换土垫层 一、概述 换土垫层法是指将基础底面下一定深 度范围内的软弱土层部分或全部挖去，然 后换填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、 粉煤灰、千渣等性能稳定且无侵蚀性的材 料，并分层夯压至要求的密实度。该法又 称换填法。 当建筑物基础下的持力层比较软弱，不能满足上部荷载对地基的要求时，常采用换土回填法来处理。 换土回填按其材料分为砂地基、砂石地基、灰土地基等。 二、为什么要进行换土垫层施工 在建筑工程实际施工时，如果建筑物的地基土属于不均匀土、冻胀土、软弱土、湿陷性土以及膨胀土等，若对其直接进行建设，则其地基变形以及强度要求都不能满足上部建筑结构所要求的标准，在这种情况下，如果其地基的软土层不是特别厚，就可使用换土垫层施工将其改变。 三、换土垫层的作用 1、提高地基的承载力； 2、减少地基沉降量； 3、加速软土的排水固结； 4、防止冻土； 5、消除膨胀土的胀缩作用。 6、使底筋和土壤隔离不受污染。 7、找平，使底板受力在一个平面 四、垫层的分类 垫层分刚性和柔性（又称沸刚性）两类： 刚性垫层一般是C7.5-C10的混凝土捣成，它适用于薄而大的整体面层和块状面层；
柔性垫层一般是用各种散材料，如砂、炉渣、碎石、灰土等加以压实而成，它适用于较厚的块状面层。 五、换土垫层法原理 当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物要求，而软弱土层的厚度又不很大时，将基础下一定深度内的软弱土层挖去，回填较高强度的砂、碎石或灰土等，并夯至密实 六、换土垫层法施工方法与施工过程 1、施工方法有：机械碾压法、振动压实法、重锤夯实法 （1）机械碾压法：采用各种压实机械来压实地基土。适用于地下水位以上大面积填土的压实 （2）振动压实法：用振动压实机械在地基表面施加振动力以振实浅层松散地基的处理方法。 （3）重锤夯实法：用起重机将夯锤提升到某一高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基 2、施工过程： 在施工时需将建筑基础下的土层挖去，但是挖土深度需控制在一定的范围内。随后对地基内进行换填较高强度、密度较大的灰土、砂、素土、碎石以及矿渣和粉煤灰等稳定性相对较高、且没有侵蚀性的材料，然后对其进行夯实直到达到建筑设计中所要求的密实度。建筑地基换土法在使用的时候，要注意将换土处理深度进行控制，从而使建筑施工过程中相关的经济合理性得到保证，这个深度尽量保持在3米以内。
换填垫层法定义： 当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换填土垫层来处 理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层 夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。 换填垫层法主要作用： 换填法适于浅层地基处理，处理深度可达2～3米。在饱和软土上换填砂垫层时，砂垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。 具体表现为： (1)置换作用。将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。 (2)应力扩散作用。基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。 (3)加速固结作用。用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。 (4)防止冻胀。由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。 (5)均匀地基反力与沉降作用。对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的土料，并在石芽以上也设置垫层；或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧 基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。 因此，换填的目的就是：提高承载力，增加地基强度；减少基础沉降；垫层采用透水材料可加速地基 的排水固结。 1概念 换填法又称换土法。 所谓换土法是指将路基范围内的软土清除，用稳定性好的土、石回填并压实或夯实。在公路施工中，一般采用的是开挖换填天然砂砾,即在一定范围内,把影响路基稳定性的淤泥软土用挖掘机挖除,用天然砂砾进行换置,开挖换填深度在2m以内,采用分层填筑、分层压实、分层检测压实度的方法施工。从而改变地基的承载力特性，提高抗变形和稳定能力。在换填过程中，对于换填的天然沙砾中石头的粒径、含量和级配也应充分考虑，最好做试验检测，避免无法压实而引起沉降。 浅层处理和深层处理很难明确划分界限，一般可认为地基浅层处理的范围大致在地面以下5m深度以内。浅层人工地基的采用不仅取决于建筑物荷载量值的大小，而且在更大程度上与地基土的物理力学性质有关。地基浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的 工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料。 