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1、地 基 处 理,2 换填,单位体积内干土的质量，亦即d=ms/V，干密度与土中水的含量无关，只取决于土的矿物成分与空隙度。如果土中的矿物成分固定，则干密度只取决于土的空隙度。因此可以说干密度愈大，土愈密实。,第二章 换填法处理 第一节 概 述,一、换填法的概念,换填法又称做置换法、垫层法。,将基础下一定深度范围内的天然软弱土层挖除，然后分层填入性能稳定、强度和模量相对较高、无侵蚀性的垫层，并夯(振、压、碾) 实到所要求的干密度(密实度) ，形成一个较好的持力层，达到提高承载力和减少变形的目的一种地基处理方法。,什么是干密度？,二、垫层材料,换填的垫层材料可以是中、粗砂；卵、砾、碎石，素土、灰土
2、、矿渣等无侵蚀性的低压缩性散体材料，以及其它性能符合要求的散体材料。,注意：垫层材料虽然不同，但它们在承载力和沉降度这两个主要参数指标上，性能特征基本相近，因此，基本设计方法一致。,三、换填处理的主要作用及适用范围,1、提高地基的承载力,(一) 主要作用,较弱天然地基土被人工处理垫层取代之后，其地基的抗剪切强度显著提高，承载力显著增大。垫层还将建筑物的基底压力分散到垫层之下面积更大范围的下卧的软土层之中，大大减少了下卧软土层所受的应力，并使其降低到允许的承载力范围之内,(1) 变形模量值高、压缩性低的垫层可以减少原有软土垫层的这部分沉降量(浅层软土在总沉降量中占很大比例，其模量一般仅在11.5
3、(最大4.5) Kpa，而垫层之模量值可达30Kpa；,(2) 垫层下卧的软土层所受应力的大大下降，故 其沉降量也相应减少。,2、减少基础的沉降量 ：,在上部荷载作用下，软弱地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下面的软土不易固结，形成较大的孔隙压力，可能导致地基强度降低而破坏。,3、加速软土层的排水固结进程：,不透水基础与软弱土层接触时存在的问题：,而当使用透水性好的砂，碎石类材料做垫层时，上面的垫层可以形成良好的排水面，大大促进基础下面软土中孔隙水的排水速度，加速垫层下面软土层的固结进程，提高地基强度。,垫层材料的选取，要针对不同地区、不同土性而定,4、防止地基冻胀：采用粗颗粒、大孔隙垫
4、层材料，可大大消除毛细管水上升现象，这样一般可防止寒冷区土中结冰所造成的冻胀，此时，垫层底面当然应满足当地冻结深度要求。,5、消除膨胀土的胀缩作用:对于厚度大的膨胀土，可用垫层直接将其换掉，消除因膨胀土的高胀缩性给建筑物造成的危害。,6、隔水作用:对湿陷性黄土区，设置不透水垫层可有效防止地面水渗入到深部湿陷性黄土层中而造成的地基过大沉降。,三、换填处理的主要作用及适用范围,(二) 适用范围,换填法主要适用于对浅层地基的处理，一般深度不超过3m，且不小于0.5m，而在湿陷性黄土区或土质较好的场地，当坑壁可直立或边坡稳定时，处理深度可放宽到5m。,各类垫层的工程适用范围及条件,换填处理的地基土对象
5、：,应用范围广,包括淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、膨胀土、素填土、杂填土、季节性冻土，以及暗沟、暗塘、洞、墓穴等的浅层地基土。,四、换填处理施工方法,将回填材料由开挖基坑中自深到浅分层填入压实到所要求的干密度，具体施工方法有：机械碾压法、平板振动压实法、重锤夯实法。,第二章 换填法处理 第二节 压实机理及压实参数的确定,一、压实机理,图2-1 砂土和粘土的压实曲线,压实过程实际上是排除空气、降低孔隙度的过程，其强度自然会提高，压缩系数相应下降。,试验表明，在一定的压(振) 实能量作用下，不论是粘性还是砂性土类，其压实结果均与其颗粒和水的相对含量有关，通常用干密度rd与含水量(w)的关系曲线来表达
