1、換填墊層法地基處理材料的選用及設計,河南科技大學 規(guī)劃與建筑工程學院 高笑娟,1、換填墊層法適用條件 當軟弱土地基的承載力和變形滿足不了設計要求，而軟弱土層的厚度又不是很大時，基礎底面下處理范圍內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筑物的地基處理，在建筑工程中也有一定范圍的應用。換填法的加固原理是根據土中附加應力分布規(guī)律，讓墊層承受上部較大的應力，軟弱層承擔較小的應力，以滿足設計對地基的要求。,2、墊層的作用 （1）提高持力

2、層的承載力 通過擴散作用使傳到墊層下軟弱土層的應力減小。 （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。以條形基礎為例，在相當于基礎寬度的深度范圍內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，這樣也會相應減小下臥土層的沉降量。,（3）加速軟弱土層的排水固結 （4）防止凍脹 因為粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產生毛細現(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，砂墊層的底面應滿足當地凍結深度的要求。 （5）消除膨脹土的脹縮作用 在各類工程中，墊層所

3、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，應級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質。當使用粉細砂時，應摻入不少于總重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、振搗器功率等技術參數。對濕陷性黃土地基，不得選用砂石等透水材料。,（2）粉質粘土 土料中有機質含量不得超過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。土料宜用粉質粘土，不宜使用塊狀粘土和砂

4、質粉土，不得含有松軟雜質，并應過篩，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、構筑物等的換填墊層。粉煤灰墊層上宜覆土0.30.5m。作為建筑物墊層的粉煤灰應符合有關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、構筑物地基。易受酸、堿影響的基礎或地下管網不得采用礦渣墊層。大量填筑礦渣時，應考慮對地下水和土壤的環(huán)境影響。,4、墊層設計 （1）墊層厚度的確定 墊層厚度z應根據需置換軟弱土的深度或下臥土層的承載力確

5、定，并結合式,對于矩形基礎,進行墊層厚度設計計算時，一般是先根據初步擬定的厚度，再用公式進行復核。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o5m，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底邊不宜小于300mm或從墊層底面兩側向上按當地開挖基坑經驗的要求放坡確定墊層頂面寬度，整片墊層的寬度可根據施工的要求適當加寬。,3、墊層承載力的確定 經換填處理后的地基，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。當無試驗資料時，可按下表選用，并應驗算下臥層的承載力。,例題：某五層磚石混合結構的住宅建筑，墻下為條形基礎，寬B1.2m，埋深

6、d=1m，上部建筑物作用于基礎上的荷載F=150kN/m。地基土表層為粉質粘土，厚h1=1m，重度117.8 kN/m3；第二層為淤泥質粘土，厚15m，重度 17.5 kN/m3，含水率w55；第三層為密實砂礫石。地下水距地表面為1m。因地基土比較軟弱，不能承受上部建筑荷載，試設計砂墊層的厚度和寬度。 （回歸修正系數f0.9，承載力基本值為60kPa） （承載力修正系數b0， d 1.1） （應力擴散角=30，z/B0.5） （基礎及其上填土平均重度G=20kN/m3。）,答： （1）假定砂墊層的厚度z1.6m，并要求分層碾壓夯實，干密度達到大于1.6g/cm3；則應力擴散角=30。 （2）砂

7、墊層厚度驗算 基礎底面平均壓力設計值 砂墊層底面的附加應力（條形基礎）,砂墊層底面的自重應力 地基承載力標準值 地基承載力設計值 地基穩(wěn)定性 故滿足穩(wěn)定性要求，且較經濟，砂墊層厚度確定。,（3）確定砂墊層的底寬 砂墊層底寬可兩邊各加寬20cm。 （4）繪制砂墊層剖面圖,4、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(粒徑小于2mm的部分不應超過總重的45)，應級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質。當使用粉細砂時，應摻入不少于總重30的碎石或卵石。砂石的最大粒徑不宜大于50 mm，并通過試驗確定虛鋪厚度、振搗遍數、振搗器功率等技術參數。對濕陷性黃土