2适用范围 换填法(Replacement Method、Cushion)就是将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动， 使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。 换土垫层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小等优点。 按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层、矿渣垫层以及用其它性能稳定、无侵蚀性的材料做的垫层等。 换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理，用于膨胀土地基可消除地基土的胀缩作用，用于湿陷性黄土地 基可消除黄土的湿陷性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不匀以及岩溶等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力 和防止冻胀损坏等。
重庆开县康园自行车厂厂房工程卵石换填垫层计算和处理方法根据重庆宏源勘测设计有限公司提供的重庆开县康园自行车有限公司厂房工程地勘报告，本工程基础采用卵石垫层法对地基进行处理，即在基础底面影响范围内（每边宽出柱下独立基础基底各范围内），挖除素填土层及及局部的冲洪积层，换填厚的4：3：3 的级配卵石层，在卵石层之上做独立基础。换填卵石层置于粘土层上，粘土层地基基础承载力特征值不小于160 kPa。 具体要求及计算： 一、卵石填料的标准要求： 要求采用级配卵石，其配比关系宜为4：3：3 即： 卵石4（砾径50≥d≥20mm）:圆砾3（砾径20≥d≥2m）m:中粗砂3（砾径2≥d≥）。最大粒径不超过50mm，含泥量﹙＜颗粒含量﹚不超过3%。 二、施工参数： ①、使用18-24吨振动压路机； ②、压路机行驶度≤50m/min ； ③、毎层压实填料虚铺厚度≤40cm； ④、毎层先静压2 遍，再振压8 遍。 三、卵石垫层承载力特征值f ak 的确定 由静载荷试验确定或由N120 超重型动力触探试验确定。由灌水、灌砂法确定其压实系数后，根据压实系数按JGJ79-2002表确定：当压实系数在时，对于地基基础设计等级为丙级的建筑，其承载力特征值可取250kPa。 四、卵石垫层的计算： 1、依据JGJ79-2002规范第条，垫层的厚度Z 应根据下卧层的承载力确 定，并符合下式： Pz+Pc≤z f az
式中：Pz-垫层底面处的附加压力Pcz-垫层底面处土的自重压力f az-垫层底面处土层的地基承载力特征值（深度修正后）。 2、灰土垫层的承载力卵石垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定，本工程的地基础设计等级为丙级，当4:3:3 卵石垫层的压实系数不小于时，其承载力特征值 f a 可采用250kPa。 3、计算基础底面面积A：卵石垫层的地基承载力特征值﹙不做深度修正﹚ f a=250kPa，单柱荷重标准值F k=2400kN，基础埋深d=，基础及上覆土的平均重度γ =20kN/m3。 F k 2400 代入矩形基础面积计算公式： A=lb f d = 250 2.5*20 = 基础宽度b=L ≥ f a d =，取b=L= 4、卵石垫层强度f ak 的验算卵石 垫层的强度要滿足GB5007-2002 规 范中式： f ak≥p k 求基础底面处的平均压力值p k：按GB5007-2002 规范中公式：P F K G K PK A 式中：F K -- 上部结构传至基础顶面的竖向压力=2400kN G K---基础自重和基础上的土重；矩形基础G K= （式中: L、b、d 分别为基础础的长度、宽度和埋深；γ 为基础和上伏土的平均重度取20kN/m3）
16#东头基础承载力计算书 地勘报告采用的标高与总图标高不一致，差值为0.7米，总图上标注16#楼±标高为29.80米，对应地勘报告为30.50米，设计室内外高差0.3米，即设计室外地面对应地勘报告为30.20米，16#东头在地勘剖面上对应第20-20轴的117点。117点处现状地面为29.56米。 现场挖坑的坑底标高为25.0米，从地勘剖面看已深入第3层粘土层约0.5米。分层铺填级配砂石垫层总厚度为1.20米， 1、按照《建筑地基处理技术规范》4.2.2条复核中间轴基础尺寸 式4.2.2-1 z cz ae p p f +≤ 承载力修正用的埋深 5.5d m =，m 1.018，d ηγ==， 01.200.25,0.25=20， 取，查表z z m b θ=> 110 1.018(5.50.5)200ae f kPa =+??-= =5.51899cz p kPa ?= 故20099101z ae cz p f p kPa ≤-=-= 根据公式4.2.2-3 ()(2tan )(2tan ) k c z bl p p p b z l z θθ-=++且b l =，()2100k c bl p p kN -= 2ztan 4.56b m θ+== 4.562ztan 4.562 1.2tan 20 3.69b m θ=-=-??= 2、按照《建筑地基处理技术规范》4.2.2条复核南北边轴基础尺寸 式4.2.2-1 z cz ae p p f +≤ 承载力修正用的埋深 5.2d m =，m 1.018，d ηγ==， 01.200.25,0.25=20， 取，查表z z m b θ=> 110 1.018(5.20.5)194.6ae f kPa =+??-=
换填垫层法定义
