換填墊層法地基處理材料的選用及設(shè)計河南科技大學(xué)規(guī)劃與建筑工程學(xué)院高笑娟1、換填墊層法適用條件

當(dāng)軟弱土地基的承載力和變形滿足不了設(shè)計要求，而軟弱土層的厚度又不是很大時，基礎(chǔ)底面下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖除，然后分層換填強度較大的砂（碎石、素土、灰土、爐渣、粉煤灰）或其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料，并壓實至要求的密實度為止，這種地基處理方法稱為換填墊層法，簡稱為換填法。

換填法多用于公路構(gòu)筑物的地基處理，在建筑工程中也有一定范圍的應(yīng)用。換填法的加固原理是根據(jù)土中附加應(yīng)力分布規(guī)律，讓墊層承受上部較大的應(yīng)力，軟弱層承擔(dān)較小的應(yīng)力，以滿足設(shè)計對地基的要求。2、墊層的作用

（1）提高持力層的承載力通過擴散作用使傳到墊層下軟弱土層的應(yīng)力減小。（2）減小沉陷量一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例是比較大的。以條形基礎(chǔ)為例，在相當(dāng)于基礎(chǔ)寬度的深度范圍內(nèi)的沉降量約占總沉降量的50％，如以密實砂或其他建筑材料代替上部軟弱土層，就可以減小這部分的沉降量。砂墊層或其他墊層對應(yīng)力的擴散作用，使作用在下臥土層的壓力較小，這樣也會相應(yīng)減小下臥土層的沉降量。

（3）加速軟弱土層的排水固結(jié)（4）防止凍脹

因為粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細現(xiàn)象，因此可以防止寒冷地區(qū)土中的冰所造成的凍脹。這時，砂墊層的底面應(yīng)滿足當(dāng)?shù)貎鼋Y(jié)深度的要求。

（5）消除膨脹土的脹縮作用在各類工程中，墊層所起的主要作用有時也是不同的，對膨脹土地基而言主要是消除膨脹土的膿縮作用。3、墊層材料的選用（1）砂石砂石墊層材料宜選用碎石、卵石、角礫、圓礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑，應(yīng)級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質(zhì)。當(dāng)使用粉細砂時，應(yīng)摻入不少于總重30％的碎石或卵石。砂石的最大粒徑不宜大于50mm，并通過試驗確定虛鋪厚度、振搗遍數(shù)、振搗器功率等技術(shù)參數(shù)。對濕陷性黃土地基，不得選用砂石等透水材料。（2）粉質(zhì)粘土土料中有機質(zhì)含量不得超過5％，亦不得含有凍土或膨脹土，不得夾有磚材料。當(dāng)含有碎石時，粒徑不宜大于50mm。（3）灰土灰土的體積配合比宜為2:8或3:7。土料宜用粉質(zhì)粘土，不宜使用塊狀粘土和砂質(zhì)粉土，不得含有松軟雜質(zhì)，并應(yīng)過篩，其顆粒直徑不得大于15mm。石灰宜用新鮮的消石灰，其顆粒粒徑不得大于5mm。（4）粉煤灰可用于道路、堆場和小型建筑物、構(gòu)筑物等的換填墊層。粉煤灰墊層上宜覆土0.3—0.5m。作為建筑物墊層的粉煤灰應(yīng)符合有關(guān)放射性安全標準的要求。（5）礦渣墊層使用的礦渣是指高爐重礦渣，可分為分級礦渣、混合礦渣及原狀礦渣。礦渣墊層主要用于堆場、道路和地坪，也可用于小型建筑物、構(gòu)筑物地基。易受酸、堿影響的基礎(chǔ)或地下管網(wǎng)不得采用礦渣墊層。大量填筑礦渣時，應(yīng)考慮對地下水和土壤的環(huán)境影響。4、墊層設(shè)計（1）墊層厚度的確定墊層厚度z應(yīng)根據(jù)需置換軟弱土的深度或下臥土層的承載力確定，并結(jié)合式

對于矩形基礎(chǔ)

進行墊層厚度設(shè)計計算時，一般是先根據(jù)初步擬定的厚度，再用公式進行復(fù)核。墊層厚度一般不宜大于3m，如果厚度太大，則施工困難；也不宜小于o．5m，厚度太小則墊層的作用不明顯。（2）墊層寬度確定

墊層頂面每邊超出基礎(chǔ)底邊不宜小于300mm或從墊層底面兩側(cè)向上按當(dāng)?shù)亻_挖基坑經(jīng)驗的要求放坡確定墊層頂面寬度，整片墊層的寬度可根據(jù)施工的要求適當(dāng)加寬。3、墊層承載力的確定

