第3章__换填垫层法

第3 章
换填垫层法
Chapter 3 Replacement and Cushion
本章目录
3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 概述 垫层的作用 土的压实原理 垫层的设计 粉煤灰垫层 垫层施工方法 质量检验
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。
换填垫层法常用于处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等
适用范围

淤泥 淤泥质土


湿陷性黄土
素填土

杂填土
注意！

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。对于较深厚的软弱上层，当仅 用垫层局部置换上层软弱土时，下卧软弱上层在荷载下的长期变形可
要求：pZ + pCZ fz+d
( p pC )b pz b 2 ztg F G F db p b b
pcz pCD 填 z



垫层底面处的附加压力值可分别按下两式计算： 对条形基础 pz b( pk pc ) bl ( p p ) k c b 2z tg p z 对矩形基础 ( b 2 z tg )( l 2 z tg ) 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）； pk －－相应于荷载效应标准组合时，基础底 面处的平均压力值（kPa）； pc－－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，宜通过试验确定， 当无试验资料时，可按下表采用。
含水率的影响 对同一种土料，分别在不同的 含水率下，用同一击数将他们 分层击实，测定土样的含水率 和密度，然后以含水率为横坐 标，干密度为纵坐标，绘制击 实曲线。 从图中可以看出，当含水率较 小时，土的干密度随着含水率 的增加而增大，而当干密度增 加到某一值后，含水率继续增 加反而使干密度减小。干密度 的这一最大值称为该击数下的 最大干密度，此时对应的含水 率称为最优含水率。
例题




１.作为换填垫层法的土垫层的压实标准 压实系数λc的定义为下列哪一选项 A 土的最大干密度与天然干密度之比 B 土的控制干密度与最大干密度之比 C 土的天然干密度与最小干密度之比 D 土的最小干密度与控制干密度之比
Ｂ
例题

２.采用换填垫层法处理湿陷性黄土时，可 以采用下列那些垫层？ A.砂石垫层 B.素土垫层 C.矿渣垫层 D.灰土垫层


（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；对黏性土，其压实效果 与其中的黏土矿物成分含量有关。
能依然很大。例如，对较深厚的淤泥或淤泥质土类
软弱地基，采用垫层仅置换上层软土后，通常可提高持力层的 承载力，但不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形量大对
上部建筑物产生的有害影响；或者对于体型复杂、整体刚度
差、或对差异变形敏感的建筑，均不应采用浅层局部置
换的处理方法。
注意！

大面积填土产生的大范围地面负荷影响深度较深， 地基压缩变形量大，变形延续时间长，与换填垫 层法浅层处理地基的特点不同，因而大面积填
§2 .1 换填垫层法
• 适用性：
哈 哈，问题来了……
“软弱土层的厚度又不很大” 与“浅”----到底是多少 米？在实际工程中，什么情况下优先选用该法？
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0.5～3m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、 素填土和杂填土等。
pCD pCZ
填z
回填土
d

b

z
以条基为例
B= b+2ztg
要求：pZ + pCZ fz+d
( p pC )b pz b 2 ztg F G F db p b b
pcz pCD 填 z
§3.4 换填垫层法
【解】:
(1)先假设砂垫层的厚度为1m，并要求分层碾压夯实， 干密度达到>1.5t/m³ 。 (2)砂垫层厚度的验算：根据题意，基础底面平均压力 设计值为：
基础 垫层
3.3 土的压实原理 3.3 Mechanism of Soil Compactness


1
普洛特（Proctor）假说
当黏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。


ＢＣＤ
３.４ 垫层设计的步骤
垫层厚度的确定
垫 层 设 计
垫层宽度的确定
垫层承载力的确定
垫 层 尺 寸
沉降计算
3.4 垫层设计(Design of Cushion)


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：
1


p p f z cz az
砂土：①不存在最优含水量； ②在完全风干和饱和两种状 态下易于击实；③潮湿状态 下不易击实
§3 .3 压实原理及压实参数
• 土的压实机理
§3 .3 压实原理及压实参数
• 击实试验
§3 .3 压实原理及压实参数
• 击实试验
室内击实仪

手动
数控
§3 .3 压实原理及压实参数
影响土的压实性的因素
(5)确定砂垫层的底宽:
b'
b' b 2 z t an 1.2 2 1.7 t an30 3.2m
3.5 粉煤灰垫层(Flyash Cushion)