6、(图2-1),(Vs、Vw、Va分别是土粒体积，土中水体积和空气体积),一、压实机理,（密度与g之乘积）,相对密实度: Dr,定义1(理论表达式),定义2(实用表达式),emax无粘性土处于最松状态时的孔隙比，可由其最小干密度换算,emin无粘性土处于最密状态时的孔隙比，可由其最大干密度换算,e0无粘性土的天然孔隙比或填筑孔隙比,dmax无粘性土的最大干密度,dmin无粘性土的最小干密度,d无粘性土的天然干密度或填筑干密度,在一定的压实能量作用下，普洛特有如下的压实机理分析：,不同类型土的压实机理,(a) 当含水量很小时，土颗粒表面仅存在结合水，颗粒相互间引力很大，此时土颗粒间相对移动困难，故
7、土的密度增加量很小；（还与干摩擦系数大有关）,(b) 但是，随水量的增加，土粒表面薄膜水增厚，粒间引力迅速下降，则在外力作用下，颗粒间相互位置容易移动，就更容易达到颗粒间的紧密程度，干密度rd就会增加；,1、粘性土,(c) 而 当含水量继续增加时(并达到一定程度后) ，孔隙中水量增加，尤其是饱和度达到8590%后，孔隙中气体被水包围，并以微小的封闭气泡形成出现，并由表面张力而固定，此时，外力的增加反而更加难以挤出这些气体，因而压实效果越来越差；,(d) 再继续增加含水量时，外力的作用下，仅仅使孔隙水压增加并阻止土粒的移动，因而土体反而得不到压实，干实度下降(这也是形成单峰曲线的原因)。,图2-
8、1 砂土和粘土的压实曲线,2、砂类土,对于砂类土而言：粒间水的存在主要起到减小粒间摩阻力的润滑作用。,(a) 在含水量递增初期，随w的增加，粒间摩阻力减少，土粒易于移动，则随外界压实作用的加强，土体被压实，干密度rd增加；,图2-1由于砂土不存在粒间引力与结合水膜，因此，较粘土而言，砂土在含水量w较小的情形下，rd就已出现了最大值。,(b) 但是，当含水量达到某一值之后，水的减摩阻作用不再明显，而是像粘土一样，因粒间的存在阻止了颗粒的进一步挤密，并有可能在外力作用下(如振动) 使砂粒处于悬浮状态，因而干密度下降。,图2-1 砂土和粘土的压实曲线,关键性概念术语：最大干密度；最优含水量,把土体在
9、外界能量作用下所能达到的最大密实度称为最大干密度rdmax; 与最大干密度(rdmax )对应的含水量称之为最优含水量wop,二、外界压实能量与rdmax、wop关系,当外界压(振) 实能量改变时，rdmax wop 关系曲线基本形态不变，但是rdmax的位置会发生改变，能量大，rdmax也增加，相应的wop反而减少。为什么？,这是因为：能量增加后，即使在较小含水量的条件下，也能使土颗粒发生相对移而使土体密实度增加，因压(振)实能量的改变而产生的不同压实曲线见图2-2,图2-2 压实功能对压实曲线的影响,锤击数,三、压实参数的确定,压实参数首先通过室内的击实试验初步确定后，再据工程实际修正室内
10、试验参数，进而指导现场施工。具体步骤如下：,1 室内击实试验操作步聚,样料制备：样品风干或在低于600C的温度下烘干并碾散，过5mm样筛拌匀备用；,估计所需加水量或最优含水量：测定土样风干含水量，按土的塑限(IP) 估计最优含水量，依次相差约2%，其中有两个大于和两个小于最优含水量，计算所需的加水量；,样土制备：按预定含水量制备试样。称取土样(每个2.5kg) 、喷水浸润（时间12小时一昼夜）、静置、装袋、封存备用；,样品制备：装桶击实。将制备的试样装入专门击桶(600800g) ，用专用锤(重2.5kg锤底直径5cm) 击实，落距46cm自由落击，每层20击(对粉、粘土为30击) ，重复填、
11、击第二、三层，击实完成后的余土高度不得高于击实桶之顶面10mm；,水量测定：取出击实试样(不扰动)并从中心取2个1530g的击实土，测定其含水量；,不同预制样击实试验：按、重复进行其它不同预制含水量试样的击实试验；, 计算与绘图：计算上述5个不同含水量(w) 试样的5个相应干密度rd，并绘制出rd - w关系曲线，并获得rdmax 、wop(图2-1)。此外，在室内还可以根据不同的锤击数(即不同的压实能量) 得到数条rd- w 关系数线(图2-2)。,图2-1 砂土和粘土的压实曲线,图2-2 压实功能对压实曲线的影响,击实试验,轻型：粒径小于5毫米,重型：粒径小于40毫米,25mm下，分三层击
