厚度的2/3深度处；检验点数量，条形基础下垫层每10m~20m不应少于1个点，独立柱基、单个基础下垫层不应少于1个点，其他基础下垫层每50m2~100m2不应少于1个点；采用标准贯入试验或动力触探法检验垫层的施工质量时，每分层平面上检验点的间距不应大于4m。
（3）竣工验收应采用静载荷试验检验垫层承载力，且每个单体工程不宜少于3个点；对于大型工程应按单体工程的数量或工程划分的面积确定检验点数。
换填垫层法工程实例
3 设计及施工要点：
1、换土层垫层设计 人工设计的换土层要以第四层圆砾土层的力学性质
为依据，两者力学指标越接近效果越对第四层圆砾土层组成 结构进行试验分析，结果如下表：
根据第四层土的情况设计砂砾土的级配方案如下：
根据上表中的级配方案进行压缩试验，分级加压， 其试验结果如下： 最终，根据土工试验规程，该工程采用第六组级配 方案施工。
4）选取若干测点，对换土层进行土工试验和标准 贯入试验，测出其有关物理力学指标，平均指标如 下：
从以上两表的指标比较来看，换土层的物理力学 性质与圆砾层非常接近，这样两层土体结合，较好 的改善了持力土层受力变形特性，满足设计要求。
结语
1）该工程投入使用后，使用情况良好，无明显沉降 和其他变形，这说明在条件适合的情况下，采用 换填垫层法是解决软土地基承载力不足的有效途 径。
2、如果采用混凝土预制桩，则需要穿过平均厚 度为3.65m 的圆砾层，该圆砾层结构紧密，承载力 较高，进桩十分困难，工期可能受到影响；而且预 制桩穿过圆砾层后，还需继续进桩18.8m 才有可塑 性黏土做持力层。该土层k=200kPa，按摩擦桩设 计，承载力显然偏低，因此预制桩施工造价偏高， 无明显优势。
2 设计方案选择：
1、由于地下水位埋深较高，且在含水层内有 3.95m 的粉土细砂，岩层较深。如果采用人工挖 孔桩，则在开挖过程中，由于初始静力平衡遭到 破坏，很可能会出现管涌现象，甚至会造成邻房 开裂。如果采用水泥幕墙挡水方式来解决高水位 问题，其费用又较高，工期较长，所以人工挖孔 桩基不适合该工程。
换填垫层法工程实例
1 工程概况：
某大楼建筑面积8082.5㎡，地上15层，地下1层， 总高度为51.5m，地下水位3.8m。地层分为8层：
3换填法
11.6
kN
/
m3
垫层下淤泥承载力计算根据GB50007-2002查表可知：d 0.5)
65 1.011.6(1.0 2.0 0.5) 94.0 kPa
pcz o (d z) 11.6(1.0 2.0) 34.8 kPa
测资料时，可参见下表估算垫层承载力特征值 。
施工方 法
表3－3各种垫层承载力
压实
换填材料类别
系数
λc
碎石、卵石
承载力特征值fak(kPa) 200～300
砂夹石（其中碎石、卵石占全重
碾 压 或
的30%-50%）
土夹石（其中碎石、卵石占全重 的30%-50%）
0.94～ 0.97
振
中砂、粗砂、砾砂
密
粘性土和粉土（8＜Ip＜14）
70
1.112.
=150+1.0 17.2(1.0-0.5)
=158.6 kPa
(3) 确定基础宽度b：
换填垫层法 F
垫层承载力特征值须满足：
G
垫层承载力≥基底压力
即：fa≥(F+G)/A
则： b F
200
1.44 m
fa cd 158.6 20 1.0
其中： fa－垫层承载力特征值； F－载荷；
地基承载力特征值faz计算
换填垫层法
faz fak b (b - 3) d m (d - 0.5) （3－5）
faz：垫层底面处修正后的地基承载力特征值，kPa： fak：垫层底面处地基承载力特征值，kPa； γ：垫层底面以下土的天然容重，地下水位以下用浮容重， kN/m3； γm：垫层底面以上土的加权平均容重，kN/m3；地下水位以下用 浮容重，kN/m3；
基础换填垫层设计施工方案
基础换填垫层设计施工方案一、工程概况：1.1工程简介“即墨市南关等14个村（居）城中村改造项目”工程位于青岛即墨市蓝鳌路以南、墨水河以北、大同街以东、东关街以西。
B1-1区地块中11#、12#、14#、15#共有4个楼座需进行换填处理，地基处理后要求承载力特征值不小于350kpa。
1.2工程地质条件地形、地貌:场区地形整体东高西低，勘探孔口标高18.90米～23.00米。
地貌类型：侵蚀堆积缓坡，后经人工回填改造。
工程地质条件：根据钻探揭露，场区第四系厚度中等，以全新统人工填土层和陆相洪冲积层为主，地层结构简单，层序清晰；场区基岩为白垩系莱阳群泥岩，呈岩基产出。
各土层分布特征及其物理力学性质分述如下：第(1)层、杂填土:杂～褐色，稍湿，松散～稍密；以回填粘性土、砂土为主，上部混有较多碎石、碎砖、瓦片等建筑垃圾，粒径约2～6cm，局部见生活垃圾。
第(7)层、粉质粘土:黄褐色～褐色，可塑，具中等压缩性；韧性一般，干强度中等，含铁锰氧化物及结核，切面较光滑，结构性一般，局部夹大量姜石，粒径约2～5cm，含少量粗砂。
第(7-1)层、细砂，黄褐色，饱和，稍密；以长石、石英为主要矿物成分，磨圆一般，分选一般，砂质较纯净.第(9)层、圆砾，黄褐色，饱和，密实；以长石、石英为主要矿物成分，磨圆较好，分选较差，含少量粘性土，含约10%～20%卵石，粒径约3～5cm。
第(16)层、泥岩强风化带:红褐色，泥质结构，层状构造。
以长石、石英及粘土矿物为主要成分，风化程度较高，矿物蚀变强烈，岩芯手搓呈细状，夹角砾状颗粒，手搓易碎。
二、编制依据该施工组织设计的编制主要依据：招标文件及图纸；现行规范、规程以及现场实际情况。
主要规范、规程如下：《即墨市南关等14个村（居）城中村改造项目B-1区岩土工程勘察报告》《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012)《建筑地基基础施工质量验收规范》(GB50202-2002)三、施工准备3.1 材料及主要机具：3.1.1回填材料：按图纸要求应采用蚀变程度较轻的花岗岩风化碎屑，拌合5%水泥，不能惨杂植物残体、生活垃圾等杂质，不得使用淤泥、耕土以及有机质含量大于5%的土体。
