第三章-908

1第三章换土夯实法当建筑物的地基土为软弱土或湿陷性土、膨胀土、冻土等不能满足上部结构对地基强度和变形的要求，而软土层的厚度又不很大时（如不大于3m），常采用垫层法处理，与其它地基处理方法相比，此法能取得良好的经济效益。换填夯实法又称开挖置换法、换土垫层法，简称换土法、垫层法等。该法是将基础下的软弱土、湿陷性土、膨胀土、冻土等的一部分或全部挖去，然后换填密度大、强度高、水稳性好的砂土、碎（卵）石土、灰土、素土、矿渣以及其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并分层（振、压）实至要求的密度。换土垫层与原土相比，具有承载力高，刚度大，变形小的优点。砂石垫层还可以提高地基排水固结速度，防止季节性冻土的冻胀，消除膨胀土地基的胀缩性及湿陷性土层的湿陷性，还可用于暗滨和暗沟的建筑场地。另外，灰土垫层还具有促使其下土层含水量的均衡转移的功能，从而减小土层的差异。在不同的工程中，垫层所起的作用也不同。一般房屋建筑基础下的砂垫层主要起换土作用，而在路堤或土坝等工程中，砂垫层主要是起排水固结作用。换土垫层视工程具体情况而异，软弱土层较薄时，常采用全部换填，若土层较厚时，可采用部分换填，并允许有一定程度的沉降及变形。换土垫层一般多用于上部荷载不大，基础埋深较浅的中、低层民用建筑的地基处理工程中，一般开挖深度不超过3m。近年来，一些重大的建（构）筑物，也开始用换土垫层，开挖深度超过3m以上，甚至更深，一般限制在5m以内，同时注意边坡的防护。垫层的设计与施工应根据上部建筑物的结构特点、荷载特性、基础形式及埋深、场地土质、地下水条件和当地施工队伍的技术装备、施工经验、材料来源以及工程造价等技术、经济分析论证后确定。根据换填的材料不同，垫层可分为砂石（砂砾、碎卵石）垫层、土垫层（素土、灰土、二灰土垫层）、粉煤灰垫层、矿渣垫层、加筋砂石垫层等。第二节换填（土、石）材料要求垫层材料可以选择级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、圆砂、卵石、碎石等材料，其颗粒的不均匀系数dd1060≥5，最好为dd1060≥10不含植物残体、垃圾等杂物，且含泥量不应超过5%若用排水固结的垫层，其含泥量不应超过3%。若用粉沙作换填材料时，不容易压实，而且强度也不高，使用时应掺入25%～30%的碎石或卵石，使其分布均匀，最大粒径不得超过5㎝。碾压或夯、振动功能过大时，最大粒径不得超过8㎝。对于湿陷性黄土地基的垫层，不得选用砂石等渗水材料作为换填材料。采用素土和灰土换填时，因土的压实程度与土的特性尤其是土的含水量、土的颗粒组成和压(夯、振)实能量密切相关。在实际施2工中，通常素土垫层施工含水量一般控制在ωOP±2%的范围内。对粉煤灰垫层控制在ωOP±4%的范围内。无试验资料时，最优含水量ωOP可参考表3·2·1。也可按经验公式确定：ωOP＝0.4ωL+6粉质粘土ωOP＝0.6ωL－3粘土土的最优含水量经验值表3·2·1塑性指数IP最大密度rd（kN/m3）最优含水量ωOP（%）＜10＞18.5＜1310—1417.5—18.513—1514—1717.0—17.515—1717—2016.5—17.017—1920—2216.0—16.519—21杂填土的含水量对垫层的分层压实有直接影响。现场施工时，应使填土的含水量接近最佳含水量。当无实测资料时，也可参考表3·2·1和表3·2·2确定。土的最优含水量和最大密度参考值表3·2·2土的种类变形范围最优含水量（%）最大密度（kN/m3）砂土8—1218.0—18.8粘土19—2315.8—17.0粉质粘土12—1518.5—19.5粉土16—2216.1—18.0若采用高炉矿渣垫层来处理软弱地基时，当压实符合标准时，载荷与变形关系具有直线变形体的一系列特点。如压实不佳、强度达不到设计标准，会引起显著的非线性变形。因此，在设计矿渣垫层时，首先要了解它的组成成分、颗粒级配、软弱颗粒含量和松散密度。矿渣是高炉冶炼生铁过程中产生的固体废渣经自然冷却而形成的，具有原料足、造价低、节约天然资源（砂石料）的特点，作为填料已广泛应用于工程实践中。