12、实,56mm下，分5层击实,击实仪,手柄,导桶,击锤,击实桶,导杆,土样,底板,击实仪结构示意图,图21,图2-2,击实过程实际上就是确定不同击实度下的干密度rd 与含水量间的 w 关系,三、压实参数的确定,2、依据工程实际修正室内试验参数,施工机械，虚铺土厚度、碾压遍数，填筑含水量等都须由工地试验确定。（什么是虚铺土厚度？）,图2-3 工地试验与室内击实试验的比较a-碾压6遍; b-碾压12遍; c-碾压24遍; d-室内击实试验,实际中，由于土层现场条件与室内试验条件不同，很难得到与室内试验一样的结果，需要与室内试验结果进行比较后适当的修正(图2-3)。,对现场的压实，通常以压实系数c(土
13、的控制干密度rd与rdmax之比) 与施工含水量(最优含水量wop2%) 来进行检验。不同结构对土体密实度的要求见表2-1,图2-3 工地与室内击实试验比较碾压6(a),12(b),24(c)遍; d-室内击实试验,表2-1 不同结构对土体密实度的要求,第二章 换填法处理 第三节 施工方法与砂(碎)石垫层设计,一、施工方法,对软土地基，虽然不同材料的垫层其应力分布稍有不同，但从试验结果分析，其极限承载力都比较接近。此外，通过沉降观测资料发现，不同材料垫层的特点基本相似。,因此，各种材料的垫层设计计算方法相同，并按砂(砂石、碎石)垫层的计算方法进行。,对于特殊土地基，所考虑解决问题的关键不同，故
14、在设计上有所差异。,1、机械碾压法,常用机械：平碾、羊足碾、压路机等（注意适用条件）,适用条件：大面积填土和杂填土等土方量较大的工程。,试验与施工：为了将室内实验结果用于设计与施工，必须研究室内击实实验与现场碾压的关系。所有施工参数(包括施工机械、铺筑厚度、碾压遍数、填筑含水量等)，要注意现场对压实系数c与最优含水量wop的控制。,施工质量控制：a:土的含水量应为最优含水量wop；b:土的分层厚度300mm左右；c:检测压实系数c与rdmax （由设计确定）。,一、施工方法,一、施工方法,2、振动压实法,常用机械：振动压实机,适用条件：杂填土、炉渣、细砂、碎石土等透水性较好的地基土。,压实效果
15、：压实效果与填土成分、振动时间等因素有关，因此施工前需要作试振，得出下沉量与时间的关系曲线。其关系曲线当然与所用振动机械振幅、频率、重量、振动力有关。,注 意：不宜用于地下水位高的地基处理，否则要先采用排水措施降水，并注意边坡稳定，防止塌土混入砂石垫层中。,一、施工方法,3、重锤夯实法,常用机械：由起重机将重锤提至一定高度后自由落下，重复夯击使土密实。,施工要求：锤重15-30kN，落距2.5-4.5m，夯打8-12遍，影响深度1.2m左右。,二、砂(砂石、碎石)垫层设计,垫层设计的基本要求有两个： 1）既要有足够的厚度以置换可能受到剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两则挤出而增
16、大垫层的竖向变形量。,0 垫层设计的基本要求,因此垫层设计的主要内容是确定垫层合理的厚度和宽度；,2）在设计垫层厚度和宽度时，还应当使垫层下卧土层顶面的压力满足不大于下卧层承载力的要求。,1 垫层厚度的确定,图中D为基础深度，垫层厚度z的确定依据是垫层底部软弱土层的承载力。因此，作用于垫层底面处土的自重应力pcz和相应的载荷效应标准组合时的垫层底面处的附加压力pz之和应当不大于垫层底面处经过修正后的地基承载力特征值（亦即下卧层的允许承载力） faz，,即 : pz+pczfaz (2-1),二、砂(砂石、碎石)垫层设计,(单位均为kPa),其中的附加应力Pz 可利用弹性理论的土中应力公式求得，