粉煤灰垫层适用于厂房、机场、公路和堆场 等工程大面积填筑。 粉煤灰的工程特性 （1）自重轻。松散重度6～7kN/m3，击实 后干重度9.2～13.5 7kN/m3。 （2）击实性能好。粉煤灰的最优含水量变动 幅度是4％，大于土的2％的变动幅度。 （3）抗剪强度。粉煤灰的抗剪强度指标与粉 煤灰的灰种、剪切方法、压实系数大小和龄期 长短有关。当压实系数为0.9~0.95时,黏聚 力5~30kPa,内摩擦角23~30度。
§3 .3 压实原理及压实参数
影响土的压实性的因素
击实功能的影响
1、实验室中的击实功能是用击数来反映的，对 同一种土，压实功能小，则能达到的最大干 密度也小，最优含水率大；压实功能大，则 能达到的最大干密度也大，最优含水率小
2、用同一种土料在不同含水率下分别用不同的 击数进行击实试验，就能得到一组随击数而 异的含水率与干密度关系曲线。
(4)验算: 根据淤泥的含水量W=65%,查规范得:σ0=45kPa;因深度 大于3m,故不做修正:
Z cz 52.2 25.3 77.5kPa 45kPa
这说明所设计的垫层厚度不够，再假设垫层厚度为1.7m，则:
0 45kPa
z cz 34.46 30.76 65.36kPa f x 72.83kPa
§3.3 压实原理及压实参数
施工现场如何控制压实程度？
压实度
现场施工的土料，土块大小不一， 含水量和铺填厚度又很难控制均匀，因 此实际压实土的均质性较差，固对现场 土的压实，应以压实系数来进行检验。


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％。土中黏土矿物含量大，则 最优含水量越大。 （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。
P F G 120 1.2 1 20 120 kPa b 1.2
(3)砂垫层底面的附加应力计算:
1.2(120 17.5 1) z 52.2kPa 1.2 2 1 tan 30
cz 17.5 7.8 25.3kPa
§3.4 换土垫层法
压力扩散角
换填 材料 z/b
0.25 ≥ 0.50
中砂、粗砂、 粉质黏土、 砾砂、圆砾、 粉煤灰 角砾、石屑、 卵石、碎石、 矿渣
灰土
20 30
6 23
28 28

2
垫层宽度的确定
b b 2 z tg

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。



（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。
§3 .3 压实原理及压实参数
• ຫໍສະໝຸດ Baidu的压实机理
人们很早就用土 作为建筑材料， 而且知道要把松 土击实。公元前 200多年，我国 秦朝修筑驰实 （行车大道）， 就有用“铁锥筑 土坚实”的记载， 说明那时人们已 经认识到土的密 度和土的工程特 性有关。
粘性土在某种压实功能下 （标准压实功能）达到最 密时的含水量称为最优含 水量，对应的干密度称为 最大干密度
土地基的设计施工应另行按国家现行有关规
范执行。
垫层的分类
砂垫层 粉质粘土垫层
垫 层 分 类
回填材料
灰土垫层 粉煤灰垫层 矿渣垫层 其他工业废渣垫层 土工合成材料垫层
3.2 垫层的作用 3.2 Functions of Cushion

（1）提高持力层的承载力； （2）减少沉降量； （3）加速软弱土层的排水固结； （4）防止冻胀； （5）消除膨胀土的胀缩作用。


（3）灰土。体积配合比宜为2：8 或3:7。土料宜用粉质黏土，不宜使用 块状黏土和砂质粉土，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。
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力
特征值（kPa）。 垫层厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。

pCD pCZ
填z
回填土
d

b

z
以条基为例
B= b+2ztg
§3.4 换填垫层法
例题 :某四层砖混结构的住宅建筑，承重墙下为条形基础，宽 1.2m，埋深1m，上部建筑物作用于基础的荷载每米120kN，基础 的平均重度为20kN/m³ 。地基土表层为粉质粘土，厚1m，重度为 17 .5kN/m³ ，第二层为淤泥质粘土，厚15m，重度为17.8kN/m³ ， 含水量W=65%,第三层为密实的砂砾石,地下水距地表为1m.因为 地基土较软弱,不能承受建筑物的荷载,试设计砂垫层.



3
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）粉质黏土。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。