换填垫层法课件.ppt

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1、,第三章 换填垫层法,地基处理,2.1概述2.2土的压实原理2.3换填垫层设计2.4垫层碾压施工2.4质量检验,主要内容,软土,2.1 概述,1将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去,当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求,怎么办？,软弱土层的厚度不大,2分层换填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、二灰、粉煤灰、高炉干渣或其它性能稳定、无侵蚀性等材料,3并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换填法。,通常基坑开挖后，利用分层回填压实，也可处理较深的软弱土层，但经常由于地下水位高而需要采用降水措施；坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护；以及施工土方量大，弃土多等因素，从

2、而使处理费用增高，工期延长，因此换填法的处理深度通常宜控制在3米以内。但也不应小于0.5米，因为垫层太薄，则换土垫层的作用也不显著。在湿陷性黄土地区或土质较好场地，一般坑壁可直立或边坡稳定时，处理深度可限制在5米以内。,“软弱土层的厚度不大” -到底是多少米？在实际工程中，什么情况下优先选用该法？,适用性：,哈 哈，问题来了,垫层太薄，换土垫层的作用不明显,根据土中附加应力分布规律，让垫层承受上部较大的应力，软弱层承担较小的应力，以满足设计对地基的要求。,基本原理：,2.1 概述,1.提高地基承载力-采用抗剪强度较高的填筑材料,2.减小沉降量-密实，垫层对应力的扩散作用,3.加速软弱土的排水固

3、结-绕基础排水，增加了排水面，使基础下的空隙水压力迅速消散。,4.防止冻胀，空隙大，减小了毛细管现象,5.消除膨胀土的胀缩作用-干湿循环,6，消除湿陷性黄土的湿陷作用,垫层的分类P27,根据换填材料的不同可分为：,(4) 粉煤灰,(7) 土工合成材料,(5) 矿渣,(6) 其他工业废渣,（1）砂石,(2) 粉质粘土,(3) 灰土,垫层材料选用-砂石,砂石垫层材料宜选用质地坚硬的碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂、或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的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的部分不应超过总重的9%）时，应掺入不少于总

4、重的30%的碎石或卵石。,砂石的最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。,(2) 粉质粘土 土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块,(3) 灰土体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质粘土，不宜使用块状粘土和砂质粘土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒粒径不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒粒径不得大于5mm。,(4) 粉煤灰 可用于道路、堆场、和小型建筑、构筑物的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.30.5m。作为建筑物垫层的粉煤灰应符

5、合放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采用适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。,(5) 矿渣垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣或不分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑、构筑物地基。,(6) 其他工业废渣在有可靠试验结果或成功工程经验时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等均可用于填筑换填垫层。被选用工业废渣的粒径、级配和施工工艺等应通过试验确定。,土工格栅 土工格室 三维土工网垫,(7) 土工合成材料 由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋层。所用土工合成材料的品种与性能及填土的

6、土类应根据工程特性和地基土条件，按照现行国家标准土工合成材料应用技术规范（GB50290-98）的要求，通过设计并进行现场试验后确定。,淤泥修正后地基承载力特征值：,给定的淤泥地基承载力特征值；,软弱下卧层顶面以上土的加权平均重度；,软弱下卧层以上埋深。,土的加权平均重度,设第i层土的重度为 ，厚度为则这i层的加权平均重度为,二,三,第i层,第一层,地面,土的各种重度,重度又称为容重、体积重量。土的重度通常是指土的天然重度，即单位体积中土颗粒所受的重力,是土的有效密度与重力加速度的乘积.,地下水位以上,土的重度,地下水位以下,土的重度=有效重度,有效重度=土的重度-浮力（水的重度）,某条形基础