17、也可以按建筑地基处理技术规范JGJ79-2012中的扩散角法简化计算.,图3-1 垫层剖面示意图1、砂垫层；2、回填土；3、基础,自重应力pcz,附加压力pz,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)；pk ：相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值(kPa)；pc ：基础底面处土的自重压力值(kPa)； z ：基础底面下垫层的厚度(m)； b：垫层底面宽度(m) ： 垫层的压力扩散角()，宜通过试验确定，当无试验资料时，可按表2-2采用。,附加压力pz的计算,表2-2 压力扩散角(o),说明：(1) 、当zb 0.25，除灰土仍取=280外，其余
18、材料取=00，必要时，宜由试验确定；(2) 、0.25Z/b0. 5时，可用内插法求得。,垫层厚度一般在13m之间，不宜小于0.5m，也不宜大于3m。太大时存在造价高、施工困难问题；太小时作用不显著。,具体计算时，可以先估定一个垫层厚度，然后按式(2-1) 进行验算，若不合要求，再重新给定一个厚度再行验算，直到满足为止。,2 垫层宽度的确定,二、砂(砂石、碎石)垫层设计,垫层宽度确定时主要应满足两个条件：,1）满足基础底面应力扩散(范围)的要求；,2）考虑垫层两侧面土的允许承载力，以防止垫层向两侧挤入软弱土层中，导致沉降增大或失效。,（1）按建筑地基处理技术规范JGJ79-2012推荐的应力扩
19、撒角法，即,具体操作中，宽度的确定有两种方法：,式中 b垫层底面宽度(m)； b：矩形基础或条形基础底面的宽度(m)； z处理土层厚度； 压力扩散角，可按表2.2采用；当垫层厚宽比0.25时，仍按表中 z/b0.25取值。整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。,(2) 按垫层侧面土的地基承载力f侧设计值确定b：,当 f侧200kPa 时，bb+(00.35)z,当 200f侧120kPa 时，bb+(0.61.0)z,当 f侧120 kPa 时，bb+(1.62.0)z,垫层底面宽度b确定之后，垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超
20、出基础底边不宜小于30cm。,3 垫层承载力的确定,二、砂(砂石、碎石)垫层设计,地基承载力：指地基承受建筑物荷载的能力。,决定垫层的承载力的主要因素：取决于填筑材料性质，施工机具能量大小以及施工质量优劣等因素。一般通过现场试验确定。,垫层的承载力的确定： 宜通过现场载荷试验、标贯试验等方法确定，并应进行下卧层承载力的验算。表2-3是各类垫层承载力参考值，只是对无试验资料时的一种针对一般工程的办法。,地基在基础荷载作用下，如发生整体剪切破坏而丧失其稳定性，建筑物有倾斜、倒塌等危险，因此，地基设计中应验算地基的承载力，看其是否超出其容许承载力。,表2-3 各类垫层承载力参考值,平板载荷试验确定地
21、基承载力,由试验结果可绘制ps关系曲线，并推断出地基的极限荷载与承载力特征值(临塑压力pcr,极限承载力pu)。,承载力特征值由载荷试验ps关系曲线确定（四种情况）：,荷载试验ps曲线,0,s,pcr,pu,a,b,c,s1,p,1.ps曲线上有比例界限时，取该比例界限所对应的荷载值；,2.极限荷载小于对应比例界限荷载值的2倍时，取极限荷载值的一半；,3.当不能按上述要求确定时，当压板面积为0.250.50m2，可取沉降量与基础宽度之比(s/b)=0.010.015所对应的荷载，但其值不应大于最大加载量的一半。,4当试验实测值的极差不超过其平均值的30%时，取此平均值作为该土层的地基承载力特征
