80第3章__换填垫层法

第3章换填垫层法Chapter3ReplacementandCushion3.1概述3.1Introduction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。3.2垫层的作用3.2FunctionsofCushion（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。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。3.3土的压实原理3.3MechanismofSoilCompactness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。（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。3.4垫层设计(DesignofCushion)1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：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。azczzfpp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对矩形基础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）；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。tgzbppbpckz2)()2)(2()(tgzltgzbppblpckz压力扩散角换填材料z/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、卵石、碎石、矿渣粉质黏土、粉煤灰灰土0.2520628≥0.503023282垫层宽度的确定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。tgzbb2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。（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。（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。3.5粉煤灰垫层(FlyashCushion)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9.2～13.57kN/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。（4）压缩性。当压实系数为0.9~0.95时,压缩模量为8～20MPa。（5）承载能力。对压实系数为0.9~0.95的浸水垫层,其承载力可采用120～200kPa。（6）渗透性。粉煤灰颗粒组成近似砂质粉土，渗透系数在10－4～10－5cm/s之间变化。（7）抗液化性。粉煤灰经压实后不会发生液化。3.6垫层施工方法3.6ConstructionofCushion1按密实方法分类，有机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法。应根据不同的换填材料选择施工机械。2垫层的施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200～300mm。3为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度，一般平碾为2km/h;羊足碾为3km/h;振动碾为2km/h;振动压实机为0.5km/h。3.7质量检验3.7QualityVerificationTest1对粉质黏土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验可用环刀法、贯入仪法、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验检验；对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探试验。2垫层的施工质量检验必须分层进行。应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。3采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应位于每层厚度的2/3处。检验点数量，对大基坑每50～100m2不应少于1个检验点；对基槽每10～20m不应少于1个点；每个独立柱基不应少于1个点。4竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点。思考题(Problems)（1）什么是换填垫层法？（2）换填垫层具有什么作用？（3）换填垫层设计包含哪些内容？（4）垫层的施工方法有哪些？（5）垫层施工完成后，如何进行质量检验？