换填垫层法定义： 当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换填土垫层来处理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。 换填垫层法主要作用： 换填法适于浅层地基处理，处理深度可达2～3米。在饱和软土上换填砂垫层时，砂垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。 具体表现为： (1)置换作用。将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。 (2)应力扩散作用。基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。 (3)加速固结作用。用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。 (4)防止冻胀。由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。 (5)均匀地基反力与沉降作用。对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的土料，并在石芽以上也设置垫层；或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。 因此，换填的目的就是：提高承载力，增加地基强度；减少基础沉降；垫层采用透水材料可加速地基的排水固结。 1概念 换填法又称换土法。 所谓换土法是指将路基范围内的软土清除，用稳定性好的土、石回填并压实或夯实。在公路施工中，一般采用的是开挖换填天然砂砾,即在一定范围内,把影响路基稳定性的淤泥软土用挖掘机挖除,用天然砂砾进行换置,开挖换填深度在2m以内,采用分层填筑、分层压实、分层检测压实度的方法施工。从而改变地基的承载力特性，提高抗变形和稳定能力。在换填过程中，对于换填的天然沙砾中石头的粒径、含量和级配也应充分考虑，最好做试验检测，避免无法压实而引起沉降。 浅层处理和深层处理很难明确划分界限，一般可认为地基浅层处理的范围大致在地面以下5m深度以内。浅层人工地基的采用不仅取决于建筑物荷载量值的大小，而且在更大程度上与地基土的物理力学性质有关。地基浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料。 2适用范围
第2章换土垫层法 2.1换土垫层法的原理与适用范围 换土垫层法（Replacement Method）：就是将基础底面下处理范围内的软弱土挖除，然后分层回填强度较大、压缩性较小、材源丰富、价格便宜且无腐蚀性的砂土、碎石、石渣、素土、煤灰、矿渣、二灰（石灰、粉煤灰）以及其它性能稳定的材料，分层夯实至要求的密度为止。 ①提高地基承载力 ②减少沉降变形 ③加速软弱土层的排水固结； ④消除膨胀土地基的胀缩作用； ⑤消除湿陷性黄土的湿陷作用； ⑥防止季节性冻土的冻胀作用； ⑦用于处理暗浜和暗沟的建筑地基。 不同工程中，垫层所起的作用有时是不同的。如砂垫层可分为换土砂垫层和排水砂垫层： ①对路堤和土坝等工程的砂垫层，主要是利用垫层的排水固结作用，提高固结速率，促使地基土地的强度增长； ②一般工民建基础下的垫层主要起换土作用，视具体情况，可部分换土、也可全部换土。 当软弱土层较薄时，可全部换土，短期内便可达到设计的效果； 当软弱土层很厚时，可对靠近地表附近的进行部分置换，并容许有一定的沉降及变形。 采用换土垫层法的前提条件：挖除的软弱土能搬迁堆放，同时又能获得大量便宜的良质土。
2.2 垫层的设计 垫层的设计：既要满足地基的强度和变形要求，又要有足够的宽度，以防止垫层材料侧向挤出而增大垫层的竖向变形量，而且还要经济合理。 垫层的设计主要是确定垫层的厚度、宽度和承载力，必要时进行变形计算。 2.2.1 垫层的厚度 垫层厚度z 应根据下卧层的承载力确定，满足： z cz z f p p ≤+ 式中 Pz ——垫层底面的附加压力设计值，可用弹性理论中应力公式计算，也可按《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）中的扩散角法计算： 条形基础： θ z t g b p p b p c z 2) (+-= 矩形基础： ) 2)(2() (θθztg l ztg b p p b p c z ++-= b ——矩形基础或条形基础底面的宽度； l ——矩形基础底面的长度； p ——基础底面的压力； Pc ——基础底面处土的自重压力； z ——垫层的厚度； θ——压力扩散角，按表3-2采用； Pcz ——垫层底面处土的自重压力； fz ——垫层底面处下卧层的地基承载力 实践表明：垫层的厚度太薄（〈0.5m 〉，则换土垫层的效果不太显著，在湿陷性黄土地区，如垫层太薄（〈1.0m 〉，则较难消除湿陷变形，所以垫层的厚度的确定除应满足计算要求外，还应根据当地的经验综合考虑。 图2-1 垫层内应力的分布
1 砂垫层厚度的计算 实际上砂垫层厚度的计算就是垫层底部下卧层承载力的验算。计算方法有多种，目前我国常用的方法是按应力扩散角进行计算，即认为砂垫层以“θ”角向下扩散基底应力，到砂垫层底面(下卧层顶面)处的压应力σh与砂垫层的自重应力之和σH应小于或等于该处下卧层顶面地基的容许承载力，即： σH≤(σ)H。① 在施工中，涵洞、挡土墙等构造物多为矩形基础，在基底的平均附加应力σ作用下，压应力按扩散角θ通过砂垫层向下扩散到下卧层顶面，假定此处产生的压应力平面呈梯形分部，如图所示。 图 根据力的平衡条件可得：lbσ=((b+hstgθ)l+bhstgθ+4/3*(hstgθ)2)σh 则该处下卧层顶面的附加应力为：σh=lbσ/ [lb+(l+b+4/3* hstgθ)hstgθ]②
