换填垫层法

1齐齐哈尔大学地基处理课程论文题目浅谈换填垫层法学院建筑与土木工程学院专业班级土木工程131班学生姓名王磊指导教师张宇成绩2016年07月1日2浅谈换填垫层法在浅基础处理方面，人们经过多年的实践，逐渐摸索出地基处理的成功经验。目前较为常用的浅地基处理方法大致有以下几种：如挤密法、换填垫层法、灌浆法、强夯法或采用短桩处理等。其中换填垫层法以其原料丰富、施工工期短，工程造价低、质量易控制等突出优势在浅地基处理中得到广泛的应用。（一）关于换填垫层厚度计算的探讨换填垫层法是处理浅层软弱地基的常见措施之一。《建筑地基处理技术规范》中对换填垫层厚度的计算提出了扩散角法,且认为其结果比按弹性理论计算的结果略偏于安全,由于该方法计算简便,因此在工程中得到广泛得使用。通过建立对比模型和实例研究的方式,分别用扩散角法和弹性理论法计算换填垫层厚度,结果表明,弹性理论方法较扩散角法所求得的垫层厚度大得多。为满足结构安全,建议对于需计算地基变形的建筑,采用弹性理论方法计算换填垫层厚度。1.两种方法计算结果的比较为了更清楚地比较两种方法的计算结果,今采用换填垫层厚度直接计算法进行计算。现将其计算步骤说明如下:1)按式(1)计算系数k1值k1=1p0fak-0.5γ0×10(1)2)按式(2)计算系数k2值k2=k1+15bp0γ0-γ1(2)3)在图1中左右纵坐标轴上分别找到k1和k2值所对应的点,3然后将两点连成直线,并从该直线与相应的n=lb所对应的曲线交点竖直向上引直线,在横坐标轴上得到m值。4)按式(3)计算换填垫层厚度z=mb上述各式中,p0为基底附加压力,kN/m2;b为基底的长边和短边尺寸,m;n为基底的长边和短边之比,n=lb;γ0、γ1为软土层和换填垫层重度,kN/m2;fak为软土层承载力特征值,kN/m2;z为换填垫层厚度,m。厚度/m4------扩散角法;———弹性理论计算方法图1垫层厚度图示法示意例题:钢筋混凝土框架结构柱基础,承受上部结构荷载组合值=358.4kN,基础埋深d=H=2m,地基为很厚的软黏土层,其承载力特征值fak=100kN/m2,重度γ0=17.5kN/m2。试确定换土垫层的厚度和宽度。解:采用中砂作为垫层换填材料,其承载力特征值fa=180kN,重度γ1=18kN/m3。1)计算基础底面尺寸A=fkfa-γH=2.56kN/m2本例题采用正方形基础,b=l=1.6m2)计算基底附加应力p0=fkA+γH-γ0z=145kN/m23)计算系数k1、k2值k1=1p0(fak-0.5γ0)×10=6.295k2=k1+15bp0γ0-γ1=6.214)垫层厚度a.按扩散角法计算由曲线图查得:当k1=6.29、k2=6.21和n=1时,查得m=0.31z=mb=0.31×1.60=0.496m,取z=0.50m验算:由表1查得,当m=0.31时,θ=22.4,tanθ=0.412γ0d+γ1z+blp0(b+2ztanθ)(l+2ztanθ)=135.91kN/m2≈faz=fak+γ0(d+z-0.5)=134.93kN/m2b.按弹性理论法计算由曲线图查得:当k1=6.29、k2=6.21和n=1时,查得m=0.58z=mb=0.58×1.60=0.93m,取z=1.00验算:由弹性理论附加应力系数表查得:当n=1,m=0.58时,α=0.625γ0d+γ1z+αp0=142.33kN/m2≈faz=fak+γ0(d+z-0.5)=142.49kN/m25)垫层宽度扩散角法:b′=b+2ztanθ=2.00m由上例两种方法计算结果可见,扩散角法较弹性理论方法所求得6的垫层厚度小1/2。产生这一结果的原因首先是扩散角法计算的地基附加应力随深度的增加收敛较弹性理论快得多,参见表2;其次,扩散角法所求得的附加压应力是软土层顶面的平均值,而弹性理论方法所求得的附加压力仍是基底中心线下软土层顶面一点的应力值。因此,前者必然小于后者。鉴于弹性理论方法较扩散角法所求得的垫层厚度大得多,有时甚至超过一倍。为满足结构安全和正常使用,建议对于需计算地基变形的建筑,其换填垫层厚度宜采用弹性理论方法计算。（二）换填垫层强度取值与基坑侧土强度关系分析假定:(1)换填垫层与侧面软土在界面处破坏是由于软土强度不足所致;(2)基础下换填垫层侧面软土各向均质同性。当换填垫层界面处某点应力等于土的抗剪强度时的临界状态称为极限平衡状态。由土的平面应力理论有σx=(σz+σcz)tan2(45゜-φ2)(3)设中密砂土的φ=30°,代入(3)得σx=31(z+)(4)设换填垫层基坑坡角为β,则在垫层与基坑侧土接触界面上,正应7力σs为σs=(σz+σcz)cosβ+σxsinβ(5)从上式可知:当β=0°时,σx对基坑侧面正应力无贡献,σs=σz+σcz;当β=90°时,σx对基坑侧面正应力贡献最大,σs=σx。