1、地基處理技術(shù),Technical of Soil Improvement,河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院,換填墊層技術(shù),placement cushion method,第2章 換填墊層法,2.1 概述（墊層法 ，褥墊法） 2.2 換填墊層設(shè)計 2.3 墊層碾壓施工 2.4 質(zhì)量檢驗 2.5 換填墊層法處理地基工程實例,2.1 概 述,地基處理從處理深度上可分為淺層處理和深層處理，淺層處理一般認(rèn)為處理深度大致在地面以下5m深度以內(nèi)。 淺層處理與深層處理相比，一般使用比較簡便的工藝技術(shù)和施工設(shè)備，耗費較少量的材料。 換填法就是量大面廣，簡單、快速和經(jīng)濟的淺層處理方法。,換填墊層法的概念,換填墊層法是將

2、基礎(chǔ)底面下一定深度范圍內(nèi)不滿足地基性能要求的土層（或局部巖石），全部挖出，換填符合地基性能要求的材料，然后分層夯實，作為基礎(chǔ)的持力層。 換填墊層法按其換填材料的的功能不同又分為墊層法和褥墊法。 墊層法：以軟換硬形成的墊層作為持力層，主要是 提高承載力和減少其變形量。 褥墊法：以硬換軟形成墊層作為基礎(chǔ)持力層，主要調(diào)整地基的壓縮性，減少其不均勻變形。,墊層法,當(dāng)軟弱土地基的承載力和變形無法滿足工程要求，且軟弱土層的厚度不大時，將軟弱土層部分或全部挖去，然后分層換填強度較大的砂石、素土等性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料，并壓（夯、振）實至要求密實度的地基處理，又稱為換土填層法。 墊層法的作用： 1）提高地基

3、承載力：淺基礎(chǔ)地基承載力與基礎(chǔ)下土層的抗剪強度有關(guān)。換填法以抗剪強度較高的砂或其他填筑材料代替較軟弱的土。,2）減少沉降量：一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例較大的。條形基礎(chǔ)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%左右。采用換填法可減少這部分的沉降量。此外墊層對應(yīng)力的擴散作用，也會減小下臥土層的沉降量。 3）加速軟弱土層的排水固結(jié)：建筑物的不透水基礎(chǔ)直接與軟弱土層相接觸時，不利于地基中水的排出。換填用的墊層透水性強，能加速基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力消散。,4）防止凍脹：墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細(xì)管現(xiàn)象，因此可以防止寒冷地區(qū)土中結(jié)冰所造成的凍脹。 5）消除地基的濕陷性和脹

4、縮性：對與濕陷性黃土地基，采用灰土或素土置換可消除或減輕地基的濕陷變形。同理非膨脹性材料置換膨脹土，可消除或減輕地基的脹縮性。 墊層法適用于適用于淺層地基處理，包括淤泥、雜填土、等地基處理以及暗塘、暗溝等淺層處理和低洼區(qū)域的填筑。還適用于一些地域性特殊土的處理：用于消除膨脹土地基的脹縮作用，可消除濕陷性黃土的濕陷性。,墊層的分類及適用范圍,2.2 換填墊層的設(shè)計,2.2.1 砂墊層設(shè)計,2.2.2 素土和灰土層墊層設(shè)計,2.2.3 褥墊層設(shè)計,2.2.4 墊層材料的選用,2.2.1 砂墊層厚度的設(shè)計,：墊層底面處的附加應(yīng)力設(shè)計值（kPa）; ：墊層底面處土的自重壓力值（kPa）； ：經(jīng)深度修正

5、后墊層底面處土層的地基承載力特征值（kPa）,墊層底面處的附加壓力值,可按壓力擴散角進(jìn)行簡化計算,條形基礎(chǔ)：,矩形基礎(chǔ)：,要求有足夠的厚度以置換可能被剪切破壞的軟弱土層，又要求有足夠大寬度以防止砂墊層向兩側(cè)擠出。,1.墊層厚度確定,圖2-1 砂墊層內(nèi)應(yīng)力分布,2.墊層寬度的確定,墊層寬度應(yīng)滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴散和防止向兩側(cè)擠出的要求。,:墊層底面寬度(m)；,:墊層的壓力擴散角，可按表2.1-1采用,滿足基底應(yīng)力擴散要求，墊層頂面每邊宜超出基礎(chǔ)300mm, 按經(jīng)驗從墊層底面兩側(cè)向上放坡。,P :基地平均有效壓力（kPa) Fk :基礎(chǔ)頂面的豎向承載力值（kN） A : 基底面積（m2) d ：基

