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换填垫层法在地基处理中的应用摘要：在合适的条件下采用换填垫层的方法能有效地提高地基承载力﹐缩短工期又降低造价﹐因此得到普遍的应用。
换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基。
当在建筑范围内上层软弱土较薄，则可采用全部置换处理。
对于较深厚的软弱土层，当仅用垫层局部置换上层软弱土时，下卧软弱土层在荷载下的长期变形依然很大。
通过具体分析，总结了换填垫层法在地基处理中的应用措施。
关键词：换填垫层法；地基处理；应用引言当地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软土层的厚度又不是很大时，将地基底面以下处理范围内的软土层部分挖除一部分或全部挖除，然后分层换填强度较高的砂（碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰）或其他性能稳定，无侵蚀性材料，并压实至所要求的密实度为止这种地基处理方法即为换填垫层法。
1垫层的作用1.1提高持力层的承载力通过应力扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小1.2减小沉降量一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是很大的，以条形基础为例，在相当于基础跨度深度范围内的沉降量约占总沉降量的50%，如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就可以减小这部分的沉降量。
砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层的压力减小，这样也会相应减小下卧土层的沉降量。
1.3加速软弱土层的排水固结不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载作用下，在软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排除，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的空隙水压力，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，垫层可以作为良好的排水面，使基础下面的空隙水压力迅速消散，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。
2换填垫层法应用于软土基的原理分析2.1换填垫层法的加固机理换填垫层在普通土地基下，主要作用是让换填垫层承载力提高，有效减少软弱土层排水结构的加速。
利用原有软弱土的挖除，换填材料透水性能好的材料可以视为厚度垫层，有利于天然土层水分排除扩散的作用，让受压力不断降低的同时，软土固结速度也在加快，从而让地基载承载能力提高，地基变形量可以减少。
换填垫层法地基处理设计[摘要] 从土的压实机理出发，介绍了换填垫层法地基处理的设计方法。
[关键词] 软弱土地基换填垫层1.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，软弱土层的厚度又不大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法称为换填垫层法。
换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
换土深度一般不宜小于0.5m，也不宜大于3m。
填料以渗水材料为佳。
垫层可选用下列材料：砂石、粉质粘土、灰土、矿渣、粉煤灰、其他工业废渣、土工合成材料等。
2.压实机理当粘性土的土样含水量较小时，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，这时压实效果比较差，当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，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，结合水膜的扩大作用就不明显了，因而引力的减少就不显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，因而设计时要选择一个“最优含水量”，这就是土的压实机理。
在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度max,其最大干密度可用击实试验确定。
在标准的击实方法的条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，从而绘制干密度和制备含水量w的关系曲线，在曲线上的峰值即为最大干密度max，与之对应的制备含水量为最优含水量wop。
垫层的压实标准可按表1选用：表1 各种垫层的压实标准施工方法换填材料类别压实系数碾压、振密或夯实碎石、卵石0.94～0.97砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）中砂、粗砂、砾砂、角跞、圆砾、石屑粉质粘土灰土0.95粉煤灰0.90～0.95注：1.压实系数为土的控制干密度与最大干密度max的比值；土的最大干密度宜采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取2.0～2.2t/m3;2.当采用轻型击实试验时，压实系数宜取高值，采用重型击实试验时，压实系数可取低值；3.矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于2mm。
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。
筑龙网WW W.ZH UL ON G.COM换填垫层法设计方法1.1.1 基本概念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。
工程实践表明，在合适的条件下，采用换填垫层法能有效地解决中小型工程的地基处理问题。
本法的优点是：可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期，又能降低造价，因此，得到较为普遍的应用。
1.1.2 适用范围换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
但在用于消除黄土湿陷性时，尚应符合国家现行标准《湿陷性黄土地区建筑规范》中的有关规定。
在采用大面积填土作为建筑地基时，应符合国家标准《建筑地基基础设计规范》(GB50007)的有关规定。
换填时应根据建筑体型、结构特点、荷载性质和地质条件，并结合施工机械设备与当地材料来源等综合分析，进行换填垫层的设计，选择换填材料和夯压施工方法。
1.1.3 加固机理(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。
筑龙网WW W.ZH UL ON G.COM(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。
换填垫层法地基处理设计
[摘要] 从土的压实机理出发，介绍了换填垫层法地基处理的设计方法。
[关键词] 软弱土地基换填垫层
1.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，软弱土层的厚度又不大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法称为换填垫层法。