7、，垫层下为淤泥质土，承载力特征值为50kPa,试按理论公式确定修正后的承载力特征值。,解：,例：,解：,某条形基础，宽度1.6m，受轴心荷载Fk=300kN/m,基础埋深1m,垫层厚度为0.95m，垫层及回填材料为中砂，,问题：,持力层,软弱下卧层,承载能力验算,基底反力,承载力,确定地基承载力的目的?,问题：,垫层（被置换）,下卧层,垫层底反力,承载力,确定地基承载力的目的?,软弱下卧层承载力验算,地基承载力验算,持力层承载力验算,软弱下卧层承载力验算,地基承载力验算,荷载-基底反力 pk,地基承载力特征值 fa,问题：,实际工程中，事先知道基底尺寸吗？,强度要求：地基承载力 pkfa,gk

8、,Nk,d,pk,Nk：作用在基础顶面的荷载效应标准组合值，kN,A：基底面积，m2；Alb，一般l/b=1.02.0；,gk：基础自重和基础上的土重，kN。对于一般实体基础，可取：,G：基础及回填土的平均重度，一般取20kN/m3,d：基础的平均埋深（室内外地坪与基底高度差的平均值），m,问题：,垫层（被置换）,下卧层,垫层底反力,承载力,确定地基承载力的目的?,软弱下卧层承载力验算,垫层底面处的附加应力,垫层底面处的自重应力,垫层底面软弱土层经深度修正后的地基承载力的特征值,一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不超过同一标高处软弱土层（经深度修正后）的承载力特征值确定:,1、垫层厚

9、度：,按下卧层的承载力确定,z,d,回填土,砂垫层,b,(1) 垫层厚度的确定,按下卧层的承载力确定,问题：,z 荷载作用下垫层底面处的附件应力,如何确定？,(1) 垫层厚度的确定,gk,Nk,d,pk,Nk：作用在基础顶面的荷载效应标准组合值，kN,A：基底面积，m2；Alb，条形基础l=1m；,gk：基础自重和基础上的土重，kN。对于一般实体基础，可取：,G：基础及回填土的平均重度，一般取20kN/m3,d：基础的平均埋深（室内外地坪与基底高度差的平均值），m,解：,某条形基础，垫层及回填材料为中砂，垫层下为淤泥质土，承载力特征值为50kPa,求荷载作用下基础底面处的附件应力值。,计算位置

10、,按照扩散系数法计算,条形基础,计算位置,按照扩散系数法计算,矩形基础,条形基础：,矩形基础：,换填垫层的厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。,以上两式中 l、b 分别为矩形基础长度和宽度； z 基础底面至软弱土层顶面的距离； 应力扩散角，常见的垫层应力扩散角按表3.3确定。,应力扩散角,众所周知，基础承受上部传来的荷载并将荷载传递给地基持力层，地基持力层就担负起承担并逐渐分散均匀地传给地壳的责任。这个逐渐分散的方式就是扩散，扩散的规律是按照一定的角度往下逐渐扩大范围，这个扩散角度大小与基础材料的弹性模量与持力层的压缩模量有关、与持力层土的内摩擦角有关。详见规范GB50007-2002.,压

11、力扩散角,注：1、当Z/b0.25时，除灰土外，其余材料均取=0； 2、当0.25Z/b0.50时，可内插求得。,计算时，先假设一个垫层的厚度，验算。如不合要求，则改变厚度，重新验算，直至满足为止，一般砂垫层的厚度为12m左右，过薄的垫层(3m)则施工较困难。,某条形基础，垫层及回填材料为中砂，垫层下为淤泥质土，承载力特征值为80kPa,求荷载作用下软弱下卧层顶面处的附件应力值。,解：,软弱下卧层承载力验算,计算位置,作用在软弱下卧层顶面处的附加压力,作用在软弱下卧层顶面处的自重应力,经过深度修正的地基承载力特征值,某条形基础，垫层及回填材料为中砂，垫层下为淤泥质土，承载力特征值为50kPa,