6、礎(chǔ)埋深（m） ：回填土與基礎(chǔ)的混合重度 ：基底壓力擴散系數(shù),對于重要的建筑或墊層下存在軟弱下臥層的建筑，還應(yīng)進(jìn)行地基變形計算。 建筑物基礎(chǔ)沉降等于墊層自身的變形量S1與下臥土層的變形量S2之和。,4) 沉降計算,3) 墊層承載力的確定,例子2-1 某4層混合結(jié)構(gòu)，承重墻240mm厚的磚墻，傳至基礎(chǔ)頂部的豎向力Fk=180kN,地基的表層為1.2m厚的雜填土，重度 17.5kN/m3；其下為7.8m厚的淤泥，含水量w=50%，承載力特征值fak=75kPa.地下水位深度為1.0m,基礎(chǔ)埋深d=0.8m,試設(shè)計該墻基的砂墊層。,計算步驟： 1）計算基礎(chǔ)寬度和基底附加壓力 2）確定墊層底面淤泥的承載

7、力 3）計算墊層底面處的自重應(yīng)力和附加壓力 4）驗算墊層厚度 5）確定墊層寬度,條形基礎(chǔ)是基礎(chǔ)的長度大于或等于10倍基礎(chǔ)寬度的一種基礎(chǔ)形式，按上部結(jié)構(gòu)分為墻下條形基礎(chǔ)和柱下條形基礎(chǔ).,重度：20kN/m3,1.2m,1.2m,建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范（GB50007-2002）,1）計算基礎(chǔ)寬度和基底壓力,因為,a)墊層的修正承載力特征值,b)基礎(chǔ)寬度的確定,Gk基礎(chǔ)自重及基礎(chǔ)上土重,故取 b=1.0(m),c)基底附加壓力,假設(shè)墊層厚Z=1.6m,軟弱下臥層頂面以上土的平均重度為：,墊層底面處經(jīng)深度修正后的承載力特征值,指建筑物荷載引起的超出原有基底壓力的壓力增量.,2）確定墊層底面淤泥的承載力

8、特征值,有效重度,基底附加應(yīng)力p0計算,基礎(chǔ)位于地面上時,基礎(chǔ)位于地面下時,建筑物修建前，土中存在自重應(yīng)力。自重作用下的變形已穩(wěn)定。只有地基附加壓力才能引起附加應(yīng)力和變形。,3）計算墊層的底面處的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力,4）驗算墊層厚度,5）確定墊層厚度,故取 b=3.0m,2.2.2 素土和灰土墊層的設(shè)計,素土墊層：又叫土墊層 灰土墊層：石灰與土的比例2:8或者3:7 在濕陷性黃土地區(qū)使用比較廣泛，處理深度為1-3m. 墊層厚度的確定方法同砂墊層，墊層寬度以下方法確定。,2）整片墊層的處理范圍，每邊超出建筑物外墻基礎(chǔ)邊緣的寬度不應(yīng)小于墊層的厚度，并不應(yīng)小于2m.,1）局部墊層的平面處理范圍，沒邊

9、超出基礎(chǔ)底邊的寬度由,褥墊法是將基礎(chǔ)地面下一定程度的范圍內(nèi)局部壓縮性較低的巖石鑿去，換填壓縮性較大的材料，然后分成夯實的墊層作為基礎(chǔ)的持力層，是基礎(chǔ)整個持力層的變形相互協(xié)調(diào)的地基處理的方法。 主要用來處理有局部巖層出露而大部分為土層的地基，一般用于條形基礎(chǔ)的處理效果較好。,2.2.3 褥墊法設(shè)計,褥墊的作用：調(diào)整地基的壓縮性，改造壓縮性低的地基，從而調(diào)整巖土交接部為地基的相對變形，避免該處發(fā)生應(yīng)力集中。 褥墊的寬度去稍大于基底的寬度，不需另行計算。主要是根據(jù)地基的變形要求計算其厚度。,褥墊層構(gòu)造圖,褥墊層厚度的計算,1）確定褥墊的沉降量,:地基土的沉降量,:建筑物沉降差的允許值,2）褥墊的厚度