在垫层施工中，填料质量好坏，是直接影响垫层施工质量的关键因素。对于砂、石料和矿渣等垫层主要检验其粒径级配以及含泥量，对于土、石灰填料主要检查其含水量是否接近最优含水量，石灰的质量等级以及活性cao+mgo的含量、存放时间等。不允许不合格的材料用于工程中，各种填料的一般质量要求见表3·2·3。3各种垫层对材料的一般要求表3·2·3垫层名称填料名称质量要求砂垫层砂料砂石垫层材料，宜采用级配良好，质地坚硬的中砂、粗砂、砂砾、圆砂、卵石、碎石等材料，其颗粒的不均匀系数dd1060≥5，最好dd1060≥10，不含植物残体、垃圾等杂物，且含量不超过5%。若用作排水固结的垫层，其含泥量不应超过3%。若用粉细砂作为换填材料时，不容易压实，而且强度也不高，使用时应掺入25%—30%的碎石或卵石，使其分布均匀，最大粒径不得超过5㎝。碾压或夯、振功能较大时，最大粒径不得超过8㎝，对于湿陷性黄土地基的垫层，不得选用砂石等渗水材料作为换填材料。碎石垫层碎、卵石料素土垫层土料素土垫层中的土料应采用基坑（槽）开挖出的土，并应过筛，粒径≤15㎜，土中有机质含量不得超过5%，不得含有冻土、膨胀土，当含有碎石时，其粒径不宜大于50㎜，用于处理湿陷性黄土的素土垫层中的土料不得含有砖、瓦、石块等渗水材料。灰土垫层土料除符合上述素土垫层的土料的质量要求外，土的塑性指数Ip＞4，一般石灰与土配合的体积为3︰7，2︰8。石灰灰土垫层中的灰料宜用新鲜的消石灰，应予以过筛，其粒径不得大于5㎜，熟石灰不得含有未熟化的生灰块和过多的水分，一般常用的熟石灰粉末，其质量应符合国家Ⅲ级以上标准，活性cao+mgo含量不得低于50%，要拌制强度较高的灰土，应选用Ⅰ级和Ⅱ级石灰。当活性氧化物含量不高时，应相应增加石灰的用量，石灰贮存时间不得3个月，长期存会降低其活性。灰土还可以用达到国家三等石灰标准的生灰，其粒径不得大于5㎜，生石灰消解3—4d，筛除生石灰块后使用。粉煤灰垫层粉煤灰粉煤灰可采用湿排灰，调湿灰和干排灰，不得有植物、垃圾和有机质等杂物，运输时粉煤灰含量不宜过多或过少，过多运输过程会造成滴水，过少会造成扬尘，污染环境，洒水的水质不应含油质，PH在6—9之间。高炉矿渣垫层矿渣料矿渣垫层大面积填铺时，多采用高炉混合矿渣（经破碎但不经筛分的分级矿渣），粒径最大不超过200㎜。小面积垫层用粒径20—60㎜分级矿渣，最大粒径不得超过碾压分层虚铺厚度2/3，用于垫层的矿渣应预先进行化学分析鉴定。第三节设计计算垫层设计的一般要求是，既要有足够的厚度以置换可能受到剪切破坏的软弱土层，还要满足建筑物地基强度和变形的要求，另外，还要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出增加沉降，同时还应做到经济合理。垫层设计的主要内容是确定垫层的合理厚度和宽度。应根据建筑体型、结构特点、荷载性质和地质条件，以及机械设备条件、垫层材料来源等综合考虑，进行垫层的设计。一、垫层厚度的确定垫层厚度一般是根据垫层底面处软弱土层的承载力而确定的。如图3·3·1所示，h为基础埋深。垫层厚度hs的确定依据是垫层底部软弱土层的承载力。作用于垫层底面处土的自重应力与附加应力之和应不大于下卧层的允许承载力，即4Pz+Pcz≤fz（3·3·1）式中Pz——垫层底面处附加应力设计值（kpa）；Pcz——垫层底面处土的自重压力标准值（kpa）；fz——垫层底面处经深度修正后软弱土层的地基承载力设计值（kpa）。图3·3·1具体计算时，一般可根据垫层的地基承载力标准值确定出基础宽度，在根据下卧层的承载力确定出垫层的厚度。垫层的标准承载力要合理拟定。如定的过高，换垫厚度会很深，这样对施工不利，也不经济。根据许多荷载试验资料得出：当软弱下卧层的承载力标准值为60～80kPa，压缩模量为3MPa左右，换土厚度为基础宽度的0.5～10倍时，例如用砂垫层地基的承载力标准值大约为100～200kPa。一般是先根据初步拟定的砂垫层厚度hs，再用公式（3·3·1）复核。通常砂垫层厚度为1.0～3.0m之间，太厚施工困难，太薄则换土垫层的作用不明显。