式中：l—基础的长度(m)；b—基础的宽度(m)；hs—砂垫层的厚度(m)；σ—基底处的附加应力(KPa)；θ—砂垫层的压应力扩散角，一般取35～45°，根据垫层材料选用。σh是由基础传来的附加应力，而砂垫层底面下卧层同时还受到垫层本身及回填土的重力，因此 σH=σh+rshs+rh ③ 式中：rs—砂垫层的容重(kN/m3)；r—回填土的容重(kN/m3)；h—基坑回填土的厚度(m)。 由①、②、③式即可求得砂垫层所需厚度(m)。 2 砂垫层平面尺寸的计算 如上图，根据几何关系得砂垫层底部平面尺寸为： L=l+2hstgθ④ B=b+2hstgθ⑤ 式中：L—砂垫层底平面的长度(m)； B—砂垫层底平面的宽度(m)。
为防止砂垫层受力后向两侧软土挤动，大多数情况下砂垫层顶面尺寸也按④、⑤两式确定。 3 示例 某座小桥桥台为刚性扩大基础，尺寸为8m(长)×2m(宽)×1m(厚)，基础埋置深度1m，地基土为流塑性粘性土，IL=1，e=0.8，r=18kN/m3，基底平均加应力为160KPa，现采用砂垫层(rs=20kN/m3)进行地基加固处理，请确定砂垫层厚度及平面尺寸。计算过程如下： ⑴计算砂垫层厚度hs。由资料可知，l=8m，b=2m，h=1m，r=18kN/m，rs=20kN/m3，σ=160KPa，根据IL=1，e=0.8，从一般粘性土地基容许承载力(σ0)(KPa)表查得σH=150KPa， 将数据代入②式σh=lbσ/[lb+(l+b+4/3*hstgθ)hstgθ]中得到150=8*2*160/(8*2+(8+2+1.33*hs*tgθ)*hstgθ) 取θ=45°，整理得：19.95hs2+150hs-16=0 由上式可得：hs=0.46(m) ⑵计算砂垫层长度L、宽度B。 L=l+2hstgθ=8+0.46=8.46(m)
武汉工程大学 课程设计（学年论文） 说明书 课题名称：换土垫层法地基处理设计 学生学号：0844510204 专业班级：建筑工程02班 学生姓名：何勇 学生成绩： 指导教师：张小敏 课题工作时间：至 武汉工程大学教务处
填写说明： 1. 表中第一、二、三、六项由指导教师填写；第四、五两项由学生填写。 2. 表中第一、二、三在在课程设计（学年论文）开始前填写，第四、五、六项在课程设计（学年论文）完成后填写。 3. 本表格填写完整后连同正文装订成册。
换土垫层法地基处理设计 一． 地基处理方案论证 由于建筑地基大部分在暗区浜域，因此必须进行处理。若打钢筋混凝土短桩， 费用比较昂贵；若采用水泥混凝土搅拌桩，由于暗浜土中有机物含量较高，因此处理效果可能不好;若采用基础梁跨越低，则因暗滨宽度太大而不可能而采用砂垫层处理，置换暗浜填土，则即可满足建筑物对地基水载力的要求，又可达到改善排水途径及控制下卧层压力的目的。因此，对各种地基处理方案进行技术经济比较，决定采用砂垫层处理方案。 二． 计算垫层的厚度 对于砂垫层厚度的确定，可先假设一个垫层的厚度，然后再根据下卧层地基承 载力，按公式进行验算，若不符合要求，则改变厚度，重新在验算，直到满足要求为止。 由于暗浜深度为2.8m 。基础埋深d = 1.3m ，因此砂垫层厚度假设为1.5m ，其 干密度要求大于1.6t ／m 2。 ① 基础地面的平均压力P k ： k P = ()Kpa b 6.1325.08.9208.0203 .1145 bd F A G F G =?-+?+=+=+γ ② 基础底面处土的自重压力c P ： Pc ＝18.5×0.8＋﹙18.5－9.8﹚×0.5＝19.2Kpa ③ 垫层底面处土的自重压力cz P ： cz P ＝18.5×0.8＋﹙18.5－9.8﹚×2.0＝32.2Kpa ④ 计算垫层底面处的附加压力Z P ：﹙对于条形基础，可按压力扩散角的方 法进行﹚ 由15.13 .15.1h ==b s ﹥0.5
3.3 换土垫层法 3.3.1 换土垫层法的原理 换土垫层法是将基础下一定深度内的软弱土层挖去，回填强度较高的砂、碎石或灰土等，并夯至密实的一种地基处理方法。 常用的垫层有：砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层、矿渣垫层以及用其它性能稳定、无侵蚀性的材料做的垫层等。 换土垫层法的作用： ①提高浅层地基承载力。因地基中的剪切破坏从基础底面开始，随应力的增大而向纵深发展。故以抗剪强度较高的砂或其它建筑材料置换基础下较弱的土层，可避免地基的破坏。 ②减少沉降量。一般浅层地基的沉降量占总沉降量比例较大。加以密实砂或其它填筑材料代替上层软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂层或其它垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。 ③加速软弱土层的排水固结。砂垫层和矽石垫层等垫层材料透水性强，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迅速消散，加速垫层下软弱上层的固结和提高其强度，避免地基发生塑性破标。 ④防止冻胀。因为粗颗粒的垫层材料fL隙大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区中结冰所造成的冻胀。 ⑤消除膨胀土的胀缩作用。 3．3．2 垫层的设计要 点 垫层的设计不但 要满足建筑物对地基变 形及稳定的要求，而且 应符合经济合理的原 则。其设计内容主要是 确定断面的合理厚度和 宽度。对于垫层，既要 求有足够的厚度来置换 可能被剪切破坏的软弱 土层，又要有足够的宽 度以防止垫层向两侧挤 出。
