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1、Cushion,第2章 换填,苏州科技学院土木工程学院 朱逢斌,换填法是指挖去地表浅层软弱土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法。,2.1 垫层分类和适用范围,垫层材料,卵石、碎石、砾石、粗砂、中砂,素土,灰土：灰土比 2:8 或 3:7,工业废料：粉煤灰，矿渣,适用范围,适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土及暗沟、暗塘等浅层处理。,开挖基坑后，利用分层回填夯压也可处理较深软弱土层，但换填基坑开挖过深，因地下水位高，需降水；坑壁放坡或边坡支护；易引起邻近结构物破坏，且土方量大，费用高，工期长，对环境影响大，故换填法的处理深度应控制在0.5-3m,土工合成
2、材料、聚苯乙烯板块,详见P19表2-1（注意点）,2.2 土的压实机理,因换填法在换填后将土层压实，从而提高了地基的承载力。为了更好的掌握换填法的机理，首先应了解土的压实机理。,压实的本质,土料孔隙率减小，密实度提高,W增大，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，直至wop时达到dmax,W继续增大，孔隙中就出现了自由水，此时自由水填充在孔隙中，产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，d 反而减小。,何为固结？,W较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，还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。,1.最优含
3、水量:在一定压实能量下，使土最容易压实，并能达到最大干重度的含水量wop，与之相对应的干密度称为最大干密度dmax,2.击实曲线特点：具有峰值：峰值点对应于dmax和op。,塑限等于土样风干时的含水量,工程中常按opp2,试验所用设备：击实仪,3.测定最佳含水量方法：击实试验,轻型击实试验适用于粒径小于5mm的土，击实筒容积为947cm3，击锤质量为2.5kg。把制备成一定含水量的土料分三层装入击实筒，每层土料用击锤均匀锤击25下，击锤落高为30.5cm,重型击实试验适用于粒径小于20mm的土，击实筒容积为2130cm3，击锤质量为4.5kg，击锤落高为45.7cm。分五层击实，每层56击。根
4、据击实后土样的密度和实测含水量计算相应的干密度,现场填土的压实质量用下列两个指标来检验：压实系数c=d/dmax、施工含水量w=wop2%,换土垫层作用,（1）提高地基的承载力（2）减少地基沉降量（3）加速软弱土层的排水固结（4）防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用,2.3垫层设计,不同材料垫层（如砂垫层、粉煤灰垫层、矿渣垫层）的特性基本相似，处理稳定后的地基承载力及沉降也相差不大，所以可将各种材料的垫层近似按砂垫层进行设计。,(1)砂垫层的厚度,垫层厚度应满足：,pz垫层底附加应力设计值；pcz垫层底面处土自重应力标准值；faz垫层底面处下卧层土经深度修正后的地基承载力的特征值（设计值）。,中
5、小型工程，适用于一般饱和、非饱和的软土和水下黄土地基；不适宜用于湿陷性黄土和大面积堆载、密集基础和动力基础的软基处理，也不适宜于有地下水流速快，流量大的地基处理。（为什么？）,垫层的厚度一般不宜大于3m,太厚施工较困难,太薄(0.5m)则垫层的作用不显著。,砂（或砂石、碎石）垫层设计,垫层底附加应力pz,pk基底平均压力；pc基础底面处土的自重应力；垫层的压力扩散角，宜通过试验确定，当无试验资料时可采用下表数值：,Z=0.5-3m,条形基础,矩形基础,计算时可先假设一个垫层厚度，然后按前式进行验算，若不符合要求重新设一个厚度再验算直至满足前式,(2)砂垫层的宽度,b垫层底面宽度，m。,注意：垫