10、 Z 的計算,:褥墊頂，底面的附加應(yīng)力值,:褥墊材料的壓縮模量,:褥墊材料試樣的高度,:p-s曲線上褥墊所受壓力的變形值,2.2.4 墊層材料的選用,砂石,粉質(zhì)粘土,灰土,粉煤灰,礦渣,其他工業(yè)廢渣,土工合成材料,聚苯乙烯(EPS),聚苯乙烯(EPS)： 在軟弱地基的填土工程中，有時采用墊層材料的密度大，難以滿足設(shè)計要求。這時采用EPS，可有效減少作用在地基上的荷載，借以取得設(shè)計和施工上的良好效果。 可用于公路及鐵路路堤，橋頭，擋土墻，機場建設(shè)等等,換填墊層設(shè)計的總結(jié),墊層材料 碎石，素土，灰土，礦渣，粉煤灰等 墊層厚度 要求墊層底面處自重應(yīng)力與荷載作用下產(chǎn)生的附加應(yīng)力之和不大于同一標(biāo)高處的地

11、基承載力標(biāo)準(zhǔn)值，一般0.5-3m。 鋪設(shè)范圍 滿足基底應(yīng)力擴散要求，墊層頂面每邊宜超出基礎(chǔ)底邊不小于300mm或按經(jīng)驗從墊層底面兩側(cè)向上放坡。 地基沉降計算 一般僅考慮下臥層沉降。,2.3 墊層的碾壓施工,2.3.1 壓實機理,2.3.2 壓實方法,2.3.3 施工要點,2.3.1 土的壓實機理 大量工程實踐和試驗研究表明，要使土的壓實效果最好，其含水量一定要適當(dāng)。對過濕的土進(jìn)行碾壓會出現(xiàn)“橡皮土”，不能增大其密度。對很干的土機型碾壓（夯實）也不能充分夯實。 控制土的壓實效果的主要因素是：土的含水量，壓實機械及其壓實功能等。土的壓實效果常用干密度d（單位土體積內(nèi)土粒的質(zhì)量）來衡量。,干密度與含

12、水量的關(guān)系曲線（擊實試驗結(jié)果）,當(dāng)粘性土含水量較小時，水化膜很薄，顆粒間引力大，在一定的外部壓實功能作用下，還不能有效克服引力而使土顆粒相對移動么所以壓實效果差；增加含水量時,1.最優(yōu)含水量 對粘性土，當(dāng)壓實功能和條件相同時，土的含水量過大或過小，土體都不易壓實，只有把土的含水量調(diào)整到某一適宜值時，才能收到最佳的壓實效果。 在一定壓實機械的功能條件下，土最易于被壓實，并能達(dá)到最大密度時的含水量，稱為最優(yōu)含水量wop，相應(yīng)的干密度則稱為最大干密度dmax。,2.粘粒含量的影響 相同壓實功能對于不同的試料的壓實效果也不同，粘粒含量較多的土，土顆粒間引力就越大，只有比較大的含水量時才能達(dá)到最大干密度

13、。,3.壓實功能的影響 對于同類土，隨著壓實功能的變化，最大干密度和最優(yōu)含水量也隨之變化。 當(dāng)壓實功能較小時，土壓實后的最大干密度較小，對應(yīng)的最優(yōu)含水量則較大； 反之，干密度較大，對應(yīng)的最優(yōu)含水量則較小。,4.土的壓實參數(shù),經(jīng)驗系數(shù)，粘土取0.95 粉質(zhì)粘土取0.96 粉土取0.97,2.3.2 壓實方法,1. 機械碾壓法 顧名思義，用機械自重把松散土地基壓實加固。常用于地下水位以上大面積填土壓實及一般非飽和粘性土和雜填土地基的淺層處理。 2.平板振動法 用振動壓實機械在地基表面施加振動力以振實淺層松散地基處理方法。使地基土的顆粒受振動，移動至穩(wěn)固位置，減小土的孔隙而壓實。 實踐證明：用振動壓

14、實法處理砂土地基以及碎石、礦渣等滲透性較好無粘土為主的松散填土地基效果良好。振密后的地基是有較強的抗震能力。 3.重錘夯實法 將重錘提到一定高度，用自由落下的沖擊能來夯實淺層地基。經(jīng)過多次重復(fù)提起、落下，地基表面形成一層較為均勻密實的硬殼層，從而提高了地基強度。經(jīng)過重錘夯實的地基承載力可通過靜荷載試驗確定，一般可達(dá)100150kPa。,羊腳碾：羊腳碾的羊腳插入土中，不僅使羊腳底部的土料受到壓實，而且使側(cè)向上部土料也受到擠壓，從而達(dá)到均勻的壓實效果。羊腳碾僅適用于壓實粘性土料和粘土，不適合壓非粘性土。土料壓實層在一定深度的范圍內(nèi)，可以獲得較高的壓實干表觀密度，但土體的干表觀密度沿深度方向的分布不

