第二章 换填法

第二章 换填法（cushion）

第一节 概述

浅层处理和深层处理很难明确划分界限，一般可认为地基浅层处理的范围大致在地面以下5m深度以内。浅层人工地基的采用不仅取决于建筑物荷载量值的大小，而且在更大程度上与地基土的物理力学性质有关。地基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。

一 换填法的原理及适用范围

换填法(Replacement Method、Cushion)就是将基础底面以下不太深的一定范围内的软弱土层挖去，然后以质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。

换土垫层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小等优点。

按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层、矿渣垫层以及用其它性能稳定、无侵蚀性的材料做的垫层等。

换填法适用于浅层地基处理，包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹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。换填法还适用于一些地域性特殊土的处理，用于膨胀土地基可消除地基土的胀缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差，软硬不匀以及岩溶等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。垫层的适用范围见表。

二 垫层的作用

㈠ 提高地基承载力

大家知道，浅基础的地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替较软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。

㈡ 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是比较大的。以条形基础为例，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。加以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧层土上的压力减小，这样也会相应减小下卧层土的沉降量。

㈢ 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，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。

㈣ 防止冻胀

因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，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。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

㈤ 消除膨胀土的胀缩作用

在膨胀土地基上采用换土垫层法时，一般可选用砂、碎石、块石、煤渣或灰土等作为垫层，但是垫层的厚度应根据变形计算确定，一般不小于30cm，且垫层的宽度应大于基础的宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填，如图。

㈥ 消除湿陷性黄土的湿陷作用

采用素土、灰土或二灰土垫层处理湿陷性黄土，可用于消除1～3m厚黄土层的湿陷性。

㈦ 用于处理暗浜（bang 小河沟）和暗沟的建筑场地

城市建筑场地，有时遇到暗浜和暗沟。此类地基具有土质松软、均匀性差、有机质含量较高等特点，其承载力一般都满足不了建筑物的要求。一般处理的方法有基础加深、短柱支承和换土垫层。而换土垫层适用于需要处理范围较大，处理深度不大，土质较差，无法直接作为基础持力层的情况。

在各种不同类型的工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的。例如砂垫层可分为换土砂垫层和排水砂垫层两种。一般工业与民用建筑物基础下的砂垫层主要起换土的作用；而在路堤及土坝等工程，主要是利用砂垫层起排水固结作用，提高固结速率，促使地基土的强度增长。换土垫层视工程具体情况而异，软弱土层较薄时，常采用全部换土，软弱土层较厚时，可采用部分换土，并允许有一定程度的沉降及变形，如图。

如前所述，换填法的主要作用是改善原地基土的承载力并减少其沉降量。这一目的通常是通过外界的压（夯、振）实功来实现的。

当地基软弱土层较薄，而且上部荷载不大时，也可直接以人工或机械方法(填料或石填料)进行表层压、夯、振动等密实处理，同样可取得换填加固地基的效果。

第二节 土的压实作用

土的压实：是指土体在压实能量作用下，土颗粒克服粒间阻力，产生位移，使土中孔隙减小，密度增加。

土的压实性：是指土在压实能量作用下能被压密的特性。

影响土压实性的因素很多，主要有含水量、击实功及土的级配等。

一 土的压实与含水量的关系

在低含水量时，水被土颗粒吸附在土粒表面，土颗粒因无毛细管作用而互相联结很弱，土粒在受到夯击等冲击作用下容易分散而难于获得较高的密实度。

在高含水量时，土中多余的水分在夯击时很难快速排出而在土孔隙中形成水团，削弱了土颗粒间的联结，使土粒润滑而变得易于移动，夯击或碾压时容易出现类似弹性变形的“橡皮土”现象（软弹现象），失去夯击效果。

所以，含水量太高或太低都得不到好的压实效果。要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。 土的干密度d是反映土的密实度的重要指标。

将同一种土，配制成若干份不同含水量的试样，用同样的压实能量分别对每一份试样进行击实后，测定各试样击实后的含水量和干密度d ，从而绘制含水量与干密度关系曲线，称为压实曲线。