3．3．2 垫层的设计要点 垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且应符合经济合理的原则。其设计内容主要是确定断面的合理厚度和宽度。对于垫层，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。 3．3．2．1 垫层厚度的确定 fz—垫层底面处软弱土层承载力特征值 kPa pcz—垫层底面处上的自重应力，kPa pz—垫层底面处土的附加应力，kPa。 条形基础 矩形基础 计算时，一般先初步拟定一个垫层厚度，再用式(9．2)验算。如不合要求，则改变厚度，重新验算，直至满足为止。 垫层厚度一般不宜大于3m，太厚施工较困难，太薄(＜0.5m），作用不显著。 3．3．2．2 垫层宽度的确定 垫层的宽度除要满足应力扩散的要求外，还应防止垫层向两边挤动。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。宽度计算通常可按扩散角法，如条形基础，垫层宽度bˊ应为:
4 换 填 垫 层 法 4. 1 一 般 规 定 4．1．1 换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。 4．1．2 应根据建筑体型、结构特点、荷载性质、岩土工程条件、施工机械设备及填料性质和来源等进行综合分析，进行换填垫层的设计和选择施工方法。 4. 2 设 计 4．2．1 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： az cz z f p p ≤+ (4.2.1-1) 式中 z p ——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压 力值(kPa)； cz p ——垫层底面处土的自重压力值(kPa)； az f ——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值(kPa)。 垫层底面处的附加压力值z p 可分别按(4.2.1-2) 和(4.2.1-3)式计算： 条形基础 ()θztg b p p b p c k z 2+-= (4.2.1-2) 矩形基础
() )2)(2(θθztg l ztg b p p bl p c k z ++-= (4.2.1-3) 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)； k p ——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压 力值(kPa)； c p ——基础底面处土的自重压力值(kPa)； z ——基础底面下垫层的厚度(m)； θ——垫层的压力扩散角( o)，宜通过试验确定，当无试 验资料时，可按表4 .2 .1采用。 表4.2.1 压力扩散角θ( o) 2 当0.25 换填垫层法案例计算分析 发表时间：2016-05-31T15:02:27.990Z 来源：《基层建设》2016年3期作者：张锡辉 [导读] 广东城协建筑规划设计院有限公司东莞分公司换填法就是将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高。 张锡辉 广东城协建筑规划设计院有限公司东莞分公司 摘要：主要介绍换填垫层法的概念，适用范围，并结合具体工程进行垫层承载力计算和垫层下软弱土层的沉降变形验算。 关键词：垫层承载力计算；沉降变形验算 1.引言 换填法就是将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。 2.适用范围 换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理，用于膨胀土地基可消除地基土的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不匀以及岩溶等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。 3.工程案例 本工程位于某市工业园，结构体系为轻型门式刚架结构，建筑高度10.0m，最大跨度为30.0m，柱距为8.0，基本风压为0.30KN/m2，本工程建筑抗震设防类别为丙类.抗震设防烈度为六度；设计基本加速度为0.05g，所在场地设计地震分组为第一组，场地类别为Ⅲ类。 3.1、垫层承载力计算 （1）根据岩土工程勘察报告，土层分布分别为：（1）素填土、（2）淤泥质粉质黏土、（3）黏土、（4）粉质黏土、（5）黏土。（2）根据工程勘察报告，室外地面以下存在较厚软弱层（淤泥质粉质黏土），本层土工程性能差，力学强度低，承载力较低，不能作为持力层。鉴于轻型门式刚架结构竖向轴力不大，本工程采用换填垫层法进行地基处理，垫层的承载力特征值fak=100Kpa，垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定。 （3）基础的尺寸为2600X2600，基础埋深为1.0m，砂垫层厚度为1.5m，竖向轴力标准值为286KN，砂垫层剖面示意图详图1。 邮电与信息工程学院 岩土工程课程设计计算书 课题名称：换土垫层法设计 学生学号：0944510108 专业班级：09建筑工程技术01班 学生姓名：李宜 学生成绩： 指导教师：张晓敏 课题工作时间：2011年12月19日至2011年12月28日 武汉工程大学邮电与信息工程学院 岩土工程课程设计计算书 一、地基处理方案论证 由于建筑地基大部分在暗滨区域，因此必须进行处理。