垫层底面处的附加应力pz，除了可用弹性理论的土中应力公式求得外，也可按应力扩散角Q进行简化计算。假定基底应力p按Q角通过砂垫层向下扩散到软弱下卧层顶面，该处由此产生的压力呈均匀分布见图3·3·1。条形基础：Q2)(tghbbPczPPsz（3·3·2）矩形基础：)Q2)(Q2()(tghltghblbpczpPssz（3·3·3）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）；P——基础底面压力的设计值（kPa）；Pcz——基础底面处土的自重应力标准值（kPa）；hs——基础底面下垫层的厚度（m）；Q——垫层的压力扩散角（0），可按表3·3·1或3·3·2取值。垫层压力扩散角Q（0）表3·3·1换填材料hs/b中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、卵石、碎石粘性和粉土（8≤Ip＜14＝灰土0.2520630≥0.503023注：（1）当hs/b＜0.25时，除灰土仍取Q=300外，其余材料均Q=00.5（2）当0.25＜hs/b＜0.50时，Q值可由内求得。垫层压力扩散角Q（0）表3·3·2Ea1/Ea2hs/b0.250.503b2351025102030注：（1）Ea1为垫层的压缩模量；Ea2为垫层下土的压缩模量，（2）hs＜0.25b时，一般取Q=00，必要时宜由试验确定，hs＞0.56时，Q值不变。假定基础应力P按扩散角Q=350—450通过砂垫层向下扩散到软弱下卧层顶面，并假定该处由此产生的压呈梯形分布，见图3·3·2（b）。图3·3·2砂石垫层梯形应力分布根据力的平衡条件可得到：Lbp=[(b+hstgQ)L+bhstgQ+34(hstgQ)2]pz整理后，该处软土的附加应力为：Q)!34(tghQtghbLbLbLpPssz(3·3·4)根据试验，当矩形基础下垫层厚度为基底宽度的0.8～1.0倍，条形基础下垫层厚度为基底宽度的1.0～1.5倍时，能消除大部分非自重湿陷性黄土地基的湿陷性。对柱基下垫层厚度为基底宽度的1.0～1.5倍时，对条形基础其垫层厚度为基底宽度的1.5～2.0倍时，可基本消除非自重湿陷性黄土地的湿陷性。对湿陷性黄土垫层处理深度，按《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25～90）规定：（1）、甲类建筑应消除全部湿陷量或桩基、深基、垫层等穿透全部湿陷土层，对非自重湿陷性黄土场地，应将基础下湿陷起始压力小于附加压力与上覆土的饱和自重压力之和的所有土层进行处理，或处理至基础下压缩层的下限为止。对自重湿陷性黄土场地，应处理基础以下的全部湿陷性土层。（2）、对乙类建筑消除地基部分湿陷量的最小处理厚度为：对非自重湿陷性黄土场地，不应小于压缩层厚度的2/3，对自重湿陷性黄土场地，不应小于湿陷性土层厚度的2/3，并应控制未处理土层的湿陷量不大于20㎝。（3）、如基础宽度大或湿陷性土层厚度大，处理2/3的压缩层或处理2/3的湿陷性土层有困难时，或当控制剩余湿陷量不能满足设计要求时，在建筑物范围内应采取整片处理。在非湿陷性黄土场地，其处理厚度不应小于4m，在自重湿陷性黄土场地，其处理厚度不应6小于6m。（4）、对丙类建筑消除地基部分湿陷量的最小处理厚度应符合表3·3·3。消除地基部分湿陷量最小处理厚度表3·3·3地基湿陷等级湿陷类型非自重性湿陷性场地自重湿陷性场地Ⅱ2.02.0Ⅲ—3.0Ⅳ—4.0注：在Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性黄土场地上，对多层建筑地基宜采用整片处理，未处理土层的湿陷量不宜大于30㎝。二、垫层宽度的确定垫层的宽度确定主要依据是基础底面应力扩散的要求，其次也要考虑垫层侧面土的允许承载力，以防止垫层向两侧挤入软弱土层中，导致沉降增大，甚至失稳。目前常用的方法有应力扩散角法及根据侧面土的承载力计算。但宽度的计算，目前尚无完善、可靠的方法。工程施工中主要按各地经验确定。1、应力扩散角法以条形基础为例，如砂垫层的底面宽度按下式计算：b＇=b+2hst