压实曲线表明，存在一个含水量可使填土的干密度达到最大值，产生最好的击实效果。

最优含水量：将这种在一定夯击能量下填土最易压实并获得最大密实度的含水量称作土的最优含水量，用wop表示。

最大干密度：在最优含水量下得到的干密度称作填土的最大干密度，用ρdmax表示。

二 击实功

击实功是用击数来反应的，如用同一种土料，在同一含水量下分别用不同击数进行击实试验，就能得到一组随击数不同的含水量与干密度关系曲线。从而得出如下结论：

★ 对于同一种土，最优含水量和最大干密度随压实功能而变化；

★ 击实功能愈大，得到的最优含水量愈小，相应的最大干密度愈高。但干密度增大不与击实功增大成正比，故企图单存的用增大击实功以提高干密度是不经济的。有时还会引起填土面出现所谓“光面”。

★ 含水量超过最优含水量以后，压实功能的影响随含水量的增加而逐渐减小 ；

★ 击实曲线和饱和曲线（土在饱和状态Sr＝100％时含水量与干密度的关系曲线）不相交，且击实曲线永远在饱和曲线的下方。

这是因为在任何含水量下，土都不会被击实到完全饱和状态，亦即击实后的土内总留存一定量的封闭气体，故土是非饱和的。相应于最大干密度的饱和度在80％左右。

三 土的级配

级配良好的土易于压实，压实性较好，这是因为不均匀土内较粗土粒形成的孔隙有足够的细土粒

去充填，因而能获得较高的干密度。均匀级配的土压实性较差，因为均匀土内较粗的土粒形成的孔隙很少有细土粒去充填。

以上所揭示的土的压实特性均是由室内击实试验中得到的。但实际工程中垫层填土、路堤施工填筑的情况与室内击实试验的条件是有差别的。室内击实试验是用锤击的方法使土体密度增加。实际上击实试验使土样在有侧限的击实筒内进行，不可能发生侧向位移，力作用在有侧限的土体上，则夯实会均匀，且能在最优含水量状态下获得最大干密度。而现场施工的土料，土块大小不一，含水量和铺填厚度又很难控制均匀，实际压实土的均匀性会较差。因此，施工现场所能达到的干密度一般都低于击实试验所获得的最大干密度。因此，对现场土的压实，应以压实系数c与施工含水量来进行控制。

见教材8页土的压实参数。

第三节 垫层的设计

垫层的设计主要是确定以下四个参数：垫层的厚度、垫层的宽度、承载力和沉降。

垫层设计的主要内容是确定断面的合理厚度和宽度。对于垫层，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。对于排水垫层来说，除要求有一定的厚度和密度满足上述要求外，还要求形成一个排水面，促进软弱土层的固结，提高其强度，以满足上部荷载的要求。

一 垫层厚度的确定

垫层的厚度一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力，如图所示。其表达式为：（见教材公式2.1-1）

垫层面处的附加压力，可分别按教材式2.1-3简化计算。

具体计算时，一般是先初步拟定的一垫层厚度，再用上式验算，直到满足要求为止。

垫层厚度一般不宜大于3m，也不宜小于0.5m。

太厚施工较困难，太薄则换土垫层的作用不显著。所垫层厚度的确定，除应满足计算要求外，还应根据当地的经验综合考虑。

二 垫层宽度的确定

垫层的宽度除应满足基础地面应力扩散的要求外，还应考虑垫层侧面土的强度条件，防止垫层材料由于侧面土的强度不足或由于侧面土的较大变形而向侧边挤出，增大垫层的竖向变形，使建筑物沉降增大。

垫层宽度的取值，可按两种方法计算：一种是教材5页公式2.1-4的扩散角法；另一种是按垫层侧面土的地基承载力设计值确定垫层的宽度，见教材5页表2.1-2。

三 垫层承载力的确定

经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不完善，垫层的承载力宜通过现场荷载试验确定，如对于一般工程可直接用标准贯入试验、静力触探和取土分析法等。对于不太重要的、小型的、轻型的或对沉降要求不高的工程，在无试验资料或经验时可按教材6页表2.1-3确定。

四 沉降计算

垫层地基的沉降分两部分，一是垫层自身的沉降，二是软弱下卧层的沉降，由于垫层材料模量远

大于下卧层模量，所以在一般情况下，软弱下卧层的沉降量占整个沉降量的大部分。垫层下卧层的沉降量可按国标准《建筑地基基础设计规范》GB 5007的有关规定计算以保证垫层的加固效果及建筑物的安全使用。

第四节 垫层的施工 一 垫层施工方法

换土垫层的施工可按换填材料(如砂石垫层、素土势层、灰土垫层、粉煤灰垫层和矿渣垫层等)分类，或按压(夯、振)实方法分类。目前国内常用的垫层施工方法，主要有机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法。

