(土建施工)换土垫层法

换土垫层法
一、换土垫层的概念：
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
二、换土垫层适用条件：
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。

三．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。

四．换土垫层的设计
1、砂垫层厚度的确定
砂垫层的厚度一般是根据砂垫层底部软土层的承载力来确定的，即作用在垫层底面处土的附加应力与自重应力之和，不大于软弱层的承载力设计值，如图2－1所示，并符合下式要求：
式中p z—垫层底面处的附加应力设计值（kPa）；
p cz—垫层底面处土的自重应力标准值（kPa）；
f z—经深度和宽度修正后垫层底面处土层的基承载力设计值（kPa）。

图2－1垫层内应力分布
砂垫层底面处的附加应力，除了可以采用弹性理论的土中应力公式求得外，也可按应力扩散角θ进行简化计算：
条形基础：
（2－2）矩形基础：
（2－3）式中b—矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；
l—矩形基础底面的长度（m）；
P—基础底面压力的设计值（kPa）；
Pc—基础底面处土的自重应力标准值（kPa）；
Z—基础底面下垫层的厚度（m）；
θ—垫层的应力扩散角（0）。

各种换填材料的应力扩散角θ值见表（2－1）。

表2－1压力扩散角θ（0）
注；当z／b<0.25时，除灰土取θ=30°外，其余材料均取θ=0o；
当0.25<÷<0.5时，θ值可内插求得。

砂垫层厚度计算时，一般是先根据初步拟定的厚度，再用公式（2－1）进行复核。

砂垫厚度一般不宜大于3m，太厚则施工困难；也不宜小于0.5m，太薄则换土垫层的作用不明显。

2、砂垫层宽度的确定
砂垫层底宽度b′（以m计）应满足基础底面应力扩散的要求，可以按下式计算或根据当地经验确定。

b′b十2ztgθ（2－4）在基础底面标高以下所开挖的基坑侧壁呈直立状态时，则垫层顶面角边比基础底边缘多出的宽度应不小于300mm；
施工方法换填材料类别压实系数承载力标准值f k（kPa）
碾压或振密
碎石、卵石200～300
砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30％～50％）200～250
土夹石（其中碎石、卵石占全重的30％～50％）
0.94～0.97
150～200 中砂、粗砂、砾砂150～200
粘性士和粉士（8<I P<14）130～180
灰土0.93～0.95 200～250
重锤夯实土或灰土0.93～0.95 150～200
注：1．压实系数小的垫层，承载力标准值取低值，反之取高值；2．重锤夯实土的承载力标准值取低值，
灰土取高值；3．压实系数λ为妻的控制千密度与最大干密度的比值；
五、垫层施工
1、砂垫层的施工要点
1）．砂垫层和砂石垫层的材料，宜采用题起级配良好，质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、卵石或碎石，石子的粒径不宜大于50mm，砂、石料中不得含有杂物，含泥量不应超过5％。

对用作排水固结的砂垫层，其含泥量不宜大于3％。

粉细砂也可以作为垫层的材料，但因其不易压实，而且强度也不高，此时宜掺入25％～30％的碎（卵）石，以保证垫层的密实度和稳定性。

2）．为了使砂垫层达到设计要求的密实度，施工时需要把握的关键问题是：控制好采用各种夯（压、振）实方法时的分层铺筑厚度及施工时的最优含水量和最大干密度。

项次夯（压、振）
实方法
每层铺筑厚
度（mm）
施工时
最优含
水量
（％）
施工情况备注
1 平振法200～250 15～
20
用平板式振捣器往复振捣
不宜使用于细砂
或含泥量较大的砂
所铺筑的砂垫层
2 插振法振捣器的插
入深度
饱和
用插入式振捣器，插入间距可根据机械振幅大小决
定．不应插至下卧粘性土层。

插入完毕后所留孔洞，应
甩砂填实
3 水撼法250 饱和
注水高度应超过每次铺筑面层，用钢叉摇撼捣实插入
点间距为100mm，摇撼十几下，感觉砂子已沉实时。

便
将钢叉拔出
湿陷性黄土及膨
胀土地区不得使用
4 夯实法150～200 8～12
用木夯（重0.04t）或机械夯，落距为40cm～50cm，夯时需一夯压半夯，全面夯实
5 辗压法250～350 8～12 6t～10t压路机往复辗压
适用于大面积垫层，不宜用于地下水位以下的砂垫层
注：1．在地下水位以下的垫层，其最下层的铺筑厚度可比上表增加50mm。

2．如用振动压路机，则每层铺筑厚度可以提高。

3）．在软土层上采用砂垫层时，应注意保护好基坑底部及侧壁士的原状结构，以免降低软土的强度。

在垫层的最下面一层，宜先铺设150mm～mm厚的松砂，用木夯仔细夯实，不得使用振捣器．当采用碎石垫层时，也应该在软土上先铺一层厚度为150mm～300mm的砂垫底。

4）．当用细砂作为垫层材料时，不宜使用振捣法和水撼法．
5）．当用人工级配的砂石铺设垫层时，应将砂石拌和均匀后，再进行铺筑和捣实．
6）．铺筑前应先行验槽。

浮土应清除，边坡必须稳定，防止塌土．基坑（槽）两侧附近如有低于地基的孔洞、沟、井和墓穴等，应在未做垫层前加以填实。

另外，垫层施工前必须在室内做击实试验。

二、三种不同的垫层施工方法
1．机械碾压法
重锤夯实法是利用起重机械将夯锤提升到一定高度，然后自由落下，不断重复夯击以加固地基。

重锤夯实法一般适用于地下水位距离地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土地基。

重锤夯实的现场试验成确定最少的夯遍数，最后两遍的平均夯沉量和有效夯实深度等．一般重锤夯实的有效夯实深度约为锤底直径的一倍左右，并且可以消除1.0m～1.5m厚土层的湿陷性。

3．平板振动法
平板振动法是使用振动压实机（图2－4）来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的一种浅层地基处理方法。

对主要由炉渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾，振实时间约在1分钟以上；对含炉灰的细粒填土，振实时间约为3分钟～5分钟，有效振实深度为1.2m～1.5m
六、垫层质量检验
1、环刀取样法
2、贯入测定法
检验时应先将垫层表面的砂刮去30mm左右，并用贯入仪、钢筋或钢叉等以贯入度大小来检查砂垫层的质量，以不大于通过试验所确定的贯入度为合格。

钢筋贯入测定法是用直径为20mm，长125cm的平头钢筋，举起并离开砂层面0.7m处自由下落，插入深度根据该砂的控制干土重度确定。

钢叉贯入测定法是采用水撼法使用的钢叉，将钢叉举离砂层面0.5m处自由落下。

同样，插入深度应该根据此砂的控制干土重度确定。