6、层顶面宽度宜超出基础底面每边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按开挖基坑的要求放坡。,垫层底面宽度应满足基底面应力扩散要求,确定垫层宽度时，除应满足应力扩散的要求处同，还应考虑垫层应有足够的宽度及侧面土的强度条件，防止垫层材料向侧边挤出而增大垫层的竖向变形量。,放坡1：3,(3)砂垫层的承载力确定,a.经换填垫层处理的地基其承载力宜通过试验、尤其是通过现场原位试验（载荷、标贯、触探）确定。中砂、粗砂、砾砂垫层应控制密实度在中密以上。b.对于按建筑地基基础设计规范划分安全等级为三级的建筑物及不太重要、小型、轻型或对沉降要求不高的工程，在无试验资料时可按下表取用承载力特征值。,碾压或振密,重锤
7、,施工,(4)沉降计算,垫层地基沉降分二部分:一是垫层的沉降；二是软弱下卧层的沉降。由于垫层材料模量远大于下卧层的模量，所以在一般情况下，软弱下卧层沉降量占整个沉降量的大部分。经观测及大量工程经验表明，经换填垫层进行局部处理后，往往由于软弱下卧层的变形，建筑物地基仍将产生过大的沉降及差异沉降，故应按地基基础规范中变形计算方法进行建筑物沉降计算，保证地基处理效果及建筑物安全。,模量,属于何种方法？,注：压实矿渣的E0/Es可按取用,2.3.2 素土（灰土、二灰）垫层设计,(1)素土、灰土垫层简介,素土垫层 灰土垫层,局部垫层 整片垫层,分类,设置在矩形基础或条基下，每边超出基底宽度不小于其厚度一
8、半，用于消除地基部分湿陷量；无法阻水从垫层侧面渗入下部未处理湿陷性土层。,设置在整个建筑物的平面范围内，每边超出基底宽度不小于其厚度，并不得小于2m，用于消除被处理土层的湿陷量，并防止水从垫层上部或侧向渗入下部未处理湿陷性土层。,消除湿陷性,消除湿陷性，提高承载力和水稳性,(2)局部垫层一般设置在基础底面下，可消除部分湿陷量，其平面处理范围每边超出基底宽度，可按下式计算，并不小于垫层厚度一半：,式中：B为需处理土层底的宽度 b为条基短边宽度 c为考虑机具影响而增设的附加宽度0.2m 为基底压力扩散角，宜为22-30o，用素 土时取小值，灰土时取大值,(3)整片垫层的处理范围每边超出建筑物外墙基
9、础外缘的宽度，且不应小于垫层厚度，并不小于2m；,为什么？灰土硬扩散范围大,请将书P25注释错误改过来,粉煤灰垫层设计,(1)粉煤灰简介,粉煤灰是燃煤电厂排放的工业废弃物，其排放堆积不仅占用土地资源，对生态环境也构成了不同程度的危害，但粉煤灰是一种良好的软土换填材料，可用于加固软土地基。,a.粉煤灰种类,按排放系统分：干排灰、湿排灰、调湿灰,按含钙量分：高钙灰（CaO10%）低钙灰（CaO10%）,b.粉煤灰换填法适用范围,厂房、机场、港区陆域和堆场等大面积填筑工程。,(2)粉煤灰工程特性及其对环境的影响,a.自重轻：可降低下卧层土的压力，减小沉降,因粉煤灰主要由硅铝等非晶态玻璃球体组成，结晶
10、矿物很少，故其ds比粘性土小得多，=6-7kN/m3。,可将路堤填筑高度从原来极限4.5m提高至8m,b.击实性能好,击实曲线峰值段比天然土具有相对较宽的最优含水量区间。粉煤灰最佳含水量变动幅度为4%，而土为2%，使粉煤灰在回填过程中更易达到设计密实度所要求的含水量。,c.抗剪强度,粉煤灰抗剪强度指标c、值可通过直剪试验或三轴压缩试验测定；当无试验资料且压实系数为时，c=5-30kPa，=23-30o。,直剪仪,d.压缩性,粉煤灰的压缩性能与击实功能、密实度和饱和程度有关。当无试验资料且压实系数为时，Es=8-20MPa,e.承载能力,粉煤灰垫层经压实后若遇水其强度会降低，当无试验资料且压实系
11、数为时的浸水垫层，其承载力特征值为120-150kPa。,f.渗透性,因粉煤灰组成为近似砂质粉土，故其渗透性较好，但随着龄期的增加，渗透性逐渐减小。,g.抗液化性,粉煤灰经压实后在振动条件下具有较高的抗液化性，比砂质粉土强得多。,h.对环境的影响,粉煤灰是一种碱性材料，遇水后因碱性可溶物的析出使PH值升高，同时粉煤灰中含有一定的微量有害元素和放射性元素，因此在使用粉煤灰作为换填材料时必须满足环境要求。,(3)粉煤灰垫层设计,不同材料垫层（如砂垫层、粉煤灰垫层、矿渣垫层）的特性基本相似，处理稳定后的地基承载力及沉降也相差不大，所以可将各种材料的垫层近似按砂垫层进行设计。,a.设计,2.4 垫层施