12、求荷载作用下垫层底面处土的自重压力。并验算垫层下卧层的强度。,解：,满足要求,(2) 垫层宽度的确定 垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出的要求。可按下式进行计算或根据当地经验确定。,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，垫层顶面每边超出基础底边不宜小于300mm。,解：,某条形基础，垫层及回填材料为中砂，垫层下为淤泥质土，承载力特征值为50kPa,求荷载作用下垫层底面的宽度。,(3) 垫层承载力的确定 由于理论计算方法尚不够完善，垫层的承载力宜通过现场试验确定，当无试验资料时，可按表3.2采用，并应进行下卧层承载力的验算。,(4)

13、 沉降计算 垫层地基的变形等于垫层自身的变形量 s1 与下卧土层的变形量s2之和，可按下式进行计算：,垫层下卧层的变形量s2 可按现行国家标准建筑地基基础设计规范（GB500072012）的有关规定计算。下卧层顶面承受换填材料本身的压力超过原天然土层压力较多的工程，地基下卧层将产生较大的变形。如工程条件许可，宜尽早换填，以使由此引起的大部分地基变形在上部结构施工之前完成。,垫层地基的沉降,（1）粗粒换填料而言，垫层地基变形可仅考虑下卧层的变形（2）细粒料垫层，应计算垫层自身变形，其模量根据试验或经验确定,垫层自身的变形,软弱下卧层的变形,注意,书上例题 :某四层砖混结构的住宅建筑，承重墙下为条

14、形基础，上部建筑物作用于基础的荷载每米120kN，基础的平均重度为20kN/m。地基土表层为粉质粘土，厚1m，重度为17 .5kN/m，第二层为淤泥质粘土，厚15m，重度为17.8kN/m，地基承载力特征值为50kPa,承载力修正系数第三层为密实的砂砾石,地下水距地表为1m.因为地基土较软弱,不能承受建筑物的荷载,试设计砂垫层.,砂垫层的厚度为1.5m,【解】:,(1)先假设砂垫层的厚度为1.5m,垫层材料采用粗砂，查表3.2得承载力特征值为150kPa。,(2) 基础的宽度为：,(3) 粗砂厚度:,(4) 垫层地面处土的自重应力:,一、设计基础，不要求掌握,二、设计垫层,三、求Pcz,(5)

15、垫层地面的附加应力:,(6) 垫层底面以上土的加权平均重度:,垫层底面的埋深:,砂垫层的厚度为1.5m,四、求Pz,五、求faz,下卧层淤泥修正后的地基承载力特征值：,(7) 验算下卧层的强度:,(8) 确定垫层的底宽:,则满足要求,砂垫层的厚度为1.5m,六、验算强度,七、确定垫层宽度,假设砂垫层的厚度为1.0m假设砂垫层的厚度为2.0m,满足承载力的要求吗？,【解】:,(1)先假设砂垫层的厚度为1.0m,垫层材料采用粗砂，查表3.2得承载力特征值为150KPa。,(2) 基础的宽度为：,(3) 粗砂厚度:,m,(4) 垫层地面处土的自重应力:,取b=1.2m,变小,砂垫层的厚度为1.0m,

16、(5)垫层地面的附加应力:,(6) 下卧层顶面上土的加权平均重度:,垫层底面的埋深:,变大,变小,砂垫层的厚度为1.0m,下卧层淤泥修正后的地基承载力特征值：,(7) 验算下卧层的强度:,不满足要求，需增大垫层厚度进行试算,变小,砂垫层的厚度为1.0m,【解】:,(1)先假设砂垫层的厚度为2.0m,垫层材料采用粗砂，查表3.2得承载力特征值为150KPa。,(2) 基础的宽度为：,(3) 粗砂厚度:,(4) 垫层地面处土的自重应力:,取b=1.2m,变大,砂垫层的厚度为2.0m,(5)垫层地面的附加应力:,(6) 下卧层顶面上土的加权平均重度:,垫层底面的埋深:,变小,变大,砂垫层的厚度为2.

