2014年换填垫层法

HenanPolytechnicUniversity地基处理技术TechnicalofSoilImprovement河南理工大学土木工程学院换填垫层技术placementcushionmethodHenanPolytechnicUniversity第2章换填垫层法2.1概述（垫层法，褥垫法）2.2换填垫层设计2.3垫层碾压施工2.4质量检验2.5换填垫层法处理地基工程实例HenanPolytechnicUniversity2.1概述地基处理从处理深度上可分为浅层处理和深层处理，浅层处理一般认为处理深度大致在地面以下5m深度以内。浅层处理与深层处理相比，一般使用比较简便的工艺技术和施工设备，耗费较少量的材料。换填法就是量大面广，简单、快速和经济的浅层处理方法。HenanPolytechnicUniversity换填垫层法的概念换填垫层法是将基础底面下一定深度范围内不满足地基性能要求的土层（或局部岩石），全部挖出，换填符合地基性能要求的材料，然后分层夯实，作为基础的持力层。换填垫层法按其换填材料的的功能不同又分为垫层法和褥垫法。垫层法：以软换硬形成的垫层作为持力层，主要是提高承载力和减少其变形量。褥垫法：以硬换软形成垫层作为基础持力层，主要调整地基的压缩性，减少其不均匀变形。HenanPolytechnicUniversity垫层法当软弱土地基的承载力和变形无法满足工程要求，且软弱土层的厚度不大时，将软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂石、素土等性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求密实度的地基处理，又称为换土填层法。垫层法的作用：1）提高地基承载力：浅基础地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关。换填法以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料代替较软弱的土。HenanPolytechnicUniversity2）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较大的。条形基础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。采用换填法可减少这部分的沉降量。此外垫层对应力的扩散作用，也会减小下卧土层的沉降量。3）加速软弱土层的排水固结：建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，不利于地基中水的排出。换填用的垫层透水性强，能加速基础下面的孔隙水压力消散。HenanPolytechnicUniversity4）防止冻胀：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）消除地基的湿陷性和胀缩性：对与湿陷性黄土地基，采用灰土或素土置换可消除或减轻地基的湿陷变形。同理非膨胀性材料置换膨胀土，可消除或减轻地基的胀缩性。垫层法适用于适用于浅层地基处理，包括淤泥、杂填土、等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。还适用于一些地域性特殊土的处理：用于消除膨胀土地基的胀缩作用，可消除湿陷性黄土的湿陷性。HenanPolytechnicUniversity垫层的分类及适用范围垫层分类适用范围砂(砂石、碎石)垫层多用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理，适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理素土垫层适用于中小型工程及大面积回填、湿陷性黄土地基的处理灰土垫层适用于中小型工程，尤其适用于湿陷性黄土地基的处理粉煤灰垫层适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等大、中、小型工程的大面积填筑。矿渣垫层适用于中小型建筑工程，尤其适用于地坪、堆场等工程大面积的地基处理和场地平整。但对于受酸性或碱性废水影响的地基不得采用矿渣垫层。HenanPolytechnicUniversity2.2换填垫层的设计2.2.1砂垫层设计2.2.2素土和灰土层垫层设计2.2.3褥垫层设计2.2.4垫层材料的选用HenanPolytechnicUniversity2.2.1砂垫层厚度的设计：垫层底面处的附加应力设计值（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）azzzfppcczpazfzp垫层底面处的附加压力值pz可按压力扩散角进行简化计算tgzbppbpcz2)(k)2)(2()(ktgzltgzbpplbpcz条形基础：矩形基础：要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。1.垫层厚度确定HenanPolytechnicUniversity图2-1砂垫层内应力分布czpzpkpHenanPolytechnicUniversity2.垫层宽度的确定垫层宽度应满足基础底面应力扩散和防止向两侧挤出的要求。bbztg'2b:垫层底面宽度(m)；:垫层的压力扩散角，可按表2.1-1采用满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边宜超出基础300mm,按经验从垫层底面两侧向上放坡。HenanPolytechnicUniversityP:基地平均有效压力（kPa)Fk:基础顶面的竖向承载力值（kN）A:基底面积（m2)d：基础埋深（m）：回填土与基础的混合重度：基底压力扩散系数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。建筑物基础沉降等于垫层自身的变形量S1与下卧土层的变形量S2之和。4)沉降计算3)垫层承载力的确定GdAFpGksEzpps2)(1HenanPolytechnicUniversity例子2-1某4层混合结构，承重墙240mm厚的砖墙，传至基础顶部的竖向力Fk=180kN,地基的表层为1.2m厚的杂填土，重度17.5kN/m3；其下为7.8m厚的淤泥，含水量w=50%，承载力特征值fak=75kPa.