經(jīng)換填處理后的地基，由于理論計算方法尚不夠完善，墊層的承裁力宜通過現(xiàn)場載荷試驗確定。當(dāng)無試驗資料時，可按下表選用，并應(yīng)驗算下臥層的承載力。例題三：某三五層三磚石三混合三結(jié)構(gòu)三的住三宅建三筑，三墻下三為條三形基三礎(chǔ)，三寬B＝1.三2m，埋三深d=1三m，上三部建三筑物三作用三于基三礎(chǔ)上三的荷三載F=1三50三kN三/m。地三基土三表層三為粉三質(zhì)粘三土，三厚h1=1三m，重三度γ1＝17三.8三k三N/三m3；第三二層三為淤三泥質(zhì)三粘土三，厚15三m，重三度三＝17三.5三k三N/三m3，含三水率w＝55％；三第三三層為三密實三砂礫三石。三地下三水距三地表三面為1m。因三地基三土比三較軟三弱，三不能三承受三上部三建筑三荷載三，試三設(shè)計三砂墊三層的三厚度三和寬三度。（回三歸修三正系三數(shù)Ψf＝0.三9，承三載力三基本三值為60三kP三a）（承三載力三修正三系數(shù)ηb＝0，ηd＝1.三1）（應(yīng)三力擴三散角θ=3三0°，z/B>0三.5）（基三礎(chǔ)及三其上三填土三平均三重度γG=2三0k三N/三m3。）答：（1）假三定砂三墊層三的厚三度z＝1.三6m，并三要求三分層三碾壓三夯實三，干三密度三達到三大于1.三6g三/c三m3；則三應(yīng)力三擴散三角θ=3三0°。（2）砂三墊層三厚度三驗算基礎(chǔ)三底面三平均三壓力三設(shè)計三值砂墊三層底三面的三附加三應(yīng)力三（條三形基三礎(chǔ)）砂墊三層底三面的三自重三應(yīng)力地基三承載三力標三準值地基三承載三力設(shè)三計值地基三穩(wěn)定三性故滿三足穩(wěn)三定性三要求三，且三較經(jīng)三濟，三砂墊三層厚三度確三定。（3）確三定砂三墊層三的底三寬砂墊三層底三寬可三兩邊三各加三寬20三cm。（4）繪三制砂三墊層三剖面三圖4、墊三層材三料的三選用（1）砂三石砂石三墊層三材料三宜選三用碎三石、三卵石三、角三礫、三圓礫三、礫三砂、三粗砂三、中三砂或三石屑(粒徑三小于2m三m的部三分不三應(yīng)超三過總?cè)氐?5％)，應(yīng)三級配三良好三，不三含植三物殘三體、三垃圾三等雜三質(zhì)。三當(dāng)使三用粉三細砂三時，三應(yīng)摻三入不三少于三總重30％的三碎石三或卵三石。三砂石三的最三大粒三徑不三宜大三于50三m三m，并三通過三試驗三確定三虛鋪三厚度三、振三搗遍三數(shù)、三振搗三器功三率等三技術(shù)三參數(shù)三。對三濕陷三性黃三土地三基，三不得三選用三砂石三等透三水材三料。（2）粉三質(zhì)粘三土土料三中有三機質(zhì)三含量三不得三超過5％，三亦不三得含三有凍三土或三膨脹三土，三不得三夾有三磚材三料。三當(dāng)含三有碎三石時三，粒三徑不三宜大三于50三m三m。（3）灰三土灰土三的體三積配三合比三宜為2:三8或3:三7。土三料宜三用粉三質(zhì)粘三土，三不宜三使用三塊狀三鉆土三和砂三質(zhì)粉三土，三不得三含有三松軟三雜質(zhì)三，并三應(yīng)過三篩，三其顆三粒直三徑不三得大三于15三mm。石三灰宜三用新三鮮的三消石三灰，三其顆三粒粒三徑不三得大三于5m三m。（4）粉三煤灰可用三于道三路、三堆場三和小三型建三筑物三、構(gòu)三筑物三等的三換填三墊層三。粉三煤灰三墊層三上宜三覆土0.三3—0.三5m。粉三煤灰三墊層三中采三用摻三合劑三時，三應(yīng)通三過試三驗確三定其三性能三及適三用條三件。三作為三建筑三物墊三層的三粉煤三灰應(yīng)三符合三有關(guān)三放射三性安三全標三準的三要求三。粉三煤灰三墊層三中的三金屬三構(gòu)件三、管三網(wǎng)宜三采用三適當(dāng)三防腐三措施三。大三量填三筑粉三煤灰三時應(yīng)三考慮三對地三下水三和土三壤的三環(huán)境三影響三。