17、0m,下卧层淤泥修正后的地基承载力特征值：,(7) 验算下卧层的强度:,(8) 确定垫层的底宽:,则满足要求,变大,变大,砂垫层的厚度为2.0m,假设基础的宽度为1.0m，假设基础的宽度为1.4m，满足承载力的要求吗？,【解】:,(1)先假设砂垫层的厚度为1.5m,垫层材料采用粗砂，查表3.2得承载力特征值为150KPa。,(2) 基础的宽度为：,(3) 粗砂厚度:,m,(4) 垫层地面处土的自重应力:,取b=1.0m,基础的宽度为1.0m,不变,(5)垫层地面的附加应力:,(6) 下卧层顶面上土的加权平均重度:,垫层底面的埋深:,变大,变大,不变,不变,基础的宽度为1.0m,下卧层淤泥修正后

18、的地基承载力特征值：,(7) 验算下卧层的强度:,则不满足要求，需增大基础宽度进行试算。,不变,变大,基础的宽度为1.0m,【解】:,(1)先假设砂垫层的厚度为1.5m,垫层材料采用粗砂，查表3.2得承载力特征值为150KPa。,(2) 基础的宽度为：,(3) 粗砂厚度:,(4) 垫层地面处土的自重应力:,取b=1.4m,不变,基础的宽度为1.4m,(5)垫层地面的附加应力:,(6) 下卧层顶面上土的加权平均重度:,垫层底面的埋深:,变小,变小,不变,不变,基础的宽度为1.4m,下卧层淤泥修正后的地基承载力特征值：,(7) 验算下卧层的强度:,(8) 确定垫层的底宽:,则满足要求,不变,变小,

19、基础的宽度为1.4m,变垫层厚度和基础宽度下各参数汇总表,例：,某条形基础，宽度1.6m，受轴心荷载Nk=150kN/m,基础埋深1m,垫层厚度为1.1m，回填材料为杂填土，垫层下为淤泥质土，承载力特征值为80kPa,试验算软弱下卧层的强度。,计算3.1,计算3.2 书P30，7,某中学一幢教学楼，采用砌体结构条形基础。作用在基础顶面竖向荷载为130kN/m。地基土层情况：表层为素填土，重度为17 .5kN/m，层厚1.3m;第二层为淤泥质土，重度为17.8kN/m，地基承载力特征值为75kPa，厚6.5m，地下水位深1.3m。设计教学楼的砂垫层。,怎么画图？请试着画出,计算3.2 书P30，

20、7,某中学一幢教学楼，采用砌体结构条形基础。作用在基础顶面竖向荷载为130kN/m。地基土层情况：表层为素填土，重度为17 .5kN/m，层厚1.3m;第二层为淤泥质土，重度为17.8kN/m，地基承载力特征值为75kPa，厚6.5m，地下水位深1.3m。设计教学楼的砂垫层的厚度。,【解】:,(1)先假设砂垫层的厚度为1.5m,垫层材料采用粗砂，得承载力特征值为150KPa。,(2) 基础的宽度为：,(3) 粗砂厚度:,m 取b=1.2m,(4) 垫层地面处土的自重应力:,作业7,(5)垫层地面的附加应力:,(5)确定砂垫层的底宽:,下卧层顶面上土的加权平均重度:,(6)垫层底面的埋深:,作业

21、7,下卧层淤泥修正后的地基承载力特征值：,(7) 验算下卧层的强度:,(8) 确定垫层的底宽:,则满足要求,作业7,则取垫层底宽3.0m,课后作业：P30 习题6,2.3 垫层碾压施工,当粘性土的土样含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，如不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好。但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，结合水膜的扩大作用就不大了，因而引力的减少不显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋

22、下降，因而设计时要选择一个“最优含水量”,压实机理,在工程实践中，对垫层的碾压质量进行检验，要求获得填土的最大干密度dmax，它可通过室内击实试验确定：,室内基实试验,相同的压实功能对于不同土料的压实效果并不完全相同，粘粒含量较多的土，土粒间的引力就越大，只有在比较大的含水量时，才能达到最大干密度的压实状态，如图2-3中的粉质粘土和粘土。,如果改变压实功能，曲线的基本形状不变，但其最大干密度位置却发生移动，随着压实功能的增大，曲线向上方移动，亦即在加大压实功时，最大干密度增大，而最优含水量却减少。因为压实功能愈大，则更容易克服粒间引力，所以在较低含水量下可达到更大的密实度。,室内击实试验是土样