若打钢筋混凝土短桩，费用比较昂贵；若采用水泥混凝土搅拌桩，由于暗滨土中有机物含量较高，因此处理效果可能不好；若采用基础梁跨越低，则因暗滨宽度太大而不可能，故采用砂垫层处理，置换暗滨填土，则既可满足建筑物对地基水载力的要求，又可达到改善排水途径及控制下卧层压力的目的。因此，对各种地基处理方案进行技术经济比较，决定采用砂垫层处理方案。 二、计算垫层厚度 对于砂垫层厚度的确定，可先假设一个垫层的厚度，然后再根据下卧层地基承载力，按公式进行验算，若不符合要求，则改变厚度，重新再验算，直到满足要求为止。 由于暗滨深度为2.8m，基础埋深d=1.3m，因此砂垫层厚度假设为1.5m,其干密度要求大于1.6t/m2 1．计算基础底面平均压力P k: 基础自重和基础以上的土重G k=γG Ad-γw Ah w =20×1.3×1.3—9.8×1.3×（1.3—0.5） =27.3kN 故荷载效应标准组合时，基础底面平均压力P k=(F k+G k)/A =(145+27.3)÷1.3 =132.6kPa 2．计算基础底面处土的自重压力P c: P c=∑γi h i=18.5×0.8+（18.5—9.8）×0.5=19.2kPa 3．计算垫层底面处土的自重压力P cz: P cz=∑γi h i=(18.6—9.8)×2.0+18.5×0.8 =32.2kPa 4．计算垫层底面处的附加压力P : z ◆2．I．3换填垫层法适用范围 《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002，以下简称地基处理规范)中规定：换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。工程实践表明，换填垫层法主要用于淤泥、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。 换土垫层法的处理深度常控制在3～5 m范围以内。若换土垫层太薄,其作用不甚明显，因此处理深度也不应小于0.5 m。换填法各种垫层的适用范围见表2.1。 ◆2．2．i垫层的作用 换土垫层处理软土地基，其作用主要体现在以下几个方面： I)提高浅层地基承载力 浅基础的地基承载力与持力层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料代替软弱的土，可提高地基承载力，并将建筑物基础压力扩散到垫层以下的软弱地基避免地基破坏。 2)减少地基的变形量 一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50％。如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其他垫层的应力扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，会相应减少下卧层土的沉降量。 3)加速软土层的排水固结 建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孑L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，避免地基土塑性破坏。 用透水材料做垫层相当于增设了一层水平排水通道，起到排水作用。在建筑物施工过程中，孔压消散加快，有效应力增加也加快，有利于提高地基承载力，增加地基的稳定性，加速施工进度以及减小建筑物建成后的工后沉降。 4)防止土的冻胀 因粗颗粒的垫层材料孔隙大，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。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。 5)消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性 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。 在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣、二灰或灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用，但垫层厚度应依据变形计算确定，一般不少于0.3 m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填。 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. 加筋土垫层 换填垫层法计算例 ————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期： 垫层计算 基底平均压力标准值（包括基础自重）P k=180 kpa 基底处土自重压力标准值P c=dγ=28.8 kpa 垫层宽b'=b+2tgθ= 4.39 m 条基垫层底面处附加压力标准值Pz=[b(P k-P c)]/(b+2ztgθ)=99.91 kpa 独基垫层底面处附加压力标准值Pz=[b l(P k-P c)]/[(b+2ztgθ)(l+2ztgθ)]= 66.02 kpa 地基承载力特征值（垫层底面处经深度修正）f az=f ak+ηdγ[(d+z)-0.5]= 190 kpa 垫层底面处土自重压力标准值P cz=γ(d+z)= 54 kpa 垫层底每边超出基础宽度(不小于0.3)b1=ztgθ=0.74 m 独基计算结果(pz+pcz)-faz=120.02 —190.0 = -69.98 满足要求 条基计算结果(pz+pcz)-faz=153.91 —190.0 = -36.09 满足要求 表4.2.1压力扩散角θ（度） 换填材料中砂.