地下水位深度为1.0m,基础埋深d=0.8m,试设计该墙基的砂垫层。计算步骤：1）计算基础宽度和基底附加压力2）确定垫层底面淤泥的承载力3）计算垫层底面处的自重应力和附加压力4）验算垫层厚度5）确定垫层宽度HenanPolytechnicUniversityd=0.8m1.0m垫层厚度Z杂填土基础宽度b淤泥垫层宽度b'地下水位γ=17.5kN含水量w=50%承载力特征值f=75kPaakθ条形基础是基础的长度大于或等于10倍基础宽度的一种基础形式，按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础.重度：20kN/m31.2m1.2mHenanPolytechnicUniversity建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）HenanPolytechnicUniversityHenanPolytechnicUniversity1）计算基础宽度和基底压力)5.0()3(adbffmdbakblGFAGFpfkkkkka)5.0(adffmdak因为)(1.223)5.08.0(5.174.4200akPakPakPafa)垫层的修正承载力特征值)(869.08.0201.223180mmdfFbGakb)基础宽度的确定Gk基础自重及基础上土重故取b=1.0(m)HenanPolytechnicUniversityc)基底附加压力假设垫层厚Z=1.6m,软弱下卧层顶面以上土的平均重度为：)5.0(azdffmdak)/(17.134.2104.1182.05.178.03mkNm)(1828.05.170.10.1208.00.10.118000kPadAGFpkk垫层底面处经深度修正后的承载力特征值指建筑物荷载引起的超出原有基底压力的压力增量.2）确定垫层底面淤泥的承载力特征值)(2.1005.04.217.130.175azkPaf）（有效重度HenanPolytechnicUniversity基底附加应力p0计算基础位于地面上时FpdpFpp0dppm0基础位于地面下时建筑物修建前，土中存在自重应力。自重作用下的变形已稳定。只有地基附加压力才能引起附加应力和变形。HenanPolytechnicUniversity3）计算垫层的底面处的自重应力和附加应力)(02.10052.9592.636.31kPafkPappazczz）（)(92.63306.121182120kPatgtgzbbppozkPakPapcz6.3110204.1182.05.178.0）（4）验算垫层厚度5）确定垫层厚度)(85.2)30tan6.121(2'mmztgbbo故取b’=3.0mHenanPolytechnicUniversity2.2.2素土和灰土垫层的设计素土垫层：又叫土垫层灰土垫层：石灰与土的比例2:8或者3:7在湿陷性黄土地区使用比较广泛，处理深度为1-3m.垫层厚度的确定方法同砂垫层，垫层宽度以下方法确定。czbtan2B2）整片垫层的处理范围，每边超出建筑物外墙基础边缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不应小于2m.1）局部垫层的平面处理范围，没边超出基础底边的宽度由HenanPolytechnicUniversity褥垫法是将基础地面下一定程度的范围内局部压缩性较低的岩石凿去，换填压缩性较大的材料，然后分成夯实的垫层作为基础的持力层，是基础整个持力层的变形相互协调的地基处理的方法。主要用来处理有局部岩层出露而大部分为土层的地基，一般用于条形基础的处理效果较好。2.2.3褥垫法设计HenanPolytechnicUniversity褥垫的作用：调整地基的压缩性，改造压缩性低的地基，从而调整岩土交接部为地基的相对变形，避免该处发生应力集中。褥垫的宽度去稍大于基底的宽度，不需另行计算。主要是根据地基的变形要求计算其厚度。褥垫层构造图HenanPolytechnicUniversity褥垫层厚度的计算2sss12s1）确定褥垫的沉降量:地基土的沉降量shsz1:建筑物沉降差的允许值2s2）褥垫的厚度Z的计算zsEsz2hsEs:褥垫顶，底面的附加应力值:褥垫材料的压缩模量:褥垫材料试样的高度:p-s曲线上褥垫所受压力的变形值HenanPolytechnicUniversity2.2.4垫层材料的选用砂石,粉质粘土,灰土,粉煤灰,矿渣,其他工业废渣,土工合成材料,聚苯乙烯(EPS)聚苯乙烯(EPS)：在软弱地基的填土工程中，有时采用垫层材料的密度大，难以满足设计要求。这时采用EPS，可有效减少作用在地基上的荷载，借以取得设计和施工上的良好效果。可用于公路及铁路路堤，桥头，挡土墙，机场建设等等HenanPolytechnicUniversity换填垫层设计的总结垫层材料碎石，素土，灰土，矿渣，粉煤灰等垫层厚度要求垫层底面处自重应力与荷载作用下产生的附加应力之和不大于同一标高处的地基承载力标准值，一般0.5-3m。铺设范围满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm或按经验从垫层底面两侧向上放坡。地基沉降计算一般仅考虑下卧层沉降。HenanPolytechnicUniversity2.3垫层的碾压施工2.3.1压实机理2.3.2压实方法2.3.3施工要点HenanPolytechnicUniversity2.3.1土的压实机理大量工程实践和试验研究表明，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。对过湿的土进行碾压会出现“橡皮土”，不能增大其密度。对很干的土机型碾压（夯实）也不能充分夯实。控制土的压实效果的主要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。HenanPolytechnicUniversity干密度与含水量的关系曲线（击实试验结果）当粘性土含水量较小时，水化膜很薄，颗粒间引力大，在一定的外部压实功能作用下，还不能有效克服引力而使土颗粒相对移动么所以压实效果差；增加含水量时…optwHenanPolytechnicUniversity1.最优含水量对粘性土，当压实功能和条件相同