换土垫层法在土力学与地基基础中的应用

在冲刷较小的软土地基上，地基的承载力和变形达不到基础设计要求，且当软土层不太厚（一般不超过3 m）时，可采用较经济、简便的换土垫层法进行浅层处理，即将软土部分或全部挖除，然后换填工程特性良好的材料，并予以分层压实，这种地基处理方法称为换土垫层法，如图10-1所示。换填的材料主要有砂、碎石、高炉干渣和粉煤灰等，应具有强度高、压缩性低、稳定性好和无侵蚀性等良好的工程特性。近年来，国外出现了一些新型高强度轻质材料（混凝土）垫层。换土垫层法的加固原理是根据土中附加应力分布规律，让垫层承受上部较大的应力，软弱层承担较小的应力，以满足设计对地基的要求。

图10-1　换填法施工及工艺流程

1.垫层的作用

（1）提高持力层的承载力

通过扩散作用使传到垫层下软弱层的应力减小。当采用高强度轻质材料（混凝土）垫层时，除提高持力层的承载力外，还减小了自重应力。

（2）减少沉降量

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，沉降量占总沉降量的50%左右，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对应力的扩散作用，使作用在下卧层的压力较小，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。

（3）加速较弱土层的排水固结

不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载作用下，软弱土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，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，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。

（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的冰造成的冻胀，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

（5）消除膨胀土的胀缩作用

在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的，对膨胀土地基而言则主要消除膨胀土的胀缩作用。

换土垫层法主要适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、古井、古墓等处理深度不大的各类软弱土层。

2.垫层厚度的确定

垫层的厚度z应根据需要置换软弱土层的深度或垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下卧层验算的要求。因此，垫层的厚度必须满足如下要求：

当上部荷载通过垫层按一定的扩散角传至下卧软弱土层时，该下卧软弱土层顶面所受的自重力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的地基承载力设计值，表达式见式（10-1），垫层内应力的分布如图10-2所示。

式中　pz——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处土的附加压力值（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）。

垫层底面处的附加压力值pz，可根据压力扩散角θ 分别按式（10-2）和式（10-3）进行简化计算。

图10-2　垫层应力分布

条形基础：

矩形基础：

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）；

　　　pz——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，可按表10-2采用。

表10-2　垫层压力扩散角θ(www.xing528.com)

注：（1）当z/b＜0.25时，除灰土仍取θ＝28°外，其余材料均取θ＝0°，必要时，宜由试验确定。（2）当0.25＜z/b＜250时，θ 值可内插求得。

换填垫层的厚度不宜小于0.5 m，也不宜大于3 m。太厚工程施工困难，太薄则换填垫层的作用不明显。计算时，一般先根据工程实况初步设定一个垫层厚度，再用式（10-1）验算；若不符合要求，则改变厚度，重新验算，直至满足要求为止。

3.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出。若垫层宽度不足，就有可能部分挤入侧面软弱土中，增加基础沉降。垫层宽度的计算，通常可按应力扩散角法进行。

垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按式（10-4）确定。

式中　b′——垫层底面的宽度（m）；

　　　θ——压力扩散角（°），可按表10-2采用；当z/b＜0.25时，仍按表中z/b＝0.25取值。

整片垫层底面的宽度，可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定，即得垫层的设计断面。垫层顶面每边超出基础底边，不宜小于300 mm。

4.垫层的承载力和变形验算

垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定，并应进行下卧层承载力的验算。

对于垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地基变形计算时，应考虑邻近基础对软弱下卧层顶面应力叠加的影响。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，并应考虑其附加的荷载对建筑及邻近建筑的影响。

垫层地基的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成。换填垫层在满足断面有足够厚度、宽度和垫层压实标准的条件下，垫层地基的变形可仅考虑其下卧层的变形。对沉降要求严格或垫层厚的建筑，应计算垫层自身的变形。垫层下卧层的变形量，可按国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的有关规定计算。

5.垫层材料的选择

垫层可选用的材料如下：

（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2 mm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。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。

（2）粉质黏土：土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50 mm。

（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15 mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5 mm。

（4）矿渣：垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑物、构筑物地基。

（5）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0.3～0.5 m。

（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。在软土地基上使用加筋垫层时，应保证建筑稳定并满足允许变形的要求。

由垫层材料确定常用的垫层有：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、矿渣垫层、粉煤灰垫层以及用其他性能稳定、无侵蚀性材料做的垫层等。

6.施工要点

（1）按照密实方法分类，可选择机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法。

（2）砂石料宜采用振动碾或振动压实机等压密，其压实效果、分层铺填厚度、压实遍数、最佳含水率等应根据具体施工方法及施工机具通过现场试验确定，也可以根据施工方法的不同控制最佳含水率。

（3）对垫层底部有古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘等软硬不均的部位时，应先予以清理后，再用砂石逐层回填夯实，并经检验合格后，方可铺填上一层砂石料后再行施工。

（4）严禁扰动垫层下卧的软土，为防止践踏、受冻、浸泡或暴晒过久，坑底可保留200 mm厚土层暂不挖去，待铺砂石料前再挖至设计高程，如有浮土必须清除，当坑底为饱和软土时，须在土面接触处铺一层细砂起反滤作用，其厚度不计入砂垫层设计厚度内。

（5）砂石垫层的底面宜铺设在同一高程上，如置换深度不同，基底土层面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序施工，搭接处应夯实。垫层竣工后，应及时进行基础施工和基坑回填。

（6）垫层的施工方法应控制分层铺填厚度，每层压实遍数等宜通过试验确定。

（7）人工级配的砂石应拌和均匀。用细砂作填料时，应注意地下水的影响，且不宜使用平振法、插振法和水振法。

（8）当地下水位高于基坑底面时，宜采用排水或降水措施，注意边坡稳定，以防止坍土混入砂石垫层中。

7.质量检验

砂（砂石、碎石）垫层的质量检验应随施工分层进行。压实度检验，一般可用环刀法、灌砂（或）水法、湿度密度仪法或核子密度仪法等来测定干密度和含水率，具体选用哪种方法可根据工地的实际情况确定。

砂（砂石、碎石）垫层填筑工程竣工质量验收可用静荷载试验法、标准贯入试验法、轻便触探法、动测法等中的几种或一种方法进行检测。