12、工,垫层施工按压密采用的不同机械和工艺，一般可分为机械碾压法、重锤夯实法、平板振动法。,平碾,拖式羊足碾,一、机械碾压法 采用压路机、推土机、平碾、羊足碾或其他碾压机械在地基表面来回开动，利用自重把垫层或松散地基压实。,2.4.1 按密实方法分类,适于地下水位以上及非饱和粘性土与杂填土的浅层处理。,气胎碾,蛙式夯,振动压实机2,振动压实机1,垫层碾压主要施工参数,垫层碾压质量检验,指标为填土最大干密度，关键在于控制每层的铺设厚度和最优含水量（由室内击实试验确定）,施工机械、铺填厚度、碾压遍数与填筑含水量,注：,为了将室内击实试验结果用于设计和施工，必须研究室内击实试验与现场碾压的关系，各施工参
13、数应由现场试验确定，在现场应以压实系数和施工含水量进行控制。,现场碾压12遍较为合适,二、重锤夯实法 用起重机将夯锤提升到一定高度，然后自由下落，不断重复夯击以加固地基。,适于地下水位距地表大于0.8的稍湿粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土。,注：,1、重锤夯实宜一夯挨一夯的顺序进行；2、单独柱基基坑内，宜按先外后里的夯击顺序进行；3、同一基坑底面标高不同时，应先深后浅、逐层夯实；4、累计夯击10-20次，最后两击平均夯沉量，砂土不超过5-10mm，细料土不超过10-20mm；5、现场试验应确定最少夯击遍数、最后平均夯沉量、有效夯实深度（有效夯实深度达1m，可消除1-1.5m厚土层的湿
14、陷性。）,三、平板振动法 使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少，透水性好的松散杂填土地基的方法。,振实效果与填土成份、振动时间等因素有关,注：,1、施工前需试振，得到稳定下沉量与时间的关系（建筑垃圾振动时间约在1min以上，细粒填土振动时间约在3-5min，有效振深为）2、振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两侧，后振中间；3、振动合格标准为振动机原地振实不再继续下沉，并辅以轻便触探检验其均匀性与影响深度。,砂石是良好的换填材料（以中粗砂为好）。砂垫层含泥量不宜超过5%，也不得含有草根、垃圾等有机质杂物。如用作排水固结砂石材料垫层,含泥量不宜超过3%；并且不应夹有过大的石块或碎石
15、,因为碎石过大会导致垫层本身的不均匀压缩,一般要求碎(卵)石最大粒径不宜大于50mm，对于湿陷性黄土地基不应选用透水性的砂石垫层。采用细砂作为换填材料，应改善材料的级配状况，应掺入30%-50%的碎石（最大粒径不超过50mm），当碾压（或夯、振）功能较大时，亦不宜大于80mm。,一、砂（或砂石）垫层,2.4.2 按垫层材料分类,1、材料选用,2.施工参数,干密度d是砂垫层施工质量控制的技术标准。设计要求的d为室内击实试验dmax与压实系数c的乘积；无击实试验资料时，可把中密状态的d作为设计要求的干密度：中砂为1.6t/m3；粗砂为1.7t/m3；碎石和卵石为3。,注：,1.粉质粘土或灰土（夯压
16、）：现场含水量控制在wop2%,2.粉质粘土或灰土（振动碾压）：现场含水量控制在wop的-6%+2%,3.粉煤灰（夯压）：现场含水量控制在wop4%,碾压法振动法夯实法,分层铺筑分层压实,c.施工要点,砂和砂石垫层采用什么方法和机具对于垫层的质量至关重要，除下卧层是高灵敏度的软土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外，在一般情况下,砂和砂石垫层首选振动法,因为振动比碾压更能使砂和砂石密实。,垫层最优含水量可根据施工方法确定：平板振动器：wop=15%-20%平碾及蛙式夯：wop=8%-12%插入式振动器：宜为饱和的碎石、卵石或矿渣充分洒水湿透,分层压实质量应控制机械碾压速度：