地基处理方法之换填垫层法【最新版】
地基处理方法之换填垫层法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。
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。
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。
3 换填垫层法
山东科技大学 王清标
3.4 换填垫层法施工技术
3.4.1 施工方法 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。 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。
山东科技大学 王清标
2）最优含水量
工程上，对垫层碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度 dmax ，一般可通过室 内击实试验确定 dmax 。
粗砂
干密度ρ d /g.cm
干密度ρ d /g.cm
粉质 粘土
c b d a
粘土
最大干密度必须是 针对某一特定的压 实功能而言的。
含水量w/% 含水量w/%
砂土和粘土的压实曲线
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 。
山东科技大学 王清标
施工含水量:
w wop (2% ~ 3%)
压实系数:
c d / dmax
dmax w .d s
1 0.01wop .d s
土的最大干密度:
3.2.2 土的压实原理 1）土的压实原理
山东科技大学 王清标
①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。
②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。
2_JGJ79-2012_地基处理_换填垫层
质量检验
环刀取样宜在2/3处，基础下检验点不应少于1个点。 验收应采用静载试验，确定承载力，每个单体不少于3 个点 加筋垫层：无破损、锚固劳靠、搭接缝错开
120kPa
1m 15m
基本原理
黏土：结合水膜 砂土：相对密实度
基本原理
1. 最优含水量：塑限+2~4% 2. 最大干密度：与含水量有关。
3. 压实功。含水量越小，夯实功越大。
4. 压实方法：现场确定，室内试验仅参考。 5. 颗粒大小、级配、矿物、填料等均有影响
一般规定
适用浅层软弱土层或不均匀土层 综合分析建筑、结构、荷载、土质条件、设备，进行 换填设计、施工 进行现场实验、确定压实效果
厚度宜为0.5~3.0m
设计-材料选用
1. 砂石：碎石—中砂（0.25mm）。粉细砂应掺30%碎 石。最大粒径不宜大于50mm。 2. 粉质黏土：有机质不得超过5%。 3. 灰土：配合比2：8或3：7，新鲜消石灰。
灰土是将石灰粉和黏 土按一定比例拌和均 匀,在一定含水率条件 下夯实而成。
地基处理—换填垫层
主讲：崔德山
目录
定义 基本原理 一般规定 设计 施工 质量检验
换填垫层(Replacement layer of compacted fill)
挖除基础底面下一定范围内的软弱土层或不均匀土层， 回填其他性能稳定、无侵蚀性、强度高的材料，并夯 压密实形成的垫层。
设计-材料选用
4. 粉煤灰：满足腐蚀性要求，宜覆0.3~0.5m土 5. 矿渣：高炉重矿渣。重度不应小于11kN/m3，含泥 和有机质不超过5%。
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砂、砺砂、角砾石屑、卵 粉质粘土、 石、碎石、矿渣 粉煤灰
灰土
f a基承载 η 50
b
η 0
D
1
20 30
6 23
28
灰土取φ =28° 外，其余材料φ =0° ，必要时1 垫层厚度确定
图3 垫层宽度B确定
图2 垫层宽度确定
c. 按b z=b +2z /3决定宽度，且b z ≥b +0.6m 8.8 ≥ 8.6 z ＞2m，b z适当加宽 b z ≥b +1.4m ≥ 垫层厚度一般可取 b z ≥b +2.5z z= 9.4 0.32
图3 垫层宽
L 基础长 F 轴力
γ 土容重 D 基埋深 f a基承载 η
b
η
D
17.5 5600 18 0.1 40 0 1 f az基承修=f a+η bγ (b -3)+η Dγ m(D -0.5) 地基基础设计规范表5.2.4 40
20 30
注：1.当z /b ＜0.25，除灰土取φ =28° 外，其余材料 2.当0.25＜z /b ＜0.5，φ 值可内插值求得。
8.6 ~ 8
8.8
b. 参照垫层侧面土的承载力决定垫层宽度B 。 40 B ≥b +（0~0.36）z f 侧≥200kPa B ≥b +（0.6~1.0）z 200kPa＞ f 侧≥120kPa f 侧＜120kPa B ≥b +（0.6~2.0）z 8.72 ~ 10.4
中砂、粗砂、砺砂、角砾石屑、卵 石、碎石、矿渣
z 垫层厚 φ 扩散角 b 基础宽 1.2 14.5 40 30 21.6 8 23.4 15.7 p 基底压 p 0基底土 p cz垫底土
三、垫层宽度 宽度定为 8.80 b '≥b +2z tanφ ≥ 1、按公式计算 9.39 2、按经验 a. 参照垫层厚度 z 决定垫层尺寸 一般垫层厚度为1~1.5m，不宜大于3m和小于0.5m。 b' =b +2（300~400）mm = 当z≤1.2m b z =b = 当z＞1.2m b z=b +2z tanφ =