换填垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。
换土深度一般不宜小于0.5m，也不宜大于3m。
填料以渗水材料为佳。
垫层可选用下列材料：砂石、粉质粘土、灰土、矿渣、粉煤灰、其他工业废渣、土工合成材料等。
2.压实机理
当粘性土的土样含水量较小时，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，这时压实效果比较差，当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，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，结合水膜的扩大作用就不明显了，因而引力的减少就不显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，因而设计时要选择一个“最优含水量”，这就是土的压实机理。
在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度max,其最大干密度可用击实试验确定。
在标准的击实方法的条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，从而绘制干密度和制备含水量w的关系曲线，在曲线上的峰值即为最大干密度max，与之对应的制备含水量为最优含水量wop。
垫层的压实标准可按表1选用：
表1 各种垫层的压实标准
施工方法换填材料类别压实系数
碾压、振密或夯实碎石、卵石 0.94～0.97
砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）
土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%）
中砂、粗砂、砾砂、角跞、圆砾、石屑
粉质粘土
灰土0.95
粉煤灰0.90～0.95
注：
1.压实系数为土的控制干密度与最大干密度max的比值；土的最大干密度宜采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取
2.0～2.2t/m3;
2.当采用轻型击实试验时，压实系数宜取高值，采用重型击实试验时，压实系数可取低值；
3.矿渣垫层的压实指标为最后二遍压实的压陷差小于2mm。
对于工程量较大的换填垫层，应按照所选用的施工机械、换填材料及场地的土质条件进行现场试验，以确定压实效果。
(2)垫层的作用主要有：
1)提高地基承载力
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填筑材料代替软弱土，可提高地基的承载力，避免地基发生破坏。
2)减少沉降量
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的50%左右。
如以密实的砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。
由于垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力减小，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
建筑物的基础直接与软弱土层接触时，在荷载的作用下，软弱土层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。
垫层所用材料透水性大，
软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土发生塑性破坏。
4)防止冻胀
因为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。
5)消除膨胀土的胀缩作用
在膨胀土地基上可选用砂石、矿渣、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，且垫层宽度应大于基础宽度，基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。
3.垫层设计
对垫层的设计，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垫层向两侧挤出。
(1)垫层厚度的确定
垫层厚度应根据需置换软弱土的深度或垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：
（1）
式中——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加应力值（kPa）；
——垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
——经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）。
垫层底面处的附加压力值可按压力扩散角进行简化计算：
条形基础：（2）
矩形基础：（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）；
——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）；
——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）；
——垫层的压力扩散角（°），宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表2采用。
表2 压力扩散角（°）
换填材料
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
30 23
注：
1.当z/b<0.25时，除灰土取＝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，值可内插求得。
具体计算时，一般可根据垫层的承载力确定出基础宽度，再根据下卧土层的承载力确定出垫层的厚度。
可先假设一个垫层的厚度，然后按式(1)进行验算，直至满足要求为止。
(2)垫层宽度的确定
垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。
关于宽度计算，目前还缺乏可靠的方法。
一般可按下式计算或根据当地经验确定：
（4）
式中
b’——垫层底面宽度(m)；
——垫层的压力扩散角（°），可按表2采用；当z/b<0.25时，仍按z/b=0.25
取值。
垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
(3)垫层承载力的确定
垫层的承载力宜通过现场荷载试验确定，并应验算下卧层的承载力。
(4)沉降计算
对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形计算。
建筑物基础的沉降等于垫层自身的变形量与下卧土层的变形量之和。
当超出原地面标高的垫层或换填材料的重度高于天然土层重度时，宜早换填并考虑其附加的荷载对建筑物及邻近建筑物的影响。
4.结束语
对垫层的设计，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，保证建筑物的安全与正常使用。
参考文献：
[1] 中华人民共和国行业标准：建筑地基处理技术规范(JGJ79-2002)．北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 叶书麟、叶观宝编著．地基处理．北京：中国建筑工业出版社，2004.
“本文中所涉及到的图表、公式、注解等请以PDF格式阅读”。