15、均勻。羊腳碾的獨特優(yōu)點是能夠翻松表面土層，可省去刨毛工序，保證了上下土層的結(jié)合質(zhì)量。此外，羊腳碾還能起到混合土料的作用，可以使土料級配和含水量比較均勻。羊腳頂端接觸應(yīng)力的過大或過小，都會降低碾壓效果。 氣胎碾：氣胎碾適用于壓實粘土料，也適合于壓實非粘性土料，如粘性土、粘土、砂質(zhì)土和沙礫料等，都可以獲得較好的壓實效果。氣胎碾的充氣輪胎，在壓實過程中具有一定的彈性，可以和壓實的土料同時發(fā)生變形，輪胎與土料的接觸應(yīng)力，主要取決于輪胎的充氣壓力，與輪胎的荷載大小無關(guān)。 振動碾：振動碾是一種以碾重靜壓和振動力共同作用的壓實機械，較之沒有振動的壓實機械，土中應(yīng)力可提高45倍，因而它能有效地壓實堆石體、砂礫

16、料和礫質(zhì)土；也可用與壓實粘性土和粘土。 夯實機械（重錘） 夯板使用于壓實沙礫料、礫質(zhì)土和粘性土，也可用于壓實粘土。,羊腳碾碾壓,PY220C-2液力驅(qū)動自行式平地機,振動壓路機,重捶夯實法,三種處理方法的作用原理及適用范圍,2.3.3 墊層施工注意事項,基坑保持無積水。 鋪筑墊層材料之前，應(yīng)先驗槽。 施工中必須避免擾動軟弱下臥層的結(jié)構(gòu)，防止降低土的強度、增加沉降。 如采用碎石或卵石墊層，宜先鋪一層1520cm的砂墊層作底面，用木夯夯實，以免坑底軟弱土發(fā)生局部破壞。,墊層底面應(yīng)等高。 人工級配砂石墊層，應(yīng)先拌和均勻，再鋪填搗實。 墊層每層虛鋪200300mm，均勻、平整，嚴(yán)格掌握。 墊層材料應(yīng)采

17、用最優(yōu)含水率。 施工機械應(yīng)根據(jù)不同墊層材料進(jìn)行選擇，如素填土宜用平碾或羊足碾 。 進(jìn)行質(zhì)量檢驗。,干密度d 一般中砂 d不小于1.60g/cm3； 灰土 d不小于1.55g/cm3； 卵石 d 不小于1.90g/cm3。 壓實系數(shù) 一般要求: 壓實系數(shù)為0.93-0.97之間。 d :墊層材料施工要求達(dá)到的干密度，g/cm3 dmax :墊層材料能夠壓密的最大干密度，由擊實試驗測定，g/cm3,2.4 墊層的質(zhì)量檢驗,1）對粉質(zhì)粘土、灰土、粉煤灰和砂石墊層的施工質(zhì)量檢驗可用環(huán)刀法、貫入儀、靜力觸探、輕型動力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗檢驗；對砂石、礦渣墊層可用重型動力觸探檢驗，并均應(yīng)通過現(xiàn)場試驗以設(shè)計壓

18、實系數(shù)所對應(yīng)的貫入度為標(biāo)準(zhǔn)檢驗墊層的施工質(zhì)量。壓實系數(shù)也可采用環(huán)刀法、灌砂法、灌水法或其他方法檢驗。 2）墊層的施工質(zhì)量檢驗必須分層進(jìn)行。應(yīng)在每層的壓實系數(shù)符合設(shè)計要求后鋪填上層土。 3）竣工驗收采用載荷試驗檢驗墊層承載力時，每個單體工程不宜少于3點；對于大型工程則應(yīng)按單體工程的數(shù)量或工程的面積確定檢驗點數(shù)。,墊層的質(zhì)量檢驗,土的擊實性（壓實性）,壓實：指通過夯打、振動、碾壓等，使 土體變得密實、以提高土的強度、減小 土的壓縮性和滲透性,壓實性：指土在一定壓實能量作用下密 度增長的特性,研究擊實性的目的： 以最小的能量消耗獲得最大的壓實 密度，揭示擊實作用下土的干密度、含水率和擊實功三 者之間的關(guān)系和基本規(guī)律。,擊實方法：室內(nèi)擊實試驗 現(xiàn)場試驗: 夯打、振動、 碾壓,土,粘性土的擊實性,飽和曲線,dmax=1.86,wop=12.1,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%),擊實性曲線：,特點： 具有峰值 位于飽和曲線之下,最大干密度 最優(yōu)含水量,實踐證明，土被擊實到最佳