当界面处于极限平衡状态时,将(4)代入(5)式经整理得界面处正应力σs=(σz+σcz)(cosβ+13sinβ)(6)对式(6)求最大值,可令:(σs)′|β=0,得β≈18.435°即当换填垫层坡角满足β=18.435°时,σs最大,此时sinβ=0.3162,cosβ=0.9487σs≈1.054(σz+σcz)(7)理论计算及实测表明,基底应力极限状态约位于基底下b/4处。设换填垫层下b/4与软土面交界处为微元体P,其软土强度为fs′,为保证垫层基坑侧土安全,微元体P接触面上正应力σs′必须满足σs′≤fs′(8)式中:σs′=1.054(σz′+σcz′)。对于淤泥质软土,当覆盖杂填土时,γ0≈17kN/m3,ηd=1.1,σcz′=γz′,当基坑侧面软土任意一点土自重应力与竖向附加应力不小于砂垫层侧向压缩引起垂直向上应力时,该点强度可近似按各向同性考虑,即fs′=fa=fak+γ0ηd(z′-0.5)(9)8将(9)、(10)代入(8)式并整理得fak≥1.054σz′-0.05σcz′+9.35(10)式中:fa为微元体P处基坑侧面软土修正后的地基承载力特征值;fak为基坑侧面软土承载力特征值。当微元体P在基础外边,且z′-d=0.25b时,可近似算得:σz′≈0.35p0,考虑到上硬下软双层地基中点应力分布特点:地基中点应力相应减少,边缘应力相应增大,应力分布总体相对均匀等因素,取σz′≈0.35p0×1.2,即当fak满足下式时fak≥0.44p0+9.35-0.05σcz′(11)或p0≤2.27(fak-9.35+0.05σcz′)(12)基坑侧面软土安全;否则就应加大基础宽度,降低p0值,直至满足基坑安全为止。（三）换填垫层发在浅层地基里处理中的应用1.换填垫层法的适用范围换填垫层法主要适用于淤泥、淤泥质土、沉陷性黄土、素填土、杂填土及暗河、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。2.换填垫层法的作用2.1提高地基承载力浅基础的地基承载力与基础下卧层的抗剪强度有关，以抗剪强度较高的材料置换较软弱的土层，可提高地基的承载力。另外，置换后的垫层密实度大、强度高、可将建筑物基底压力扩散传递到其下卧的9软弱土层，使其下卧层中所受应力减小到该软弱地基土容许承载力范围，从而满足强度要求，避免地基破坏。2.2减少沉降量地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是较大的，以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，可以减少这部分的沉降量。另外，由于垫层的应力扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较少，这样也会相应减少下卧层土的沉降量。2.3加速软弱层排水固结砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可用为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土的固结和强度提高，避免地基土塑性破坏。2.4防止冻胀因为垫层材料孔隙大，不易产生毛细管现象。因此，可防止寒冷地区中结冰所造成的冻胀。3.工程实践垫层的厚度、承载力的取值必须结合上部结构荷重情况及工程地质条件确定。某民用建筑小区，小区内上部沉积了较厚软弱土层，淤泥质粘土层厚度4m、fk=60kPa、Es=2.47MPa，为高压缩性土。区内综合楼（二层、混合结构）墙下钢筋混凝土条基，采用砂石垫层处理地基，基础深埋－1.00m，预设计垫层厚度为1.5m，垫层底面处的地基承载力fz经过修正后取82kpa，垫层底面处的自重应力Pcz为36kpa，10上部结构传给基础的线荷载为180kN/m。垫层厚度、宽度应根据需置换软弱层土的深度或下卧层的承载力确定。现参照《建筑地基处理技术规范》作如下设计验证：Pz+Pcz≤fz[2](1)Pz=b·（Pk－Pc）/(b＋2z·tgθ)[2](2)其中Pz—垫层底面处的附加压力（kPa）Pcz—垫层底面处土的自重压力（kPa）fz—垫层底面处经修正后的地基承载力特征值（kPa）b—条基宽度（m）Z基础底面下垫层的厚度（m）Pk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）由（1）式得Pz≤46kPa由（2）式得（b×180/b）（b+2×1.5tg30°）=46b=2.17m实取2.20m实际上基底压力Pz+Pcz=180/2.2+36=118kPa，因此当垫层的下卧层为软弱土层时，垫层承载取值120kPa较为适宜。通过加强基础的整体性和上部结构的刚度，避免因软弱下卧层厚度不一而造成不均匀沉降，工程已竣工使用多年，情况良好。换填法是一种经济实用的地基处理方法，只要运用得当，会取得良好的工程效果。1112