机械碾压法是采用各种压实机械，如压路机、羊足碾、振动碾等来压实地基土的一种压实方法。这种方法常用于大面积填土的压实、杂填土地基处理、道路工程基坑面积较大的换土垫层的分层压实。施工时，先按设计挖掉要处理的软弱土层，把基础底部土碾压密实后，再分层填土，逐层压密填土。

重锤夯实法是利用起重设备将夯锤提升到一定高度，然后自由落锤，利用重锤自由下落时的冲击能来夯实浅层土层，重复夯打，使浅部地基土或分层填土夯实。主要设备为起重机、夯锤、钢丝绳和吊钩等。重锤夯实法—般适用地下水位距地表0.8m以上非饱和的粘性土、砂土、杂填土和分层填土，用以提高其强度，减少其压缩性和不均匀性，也可用于消除或减少湿陷性黄土的表层湿陷性，但在有效夯实深度内存在软弱土时，或当夯击振动对邻近建筑物或设备有影响时，不得采用。因为饱和土在瞬间冲击力作用下水不易排出，很难夯实。

振动压实法是利用振动压实机将松散土振动密实。地基土的颗粒受振动而发生相对运动，移动至稳固位置，减小土的孔隙而压实。此法适用于处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好的松散杂填土以及矿渣、碎石、砾砂、砾石、砂砾石等地基。

总的来说，垫层施工应根据不同的换填材料选择施工机械。粉质粘土、灰土宜采用平碾、振动碾和羊足碾，中小型工程也可采用蛙式打夯机、柴油夯；砂石等宜采用振动碾；粉煤灰宜用平碾、振动碾、平板式振动器、蛙式夯；矿渣宜采用平碾、振动碾、平板式振动器。

二 砂（砂砾、碎石）石垫层的施工

㈠ 材料要求

在垫层的施工中，填料质量的好坏、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十MgO的含量、存放时间等。各种填料的一般质量要求见下表。

㈡ 施工参数、机具及方法选择

砂石垫层选用的砂石料应进行室内击实试验，根据

wop

d~wop曲线确定最大干密度dmax和最优含水量

，然后根据设计要求的压实系数c确定设计要求的d，以此作为检验砂石垫层质量控制的技术指标。

33tmtm在无击实试验数据时，砂石垫层的中密状态可作为设计要求的干密度：中砂1.6，粗砂1.7，3tm碎石、卵石2.0～2.1即可。

砂和砂石垫层采用的施工机具和方法对垫层的施工质量至关重要。下卧层是高灵敏度的软土时，在铺设第一层时要注意不能采用振动能量大的机具扰动下卧层，除此之外，一般情况下，砂及砂石垫层首先用振动法。因为，振动法更能有效地使砂和砂石密实。我国目前常采用的方法有振动压实法(包括平振和插振)、夯实法、碾压法等。常采用的机具有：振捣器、振动压实机、平板振动器、蛙式打夯机、压路机等。

㈢ 施工要点

⑴ 砂垫层施工中的关键是将砂加密到设计要求的密实度。加密的方法常用的有振动法(包括平振、插振、夯实)、碾压法等。这些方法要求在基坑内分层铺砂，然后逐层振密或压实，分层的厚度视振动力的大小而定， —般为15～20cm。施工时，应将下层的密实度经检验合格后，方可进行上层施工。

⑵ 砂及砂石料可根据施工方法的不同控制最优含水量。最优含水量由工地试验确定。

⑶ 铺筑前，应先行验槽。浮土应清除，边坡必须稳定，防止塌土。基坑(槽)两侧附近如有低于地基的孔洞、沟、井和墓穴等，应在未做垫层前加以填实。

⑷ 开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动软弱土层的表面，否则坑底土的结构在施工时遭到破坏后，其强度就会显著降低，以致在建筑物荷重的作用下，将产生很大的附加沉降。因此，基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并防止践踏坑底。

⑸ 砂、砂石垫层底面应铺设在同一标高上，如深度不同时，基坑地基土面应挖成踏步（阶梯）或斜坡搭接，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。