粗砂，砾砂，园砾， 角砾，石宵，卵石，碎粉质粘土，粉煤灰 灰土基础埋深d= 1.6 m 垫层厚度z= 1.4 m 基础宽度b= 2.9 m 基础长度l= 2.9 m 垫层压力扩散角θ =28 度 土容重γ=18 kn/m3 地基承载力特征值：f ak=100 kpa 地基承载力深度修正系数：η d = 2 z/b 石，矿渣 0.25 20 6 28 >=0.50 30 23 注：1.当z/b<0.25,除灰土取θ=28。外,其余材料均取θ=0。，必要时宜由试 验确定。 2.当0.25 砂石垫层法在建筑地基处理中的应用 发表时间：2019-06-19T11:05:42.400Z 来源：《基层建设》2019年第9期作者：杨艳[导读] 摘要：近年来，建筑行业随着国民经济的进步而不断发展壮大，这一切都与科学管理及技术创新存在密切的联系，一直以来，建筑施工过程中有较多难题存在，例如建筑地基换土问题的出现，逐渐引起人们的广泛关注，因此应不断对地基施工技术进行改进。 山东省淄博建衡工程检测研究中心 255000摘要：近年来，建筑行业随着国民经济的进步而不断发展壮大，这一切都与科学管理及技术创新存在密切的联系，一直以来，建筑施工过程中有较多难题存在，例如建筑地基换土问题的出现，逐渐引起人们的广泛关注，因此应不断对地基施工技术进行改进。本文介绍了砂石垫层法处理地基基础的优点，论述了砂石垫层的适用范围及主要作用，并着重对其设计及施工中的一些注意事项进行探讨。 关键词：砂石垫层法；地基；设计；施工砂石垫层法是地基浅层处理的一种常用方法，属于换填法。其原理是先将基础底面以下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉下渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性的材料，再分层夯实，作为地基持力层。下面，笔者就砂石垫层法在建筑地基处理中的相关技术问题进行阐述，以供同行参考。 一、砂石垫层的适用范围及主要作用 就换填材料的不同而言，砂石垫层是现实施工中最常用换填方法，应用范围广泛，主要适用于中小型建筑工程的塘、浜、沟等的局部处理及一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理，不宜用于地下水位较高，且地下水流量大、流速快的地基处理及大面积堆载、密集基础和动力基础的软土地基处理。大量工程实践证明，各种换填材料经过压实换填后都可以提高地基承载力、减少沉降量、加速软弱土层的排水固结、防止冻胀、消除膨胀土的胀缩等作用，是当前地基处理技术中比较经济可行的方法之一。 砂石垫层在浅层地基处理中比由桩体组成的复合地基更快捷、价廉，其作用主要体现在以下三个方面：（1）提高基础底面以下地基浅层的承载力。地基中的剪切破坏是从基础底面下边角处开始，随基底压力的增大而逐渐向纵深发展的，因此当基底面以下浅层范围内可能被剪切破坏的软弱土为强度较大的垫层材料置换后，可以提高承载能力；（2）减少沉降量。一般情况，基础下浅层的沉降量中所占得比例较大。由于土体侧向变形引起的沉降，理论上也是浅层部分占的比例较大。以垫层材料代替软弱土层，可大大减少这部分的沉降量；（3）加速地基的排水固结。用砂石作为垫层材料，由于其透水层大，在地基受压后便是良好的排水面，可使基础下面的空隙水压力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，且可加速垫层下软弱土层的固结及其强度的提高。 二、砂石垫层法的设计与计算 1.垫层承载力的确定 以现场载荷试验确定为宜，若是一般工程无试验资料时，可依据压实系数λc，按如下图表进行选择。 各垫层承载力 备注：卵石或碎石的最大干密度可取20～22kN/m3。 2.垫层厚度的确定 根据《砂石垫层受力示意图》可知，其厚度Z应根据地基承载力确定，即作用在垫层底面处土的自重压力（标准值）与附加压力（设计值）之和不能超过经修正后超挖深度处的地基承载能力。 即：Pz+Pcz≤fz 式中：Pz——附加压力设计值（kPa）； Pcz——垫层底面处土自重压力值（kPa）； Fz——经修正后超挖深度处的地基承载能力。 其中，Pz的简化计算法如下：条形基础Pz=b（p-Pc）/b+2ztanθ 矩形基础Pz=bl（p-Pc）/（b+2ztanθ）（1+2ztanθ）式中：b——矩形基础宽度 l——矩形基础底面长度； P——基础底面压力； Pc——基础底面处土的自重压力； z——基础底面下垫层的厚度； θ——垫层的压力扩散角。θ可按下表进行选取。 备注：当z/b<0.25时，除灰土仍取θ=30°外，其余材料均取θ=0°；当0.25<0.5时，θ值可内插求得。="" <="" p=""> 3.垫层宽度、长度的确定 根据《砂石垫层受力示意图》可知，基础垫层的宽度b'=b+2ztanθ，基础垫层的长度l'=l+2ztanθ。而根据所在土质情况，施工时作业面最好超出基底300～500mm。机械开挖深度大于2m时还考虑宽度b'、长度l'上的放坡系数。 式中：b'——砂石垫层的设计宽度； b——钢筋混凝土筏板基础的设计宽度； l'——砂石垫层的设计长度； l——钢筋混凝土筏板基础的设计长度； z——砂石垫层的厚度； θ——压力扩散角。 