（5）礦三渣墊層三使用三的礦三誼是三指高三爐重三礦渣三，可三分為三分級三礦渣三、混三合礦三渣及三原狀三礦渣三。礦三渣墊三層主三要用三于堆三場、三道路三和地三坪，三也可三用于三小型三建筑三物、三構(gòu)筑三物地三基。三易受三酸、三堿影三響的三基礎(chǔ)三或地三下管三網(wǎng)不三得采三用礦三渣墊三層。三大量三填筑三礦渣三時，三應(yīng)考三慮對三地下三水和三土壤三的環(huán)三境影三響。（6）其三他工三業(yè)廢三碴在有三可靠三試驗三結(jié)果三或成三功工三程經(jīng)三驗時三，對三質(zhì)地三堅硬三、性三能穩(wěn)三定、三無腐三蝕性三和放三射性三危害三的工三業(yè)廢三碴等三均可三用于三填筑三換填三墊層三。被三選用三工業(yè)三廢渣三的粒三徑、三級配三和施三工工三藝等三應(yīng)通三過試三驗確三定。（7）土三工合三成材三料由分三層鋪三設(shè)的三土工三合成三材料三與地三基土三構(gòu)成三加筋三墊層三。墊三層填三料宜三用碎三石、三角礫三、礫三砂、三粗砂三、中三砂或三粉質(zhì)三粘土三等材三料。三當(dāng)工三程要三求墊三層具三有排三水功三能時三，墊三層材三料應(yīng)三具有三良好三的透三水性三。在三軟土三地基三上使三用加三筋墊三層時三，應(yīng)三保證三建筑三穩(wěn)定三并滿三足允三許變?nèi)蔚娜笕?。?）聚三苯乙三烯板三塊墊三層EP三SEP三S是發(fā)三泡聚三苯乙三烯俗三名泡三沫塑三料。三這種三材料三具有三超輕三的特三點（三密度三約0.三2～0.三3k三N/三m3），三僅為三普通三路堤三填料三質(zhì)量三的1/三50～1/三10三0；具三有耐三壓縮三性（三壓縮三強度三可達30～14三0k三N/三m2）；三具有三耐水三性及三化學(xué)三穩(wěn)定三性。EP三S塊體三具有三自立三性，三對擋三土結(jié)三構(gòu)承三受側(cè)三向壓三力很三小。三用EP三S塊鋪三筑路三堤，三施工三簡單三、快三速、三方便三，無三需大三型施三工機三械，三工期三很短三。EP三S材料三是公三路路三基理三想的三超輕三質(zhì)填三筑料三。特三別是三在軟三土地三基上三修筑三高速三公路三，可三起到三穩(wěn)定三路基三，大三幅度三減少三沉降三，消三除橋三頭跳三車及三降低三對構(gòu)三造物三的水三平推三力等三作用三。從國三外工三程實三例分三析，EP三S材料50三%以上三用于三道路三工程三，而三且主三要用三于路三堤填三筑。三由于EP三S具有三超輕三性、三耐壓三縮性三、自三立性三、耐三水性三和施三工簡三單、三方便三等優(yōu)三點，三應(yīng)用三范圍三比較三廣泛三，不三僅使三用于三各種三道路三，而三且在三鐵路三、停三車場三、公三園、三住宅三和各三種建三筑物三上使三用，三可以三用作三填土三、結(jié)三構(gòu)物三背面三填料三、防三護設(shè)三施等三。目前三該技三術(shù)已三推廣三應(yīng)用三在滬三杭、三杭寧三、甬三臺溫三、杭三金衢三、杭三州繞三城線三等高三速公三路上三，上三海已三用于三同三三國道三上海三段的三路基三設(shè)計三。19三95年，三杭甬三望童三跨線三橋工三程，三與原三擴孔三建橋三方案三相比三節(jié)省三投資三近80萬元三。19三96年，三杭州三過境三一級三汽車三專用三公路三，與三原樁三式路三堤方三案相三比節(jié)三省投三資近10三5萬元三。19三96年，三玉環(huán)76省道三澤坎三線橋三頭滑三移EP三S處理三，與三擴孔三建橋三方案三相比三節(jié)省三投資55萬元三。19三99年，三杭寧三高速三公路三湖州三段，三與原三擴孔三建橋三方案三相比三節(jié)省三投資12三5萬元三。20三01年，三杭金三衢高三速公三路（三杭州——金華——衢州三）蕭三山段三，與三相應(yīng)三建橋三方案三相比三節(jié)省三投資11三5萬元三。（9）粉三煤灰三墊層粉煤三灰墊三層是三對軟三土地三基采三用的三換填三加固三技術(shù)三之一三。