⑹ 人工级配的砂石垫层，应将砂石拌和均匀后，再行铺填捣实。采用细砂作为垫层的填料时，应注意地下水的影响，且不宜使用平振法、插振法。

⑺ 地下水位高出基础底面时，应采用排水降水措施，这时要注意边坡的稳定，以防止塌土混入砂石垫层中影响垫层的质量。

㈣ 质量检验

垫层质量检验包括：分层施工质量检查和工程质量验收。

分层施工的质量和质量标准应使垫层达到设计要求的密实度。检验方法主要有：环刀法和贯入法

(可用钢叉或钢筋贯入代替)两种。

⑴ 环刀法：用容积不小于200m的环刀压入垫层中的每层2／3的深度处取样，测定其干密度，

3

干密度应不小于该砂石料在中密状态的干密度值。

⑵ 贯入测定法：先将砂垫层表面3cm左右厚的砂刮去，然后用贯入仪、钢钗或钢筋以贯入度的大小来定性地检验砂垫层质量，以不大于通过相关试验所确定的贯入度为合格。钢筋贯入法所用的钢筋为￠20mm，长1.25m的平头钢筋，垂直举离砂垫层表面70cm时自由下落，测其贯入深度。钢叉贯入法所用的钢叉如图（有四齿，齿的间距、长，木柄长，重40N），它于50cm高处自由落下，测其贯入深度。

工程竣工质量验收的检测、试验方法有：

⑴ 静载荷试验

根据垫层静载荷实测资料，确定垫层的承载力和变形模量。

⑵ 静力触探试验

根据现场静力触探试验的比贯入阻力ps曲线资料，确定垫层的承载力及其密实状态。

⑶ N63.5的标准贯入试验

由标准贯入试验的贯入锤击数，换算出垫层的承载力及其密实状态。

⑷ N10轻便触探试验

利用轻便触探试验的锤击数，确定垫层的承载力、变形模量和垫层的密实度。

⑸ 中型或重型以及超重型动力触探试验

根据动力触探试验锤击数，确定垫层的承载力、变形模量和垫层的密实度。

⑹ 现场取样做物理、力学性质试验

检验垫层竣工后的密实度，估算垫层的承载力及压缩模量。

上述试验、检测项目，对于中小型工程不需全部采用，对于大型或重点工程项目应进行全面的检查验收。

其检验数量每单位工程不应少于3点；1000m以上工程，每100m至少应有1点；3000m以

2上的工程，每300 m至少应有1点。每一独立基础下至少应有1点，基槽每10～20m应有1点。

222三 垫层施工中常见的质量问题及预防处理措施

㈠ 机械开挖基坑时，出现超挖现象，使垫层的下卧土层发生扰动，降低了基底软土的强度。

预防的办法是：机械开挖基坑时，预留30～50cm的土层由人工清理。

处理的办法是：如实际中出现了超挖的现象或基坑底的土受到扰动，如标高允许的话，适当调整垫层的标高，由人工清理掉基坑底的扰动软土，再进行垫层施工。

㈡ 进厂材料不符合质量要求。

常见的材质方面的问题有：进厂的砂石材料级配不合理，含泥量过大；石灰、粉煤灰不符合质量等级要求，含水量过大或过小，有机质含量过高，石灰的存放时间过长等；灰土拌合不均匀；土料含水量过大或过小，土料没过筛就使用，土料含有机质、杂质过多。如此种种。

预防和处理办法，要针对不同的质量不合格原因，采取相应的措施。总起来说，就是要严把材料近料关，定期对材料进行抽样检查，甚至对每批进厂材料均要抽样检查，严禁不合格的填料用于垫层工程中。

㈢ 分层填筑密实度不均匀或密度值太小。

产生的原因主要是，由于施工时分层厚度太大，导致分层铺筑密实度达不到设计要求，或者由于填土的含水量远大于或小于其最优含水量以及压实遍数不够均会导致垫层密实度达不到设计要求。另外，密实度不均匀也是由于施工方法不当引起。

预防和处理的办法为：改进施工方法，采用恰当的分层厚度、压实遍数，严格控制施工时填料的含水量接近其最优含水量。对于砂石垫层、干渣垫层，一般要保持洒水饱和时进行施工。对素土、灰土和粉煤灰垫层，含水量要在

op2%范围内施工才能达到设计密实度。另外在垫层搭接部位要严格控

制，避免发生密实度不均匀，适当增加质量抽检数量和次数，防止这种现象出现。基坑底已存在的古穴、古井、空洞等未及时发现，也会导致垫层施工后密实度不均匀，所以在验槽时，对这些问题要详细勘查、排除。