23、在有侧限的击实筒内进行试验，因此不可能发生侧向位移，试验时力作用在有侧限体积的整个土体上，且夯实均匀。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，实际压实土的均质性差。因此，对现场土的压实，应以压实系数c（土的控制干密度d与最大干密度dmax之比）与施工含水量（最优含水量）来进行控制。图2-5为羊足碾（接触压力170kPa）不同碾压遍数的工地试验结果与室内击实试验结果的比较，说明用室内试验来模拟工地压实是可靠的，但施工参数如施工机械、虚铺土厚度、碾压遍数及填筑含水量都必须由工地试验确定。,为了将室内击实试验的结果用于设计和施工，必须研究室内击实试验和现场碾压的关系。所有施工参数如

24、施工机械、铺筑厚度、碾压遍数及填筑含水量等都必须由工地试验确定。由于现场条件终究与室内试验的条件不同，因而对现场应以压实系数c与施工含水量进行控制。 施工时先按设计挖掉要出处理的软弱土层，把基础底部土碾压密实后再分层填筑，并逐渐压密。压实效果取决于被压实填料的含水量和压实机械的能量。为保证有效压实质量，碾压速度要有所控制，平碾控制在2.0km/h，羊足碾控制在3.0km/h，振动碾控制在2.0km/h。,1) 砂垫层施工中的关键: 是将砂加密到设计的密实度。加密的方法常用的有振动法 (包括平振、插振、夯实)、水撼法和碾压法等(表2-5-1)。这些方法要求在基坑内分层铺砂，然后逐层振密或压实，分

25、层的厚度视振动力的大小而定，一般为1520cm。 每层铺筑厚度不超过表2-5-1所规定的数值。分层厚度可用样桩控制。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。,一 砂和砂石垫层施工,第二章 换填法处理 第五节 垫层施工要点,2) 铺筑前，应先进行验槽。浮土清除，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，应在未做垫层前加以填实。,3) 开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动下卧软弱土层的表面。否则，坑底土的结构在施工前就遭到破坏，其强度就会显著降低，以致在建筑物荷载作用下，将会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

26、踏坑底。,4) 砂、砂石垫层底面宜铺设在同一标高上。如果深度不同时，基坑地基土面应挖成踏步或斜坡搭接，各分层搭接位置应错开0.51.0m的距离，搭接处应注意捣实，施工应按先深后浅的顺序进行。,5) 人工级配的砂石垫层，应将砂石拌和均匀后，再进行铺填捣实。,6) 捣实砂石垫层时，应注意不要破坏基坑底面和侧面原状土。尤其是对基坑下灵敏度大的地基土，在垫层最下一层宜先铺设一层1520cm的松砂，只用木夯夯实，不得使用振捣器，以免破坏基底土的结构。,7) 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、振捣法和水撼法。,8) 水撼法施工时，在基槽两侧设置样桩，控制铺砂厚度，每层虚铺25

27、cm。铺好后，灌水与砂面齐平，然后用钢叉插入砂中振摇十几次，如果砂已沉实，便将钢叉拔出，在相距10m处重新插入摇撼，直至这一层全部结束，经检查合格后铺第二层(不合格时需要再插撼)。每铺一次、灌水一次进行摇撼，直至设计标高为止。,1. 对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量的检验可用环刀法、贯入法、轻型动力触探或标准贯入试验检验；对砂石、矿渣垫层可用重型动力触探检验。并均应通过现场试验以设计压实系数所对应的贯入度为标准检验垫层的施工质量。压实系数也可采用环刀法、灌砂法、灌水法或其他方法检验。 (1) 环刀法 (2) 贯入测定法,静力触探 轻型动力触探 园锥重型动力触探,第二章 换填法处理 质量检验,