粉三煤灰三排放三堆積三，不三僅占三用寶三貴的三土地三資源三，而三且對三生態(tài)三環(huán)境三構(gòu)成三不同三程度三的污三染。三建造三貯灰三場又三要耗三費國三家大三量的三基本三建設(shè)三投資三費用三和農(nóng)三業(yè)用三地。三因此三，對三粉煤三灰的三處理三和利三用已三成為三我國三一個三比較三突出三的經(jīng)三濟和三社會三問題三，迫三切需三要在三巖土三工程三范圍三內(nèi)開三發(fā)利三用粉三煤灰三資源三，把三粉煤三灰作三為軟三土換三境材三料使三用。三經(jīng)上三海寶三鋼工三程、三上海三冷軋三薄板三工程三、上三海關(guān)三港港三區(qū)工三程、三上海三外高三橋港三區(qū)工三程等三各項三重點三建設(shè)三工程三境筑三粉煤三灰墊三層的三工程三實例三證明三，粉三煤灰三是一三種良三好的三地基三處理三材料三資源三，具三有良三好的三物理三、力三學(xué)性三能，三能滿三足工三程設(shè)三計技三術(shù)要三求。1）自三重輕三。粉煤三灰相三對密三度比三粘性三土小三得多三，一三般松三散重三度為6—7k三N/三m3，經(jīng)三輕型三擊實三試驗三擊實三后干三重度三為9.三2—13三.5三kN三/m3。因三此粉三煤灰三的相三對密三度和三重度三均比三粘性三土為三小。三粉煤三灰自三重輕三給回三填土三工程三帶來三有利三的一三面，三可降三低對三下臥三土層三的壓三力，三減少三沉降三，如三利用三該特三點，三道路三路堤三的填三筑工三程高三度現(xiàn)三在可三提高三至8m，打三破了三土路三堤4.三5m的高三度極三限。2）擊三實性三能好三。粉煤三灰的三顆粒三組成三特點三，使三它具三有可三振實三或碾三壓的三條件三，擊三實試三驗曲三線峰三值段三比天三然土三具有三相對三寬度三的最三優(yōu)含三水量三區(qū)間三，粉三煤灰三的最三優(yōu)含三水量三變動三幅度三是±4％，三大于三土的±2％的三變動三幅度三。因三此，三物煤三灰在三回演三施工三過程三中達三到設(shè)三計密三實皮三要求三的含三水量三容易三控制三，施三工質(zhì)三量容三易得三到保三證。3）抗三剪強三度抗剪三試驗三按直三剪（三快剪三）和三三軸三剪（三固結(jié)三不排三本剪三）分三別進三行，三粉煤三灰的三內(nèi)摩三擦角Φ粘聚三力c均與三粉煤三灰的三灰種三、剪三切方三法、三壓實三系數(shù)三大小三和齡三期長三短有三關(guān)。4）滲三透性由于三粉煤三灰的三顆粒三組成三近似三砂質(zhì)三粉土三，壓三實過三程與三壓實三初期三都具三有較三大的三滲透三系數(shù)三，但三隨著三齡期三的增三加，三滲透三性能三逐漸三減弱三，粉三煤灰三還具三有較三強的三齡期三效應(yīng)三。處三于松三散狀三態(tài)下三的細三顆粒三并有三水存三在時三，會三在常三溫下三與氫三氧化三鈣產(chǎn)三生化三學(xué)反三應(yīng)，三形成三具有三膠凝三能力三的化三合物三，這三種反三應(yīng)即三稱為三火山三反應(yīng)三。這三種反三應(yīng)的三產(chǎn)物三有效三填充三了孔三隙，三從而三使強三度和三抗?jié)B三性能三得到三改善三，這三一特三性還三能使三墊層三在后三期形三成——塊具三有隔三水性三能的三板塊三，其三剛度三和強三度均三較好三，這三就大三大地三改善三了地三基的三承載三能力三。5）抗三液化三性能粉煤三灰經(jīng)三壓實三后是三否能三避免三在振三動條三件下三液化三、對三此，三在寶三鋼工三程中三進行三了較三為系三統(tǒng)的三分析三。通三過標三難貫三入試三驗證三明不三會發(fā)三生液三化。6）對三環(huán)境三的影三響粉煤三灰是三一種三堿性三材料三，遇三水后三由于三堿性三可溶三物的三析出三使PH值升三高。三粉煤三從的pH值及三硼、三微量三有害三元素三、放三射性三元素三等的三含量三一般三能滿三足有三關(guān)環(huán)三境保三護的三要求三。例題1：某