22、值fak (同一土层实验不应少于三点)。,贯入阻抗用贯入器贯入土中30cm的锤击数N63.5表示,N63.5也称为标贯击数。右图：1-穿心锤;2-锤垫;3-触探杆;4-锤头.修正后得标准贯入击数N查表得： 承载力标准值:,标准贯入试验 ?,标准贯入试验(SPT)是动力触探的一种，它利用一定的锤击动能（锤重63.5kg，落距76cm）,将一定规格的对开管式的贯入器打入钻孔孔底的土中，根据打入土中的贯阻抗，判别土层的工程性质。,标准贯入试验确定垫层承载力,4 沉降计算,二、砂(砂石、碎石)垫层设计,垫层断面确定之后，对于重要建筑物或垫层下面尚存在较弱下卧层的建筑物，还应进行地基的沉降变形计算。,在
23、进行地基沉降变形计算时应考虑邻近基础对软弱下卧层顶面应力叠加的影响。 当超出原地面标高的垫层或换填材料的重度高于天然土层重度时，宜及早换填，并应考虑其附加的荷载对建筑及邻近建筑的影响。,垫层地基的变形由垫层变形和下卧层变形组成(两种情况)。,1）换填垫层在满足垫层厚度与宽度条件下现行规范（JGJ79 -2002）第4.2.1条、第4.2.2条，和表2-4规范第4.2.6条的条件下，垫层地基的变形可仅考虑其下卧层的变形。,2-4 各种垫层的压实标准,2）对沉降要求严的或垫层厚的建筑，应计算垫层自身的变形。垫层下卧层的变形量可按现行建筑地基基础设计规范GB GB50007-2011的有关规定计算。
24、表2-5是现行国家标准制定的建筑物的地基变形允许值。,表2-5 建筑物的地基变形允许值,计算地基变形时地基内的应力分布可采用各向同性均质线性变形体理论。其最终变形量的计算公式 ：,表2-6 沉降计算经验系数y s （建筑地基基础设计规范之表5-3-5）,为变形计算深度范围内压缩模量的当量值。应按右式计算:,式中 Ai第i层土附加应力系数沿土层厚度的积分值；,地基变形计算深度zn（右5.3.5）应符合右式要求:,式中 : 在计算深度范围内第i层土的计算变形值, 在由计算深度向上取厚度为z的土层计算变形值Dz（见图）并按表2-6确定。,5 材料要求,二、砂(砂石、碎石)垫层设计,就砂垫层材料而言，
25、注意四个方面：,宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，且粒径小于2mm的部分不应超过垫层材料总重的45%；,应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质；,当使用粉细砂或石粉（粒径小于0.075mm的部分不超过总重的9%）时，应掺入不少于总重30%的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50mm。,对湿陷性黄上地基，不得选用砂石等透水材料。,某四层砖混结构的住宅建筑，承重墙下为条形基础。1) 宽1.2m，埋深1 m; 2) 上部结构传至地面的中心荷载为120kNm; 3) 基础及上覆土的平均重度为20kNm3;4) 地基土表层为粉质黏土，厚1m，重度为17.5kNm3；5) 第二层为淤泥，
26、厚15m，饱和土重度为17.8kNm3，地基承载力特征值fak50kPa；6) 第三层为密实的砂砾石;7) 地下水距地表为1 m。 因为地基土软弱，不能承受建筑物荷载，所以要求设计砂垫层处理地基。,【例题】,练题,【解】 (1) 假设砂垫层的厚度为1.5m，并要求分层碾压夯实，干密度大于1.5tm3。 (2) 砂垫层厚度的验算,砂垫层底面的自重应力为：,砂垫层底面的附加应力为：,pcz,pz,上部结构重,基础与上覆土重,根据题意，计算基底平均压力,根据砂垫层底面下卧淤泥层的地基承载力特征值(已知条件)fak50kPa ，再经深度修正后得地基承载力特征值。,b 、d基础宽度与地基埋深的承载力修正系数(表2-7);m基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重,faz,17.8-10(水),根据表2-7 b 为零,表2-7 承载力修正系数(建筑地基基础设计规范表5-2-4）,计算砂垫层底面的总应力(自重应力附加应力)：,Pcz + pz,(3) 确定砂垫层的底宽b，为,(4) 绘制砂垫层剖面如右图所示,砂垫层设计剖面图,