8、地基，不得選用砂石等透水材料。,（2）粉質粘土 土料中有機質含量不得超過5，亦不得含有凍土或膨脹土，不得夾有磚材料。當含有碎石時，粒徑不宜大于50 mm。 （3）灰土 灰土的體積配合比宜為2:8或3:7。土料宜用粉質粘土，不宜使用塊狀鉆土和砂質粉土，不得含有松軟雜質，并應過篩，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、構筑物等的換填墊層。粉煤灰墊層上宜覆土0.30.5m。粉煤灰墊層中采用摻合劑時，應通過試驗確定其性能及適用條件。作為建筑物墊層的粉煤灰應符合有關放射性安全標準的要求。粉煤灰墊層中的金屬構件、管網宜采用

9、適當防腐措施。大量填筑粉煤灰時應考慮對地下水和土壤的環(huán)境影響。,（5）礦渣 墊層使用的礦誼是指高爐重礦渣，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、構筑物地基。易受酸、堿影響的基礎或地下管網不得采用礦渣墊層。大量填筑礦渣時，應考慮對地下水和土壤的環(huán)境影響。 （6）其他工業(yè)廢碴 在有可靠試驗結果或成功工程經驗時，對質地堅硬、性能穩(wěn)定、無腐蝕性和放射性危害的工業(yè)廢碴等均可用于填筑換填墊層。被選用工業(yè)廢渣的粒徑、級配和施工工藝等應通過試驗確定。,（7）土工合成材料 由分層鋪設的土工合成材料與地基土構成加筋墊層。墊層填料宜用碎石、角礫、礫砂、粗砂、中砂或

10、粉質粘土等材料。當工程要求墊層具有排水功能時，墊層材料應具有良好的透水性。在軟土地基上使用加筋墊層時，應保證建筑穩(wěn)定并滿足允許變形的要求。,（8）聚苯乙烯板塊墊層EPS EPS是發(fā)泡聚苯乙烯俗名泡沫塑料。這種材料具有超輕的特點（密度約0.20.3kN/m3），僅為普通路堤填料質量的1/501/100；具有耐壓縮性（壓縮強度可達30140kN/m2）；具有耐水性及化學穩(wěn)定性。EPS塊體具有自立性，對擋土結構承受側向壓力很小。用EPS塊鋪筑路堤，施工簡單、快速、方便，無需大型施工機械，工期很短。EPS材料是公路路基理想的超輕質填筑料。特別是在軟土地基上修筑高速公路，可起到穩(wěn)定路基，大幅度減少沉降，

11、消除橋頭跳車及降低對構造物的水平推力等作用。,從國外工程實例分析，EPS材料50%以上用于道路工程，而且主要用于路堤填筑。由于EPS具有超輕性、耐壓縮性、自立性、耐水性和施工簡單、方便等優(yōu)點，應用范圍比較廣泛，不僅使用于各種道路，而且在鐵路、停車場、公園、住宅和各種建筑物上使用，可以用作填土、結構物背面填料、防護設施等。 目前該技術已推廣應用在滬杭、杭寧、甬臺溫、杭金衢、杭州繞城線等高速公路上，上海已用于同三國道上海段的路基設計。,1995年，杭甬望童跨線橋工程，與原擴孔建橋方案相比節(jié)省投資近80萬元。 1996年，杭州過境一級汽車專用公路，與原樁式路堤方案相比節(jié)省投資近105萬元。 1996