4.垫层厚度变化的处理方法 由于土质的变化或为了调整沉降差时，各基础底部的垫层厚度并不相同，当垫层厚度的高差h≤lm时，可做成梯形，其水平长度l与垂直高差h的比值为2：1，当相邻的基础一个采用天然基础，另一个采用砂石垫层时，仍应按上述比例做成阶梯形，或者在此两地基之间做一道砖砌或混凝土的隔墙。 换填垫层法静载荷试验 换填垫层法静载荷试验探讨 徐宜威王加宝 (扬州市开元岩土工程检测有限公司) 摘要对换填垫层法静载试验依据的规范、压板尺寸的选择、承载力特征值的确定、承重墙压 板基准桩 三者距离进行了探讨。 关键词地基处理规范 1、换填垫层法静载试验依据的规范 目前，地基承载力静载试验依据的规范主要有： （1）中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）附录A“复合地基载荷试验要点”，主要针对水泥土搅拌桩、砂石桩等复合地基。采用与原地基土质不同的材料的加筋增强体形成加固后的地基，该地基中的增强体与原地基协同工作共同承担外荷载，称为复合地基，所谓加筋体有竖向增强体、水平向增强体和斜向增强体三种形式，竖向增强全以桩（柱）或墩的形式出现，斜向增加体如土钉、斜加筋等，水平向增强体常常是土工聚合物或其他金属杆和板带。在水平向加筋增加体所加固地基中的土工聚合物、镀锌钢片、铝合金等材料则是充分利用其抗拉性能和与土之间产生的摩擦力承担外荷。按照复合地基的定义，没有任何形式的加筋增强体的地基就不是复合地基，因此换填垫层法所加固的地基不是复合地基，不能依据此规范进行换填垫层 法静载试验。 （2）中华人民共和国国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）附录C“浅层平板载荷试验要点”，主要针对浅层天然地基。换填垫层法是对浅层软弱土层挖除，填筑易于压实的材料静载荷试验检无专门的检验规范，如果软弱土较厚而全部挖除不合理时，可将其部分挖除，填筑密实的垫层材料，但必须进行换填层以下土层的承载力及变形验算。换填垫层法的受力特性相当于上硬（处理深度内）下软（软弱下卧层）双层地基，其承载力和变形特性类似于承载力较高的天然地基，其载荷试验可以参照“浅层平板载荷试验要点”，但在压板的选择及承载力特征值的确定上应有所区别。 2、换填垫层法静载试验压板尺寸的选择 在现场通过一定尺寸的载荷板对地基直接加荷，根据方形荷载（z等值线图1（b），所测得的成果一般能反映相当于1~2倍压板宽度（或直径）的深度以内土体的平均性质。按中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）条文说明4.4.4条，载荷试验压板的边长或直径不应小于垫层厚度的1/3。当压板尺寸满足规范要求，但不太大时，载荷试验压板的边长或直径为垫层厚度的1/3~1/2，如图1b所示，此时载荷试验主要是检验垫层承载力。 换填垫层法静载荷试验探讨 徐宜威王加宝 (扬州市开元岩土工程检测有限公司) 摘要对换填垫层法静载试验依据的规范、压板尺寸的选择、承载力特征值的确定、承重墙压板基准桩 三者距离进行了探讨。 关键词地基处理规范 1、换填垫层法静载试验依据的规范 目前，地基承载力静载试验依据的规范主要有： （1）中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）附录A“复合地基载荷试验要点”，主要针对水泥土搅拌桩、砂石桩等复合地基。采用与原地基土质不同的材料的加筋增强体形成加固后的地基，该地基中的增强体与原地基协同工作共同承担外荷载，称为复合地基，所谓加筋体有竖向增强体、水平向增强体和斜向增强体三种形式，竖向增强全以桩（柱）或墩的形式出现，斜向增加体如土钉、斜加筋等，水平向增强体常常是土工聚合物或其他金属杆和板带。在水平向加筋增加体所加固地基中的土工聚合物、镀锌钢片、铝合金等材料则是充分利用其抗拉性能和与土之间产生的摩擦力承担外荷。按照复合地基的定义，没有任何形式的加筋增强体的地基就不是复合地基，因此换填垫层法所加固的地基不是复合地基，不能依据此规范进行换填垫层法静载试验。 （2）中华人民共和国国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2002）附录C“浅层平板载荷试验要点”，主要针对浅层天然地基。换填垫层法是对浅层软弱土层挖除，填筑易于压实的材料静载荷 试验检无专门的检验规范，如果软弱土较厚而全部挖除不合理时，可将其部分挖除，填筑密实的垫层材料，但必须进行换填层以下土层的承载力及变形验算。换填垫层法的受力特性相当于上硬（处理深度内）下软（软弱下卧层）双层地基，其承载力和变形特性类似于承载力较高的天然地基，其载荷试验可以参照“浅层平板载荷试验要点”，但在压板的选择及承载力特征值的确定上应有所区别。 2、换填垫层法静载试验压板尺寸的选择 在现场通过一定尺寸的载荷板对地基直接加荷，根据方形荷载（z等值线图1（b），所测得的成果一般能反映相当于1~2倍压板宽度（或直径）的深度以内土体的平均性质。按中华人民共和国行业标准《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2002）条文说明4.4.4条，载荷试验压板的边长或直径不应小于垫层厚度的1/3。当压板尺寸满足规范要求，但不太大时，载荷试验压板的边长或直径为垫层厚度的1/3~1/2，如图1b所示，此时载荷试验主要是检验垫层承载力。换填垫层法案例计算分析
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