17、平碾：2km/m 羊足碾：3km/m振动碾：2km/m 振动压实：0.5km/m,二、素土（或灰土、二灰）垫层,2.素土垫层土料中有机质含量不得超过5%，不得含有冻土、膨胀土，不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料，碎石粒径不得大于50mm；,3.灰土垫层土料宜用粘性土或Ip4的粉土，不得含有松软杂质，粒径不得大于15mm，宜用新鲜的消石灰，石灰粒径不得大于5mm；,4.控制垫层质量的压实系数c应符合：当垫层厚度不大于3m时，c大于等于0.93；当垫层厚度大于3m，c大于等于0.95；,6.分段施工时不得在柱基、墙角及承重间墙下接缝，接缝处应夯压密实，上下两层的缝距不得小于500mm，灰土应拌合均匀，
18、应当日铺填夯压，压实后3天内不得受水浸泡。,5.采用分层填夯（压）实的施工方法，分层虚铺厚度见P36表2-12；,1.垫层承载力由现场载荷试验确定，若无试验资料时，素土垫层不宜超过180kPa，灰土垫层不宜超过250kPa；,1.虚铺厚度和碾压遍数应通过现场小型试验确定，若无试验资料，可选用铺筑厚度200-300mm，碾压后的压实厚度为150-200mm；施工压实含水量可控制在wop4%。,2.对小型工程可用人工分层摊铺，在整平后用平板振动器或蛙式打夯机压实；对大中型工程可用机械摊铺，整平后用履带式机具初压二遍，再用中、重型压路机碾压；碾压次数一般为4-6遍。,注：,3.施工宜当天铺筑、当天压
19、实；若压实时呈松散状，应洒水后再压实；若出现“橡皮土”现象应暂缓压实，并开槽、翻开晾晒或换灰；,4.施工时最低气温不低于零度，以免其出现冻胀现象；,5.每一层粉煤灰垫层经验收合格后，方可进行上层施工。,粉煤灰的分层施工检验标准为压实系数,三、粉煤灰垫层,a.对粉质粘土、灰土、粉煤灰和砂石垫层的施工质量检验可用环刀法以、标准贯入法以、静力触探、轻型触探试验检验。,b.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。,注：用贯入仪检验垫层质量,对于砂垫层可用钢筋检验,钢筋直径为20mm 的平头钢筋,长1.25m,垂直距离砂表面0.7m,
20、自由落下,测量贯入深度，贯入深度以不大于根据该砂的控制干密度测定的深度为合格。检验点间距应小于4m。,2.5 质量检验,注：环刀容积不应小于200cm3,径高比为1：1，取样前测点表面应刮去30-50mm厚的松砂，环刀内砂样应不包含尺寸大于10mm的泥团和石子。砂垫层干密度控制标准为：中砂为1.6t/m3；粗砂为1.7t/m3。,c.垫层的施工质量检验必须分层进行，应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层土。,d.采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应位于每层土厚度的2/3深度处。检验点数量，对大基坑每50-100m2不应少于1个检验点，对基槽每10-20m不应少于1个点，每个独立柱基不应少
21、于1个点。采用贯入仪或动力触探检验垫层的施工质量时，每分层检验点间距应小于4m。,e.竣工验收采用载荷试验检验垫层承载力时，每个单体工程不宜少于3点，对于大型工程则应按单体工程的数量或工程的面积确定检验点数量。,垫层施工完后应满足的压实系数,工程实例,某油灌站机房的基础进行设计时,由钻探资料显示,该地为很厚的软粘土层,其承载力标准值fak=80kN/m2,重度=17kN/m3,IL=1.00,e=1.00。已知机房独立基础承受上部结构荷载设计值F=155kN,设计室内高差为0.3m,室外基础埋深0.80m。从以上数据可知,该基承载力和变形不能满足设要求。如何采用换填法处理上述地基？,1、确定垫层材料在垫层材料方面,采用中砂作为垫层,其承载力设计值按f=180kN/m2 计算(施工时砂垫层密度控制在中密程度),重度取=19.5kN/m3。,解：,所以，取l=b=1m,2、确定基底尺寸考虑该独立基础为正方形基底，由公式得：,3、确定垫层厚度假定该砂垫层厚度为1m，所以：,由z/b=1查表得扩散角=30o,对软土地基承载力标准值进行深度修正，由IL=1.00,e=1.00查表得d=1.1，所以：,故砂垫层厚度为z=1m符合要求。,4、确定垫层宽度,取垫层顶底面宽度为2.5m，满足垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m的要求。,