12、年，玉環(huán)76省道澤坎線橋頭滑移EPS處理，與擴孔建橋方案相比節(jié)省投資55萬元。 1999年，杭寧高速公路湖州段，與原擴孔建橋方案相比節(jié)省投資125萬元。 2001年，杭金衢高速公路（杭州金華衢州）蕭山段，與相應建橋方案相比節(jié)省投資115萬元。,（9）粉煤灰墊層 粉煤灰墊層是對軟土地基采用的換填加固技術之一。粉煤灰排放堆積，不僅占用寶貴的土地資源，而且對生態(tài)環(huán)境構成不同程度的污染。建造貯灰場又要耗費國家大量的基本建設投資費用和農業(yè)用地。因此，對粉煤灰的處理和利用已成為我國一個比較突出的經濟和社會問題，迫切需要在巖土工程范圍內開發(fā)利用粉煤灰資源，把粉煤灰作為軟土換境材料使用。經上海寶鋼工程、上海冷

13、軋薄板工程、上海關港港區(qū)工程、上海外高橋港區(qū)工程等各項重點建設工程境筑粉煤灰墊層的工程實例證明，粉煤灰是一種良好的地基處理材料資源，具有良好的物理、力學性能，能滿足工程設計技術要求。,1）自重輕。 粉煤灰相對密度比粘性土小得多，一般松散重度為67kN/m3，經輕型擊實試驗擊實后干重度為9.213.5kN/m3。因此粉煤灰的相對密度和重度均比粘性土為小。粉煤灰自重輕給回填土工程帶來有利的一面，可降低對下臥土層的壓力，減少沉降，如利用該特點，道路路堤的填筑工程高度現(xiàn)在可提高至8m，打破了土路堤4.5m的高度極限。,2）擊實性能好。 粉煤灰的顆粒組成特點，使它具有可振實或碾壓的條件，擊實試驗曲線峰值

14、段比天然土具有相對寬度的最優(yōu)含水量區(qū)間，粉煤灰的最優(yōu)含水量變動幅度是4，大于土的2的變動幅度。因此，物煤灰在回演施工過程中達到設計密實皮要求的含水量容易控制，施工質量容易得到保證。 3）抗剪強度 抗剪試驗按直剪（快剪）和三軸剪（固結不排本剪）分別進行，粉煤灰的內摩擦角粘聚力c均與粉煤灰的灰種、剪切方法、壓實系數大小和齡期長短有關。,4）滲透性 由于粉煤灰的顆粒組成近似砂質粉土，壓實過程與壓實初期都具有較大的滲透系數，但隨著齡期的增加，滲透性能逐漸減弱，粉煤灰還具有較強的齡期效應。處于松散狀態(tài)下的細顆粒并有水存在時，會在常溫下與氫氧化鈣產生化學反應，形成具有膠凝能力的化合物，這種反應即稱為火山反

15、應。這種反應的產物有效填充了孔隙，從而使強度和抗?jié)B性能得到改善，這一特性還能使墊層在后期形成塊具有隔水性能的板塊，其剛度和強度均較好，這就大大地改善了地基的承載能力。,5）抗液化性能 粉煤灰經壓實后是否能避免在振動條件下液化、對此，在寶鋼工程中進行了較為系統(tǒng)的分析。通過標難貫入試驗證明不會發(fā)生液化。 6）對環(huán)境的影響 粉煤灰是一種堿性材料，遇水后由于堿性可溶物的析出使PH值升高。粉煤從的pH值及硼、微量有害元素、放射性元素等的含量一般能滿足有關環(huán)境保護的要求。,例題1：某砌體結構承重住宅，墻下條形基礎寬1.2m，基礎承受上部結構傳來的荷載效應：Fk=150kPa,基礎埋深1.0m。地基土層：表層為粘性土層，厚1m，重度17.6kN/m3，其下為較厚的淤泥質粘土，重度18.0kN/m3，地基承載力標準值65kPa。預用換填墊層法處理地基，砂料為粗砂，最大干重度。,（1）計算出砂墊層表面處得附加應力值接近的值是： A. 132kPa B.145kPa C. 115kPa D.127kPa （2）確定出淤泥質土層的地基承載