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1、地基处理技术,Technical of Soil Improvement,河南理工大学土木工程学院,换填垫层技术,placement cushion method,第2章 换填垫层法,2.1 概述（垫层法 ，褥垫法） 2.2 换填垫层设计 2.3 垫层碾压施工 2.4 质量检验 2.5 换填垫层法处理地基工程实例,2.1 概 述,地基处理从处理深度上可分为浅层处理和深层处理，浅层处理一般认为处理深度大致在地面以下5m深度以内。 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。 换填法就是量大面广，简单、快速和经济的浅层处理方法。,换填垫层法的概念,换填垫层法是将
2、基础底面下一定深度范围内不满足地基性能要求的土层（或局部岩石），全部挖出，换填符合地基性能要求的材料，然后分层夯实，作为基础的持力层。 换填垫层法按其换填材料的的功能不同又分为垫层法和褥垫法。 垫层法：以软换硬形成的垫层作为持力层，主要是 提高承载力和减少其变形量。 褥垫法：以硬换软形成垫层作为基础持力层，主要调整地基的压缩性，减少其不均匀变形。,垫层法,当软弱土地基的承载力和变形无法满足工程要求，且软弱土层的厚度不大时，将软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂石、素土等性能稳定、无侵蚀性的材料，并压（夯、振）实至要求密实度的地基处理，又称为换土填层法。 垫层法的作用： 1）提高地基
3、承载力：浅基础地基承载力与基础下土层的抗剪强度有关。换填法以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料代替较软弱的土。,2）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较大的。条形基础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。采用换填法可减少这部分的沉降量。此外垫层对应力的扩散作用，也会减小下卧土层的沉降量。 3）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，不利于地基中水的排出。换填用的垫层透水性强，能加速基础下面的孔隙水压力消散。,4）防止冻胀：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。 5）消除地基的湿陷性和胀
4、缩性：对与湿陷性黄土地基，采用灰土或素土置换可消除或减轻地基的湿陷变形。同理非膨胀性材料置换膨胀土，可消除或减轻地基的胀缩性。 垫层法适用于适用于浅层地基处理，包括淤泥、杂填土、等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。还适用于一些地域性特殊土的处理：用于消除膨胀土地基的胀缩作用，可消除湿陷性黄土的湿陷性。,垫层的分类及适用范围,2.2 换填垫层的设计,2.2.1 砂垫层设计,2.2.2 素土和灰土层垫层设计,2.2.3 褥垫层设计,2.2.4 垫层材料的选用,2.2.1 砂垫层厚度的设计,：垫层底面处的附加应力设计值（kPa）; ：垫层底面处土的自重压力值（kPa）； ：经深度修正
5、后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）,垫层底面处的附加压力值,可按压力扩散角进行简化计算,条形基础：,矩形基础：,要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。,1.垫层厚度确定,图2-1 砂垫层内应力分布,2.垫层宽度的确定,垫层宽度应满足基础底面应力扩散和防止向两侧挤出的要求。,:垫层底面宽度(m)；,:垫层的压力扩散角，可按表2.1-1采用,满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边宜超出基础300mm, 按经验从垫层底面两侧向上放坡。,P :基地平均有效压力（kPa) Fk :基础顶面的竖向承载力值（kN） A : 基底面积（m2) d ：基
6、础埋深（m） ：回填土与基础的混合重度 ：基底压力扩散系数,对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形计算。 建筑物基础沉降等于垫层自身的变形量S1与下卧土层的变形量S2之和。,4) 沉降计算,3) 垫层承载力的确定,例子2-1 某4层混合结构，承重墙240mm厚的砖墙，传至基础顶部的竖向力Fk=180kN,地基的表层为1.2m厚的杂填土，重度 17.5kN/m3；其下为7.8m厚的淤泥，含水量w=50%，承载力特征值fak=75kPa.地下水位深度为1.0m,基础埋深d=0.8m,试设计该墙基的砂垫层。,计算步骤： 1）计算基础宽度和基底附加压力 2）确定垫层底面淤泥的承载
7、力 3）计算垫层底面处的自重应力和附加压力 4）验算垫层厚度 5）确定垫层宽度,条形基础是基础的长度大于或等于10倍基础宽度的一种基础形式，按上部结构分为墙下条形基础和柱下条形基础.,重度：20kN/m3,1.2m,1.2m,建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）,1）计算基础宽度和基底压力,因为,a)垫层的修正承载力特征值,b)基础宽度的确定,Gk基础自重及基础上土重,故取 b=1.0(m),c)基底附加压力,假设垫层厚Z=1.6m,软弱下卧层顶面以上土的平均重度为：,垫层底面处经深度修正后的承载力特征值,指建筑物荷载引起的超出原有基底压力的压力增量.,2）确定垫层底面淤泥的承载力
8、特征值,有效重度,基底附加应力p0计算,基础位于地面上时,基础位于地面下时,建筑物修建前，土中存在自重应力。自重作用下的变形已稳定。只有地基附加压力才能引起附加应力和变形。,3）计算垫层的底面处的自重应力和附加应力,4）验算垫层厚度,5）确定垫层厚度,故取 b=3.0m,2.2.2 素土和灰土垫层的设计,素土垫层：又叫土垫层 灰土垫层：石灰与土的比例2:8或者3:7 在湿陷性黄土地区使用比较广泛，处理深度为1-3m. 垫层厚度的确定方法同砂垫层，垫层宽度以下方法确定。,2）整片垫层的处理范围，每边超出建筑物外墙基础边缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不应小于2m.,1）局部垫层的平面处理范围，没边
9、超出基础底边的宽度由,褥垫法是将基础地面下一定程度的范围内局部压缩性较低的岩石凿去，换填压缩性较大的材料，然后分成夯实的垫层作为基础的持力层，是基础整个持力层的变形相互协调的地基处理的方法。 主要用来处理有局部岩层出露而大部分为土层的地基，一般用于条形基础的处理效果较好。,2.2.3 褥垫法设计,褥垫的作用：调整地基的压缩性，改造压缩性低的地基，从而调整岩土交接部为地基的相对变形，避免该处发生应力集中。 褥垫的宽度去稍大于基底的宽度，不需另行计算。主要是根据地基的变形要求计算其厚度。,褥垫层构造图,褥垫层厚度的计算,1）确定褥垫的沉降量,:地基土的沉降量,:建筑物沉降差的允许值,2）褥垫的厚度
10、 Z 的计算,:褥垫顶，底面的附加应力值,:褥垫材料的压缩模量,:褥垫材料试样的高度,:p-s曲线上褥垫所受压力的变形值,2.2.4 垫层材料的选用,砂石,粉质粘土,灰土,粉煤灰,矿渣,其他工业废渣,土工合成材料,聚苯乙烯(EPS),聚苯乙烯(EPS)： 在软弱地基的填土工程中，有时采用垫层材料的密度大，难以满足设计要求。这时采用EPS，可有效减少作用在地基上的荷载，借以取得设计和施工上的良好效果。 可用于公路及铁路路堤，桥头，挡土墙，机场建设等等,换填垫层设计的总结,垫层材料 碎石，素土，灰土，矿渣，粉煤灰等 垫层厚度 要求垫层底面处自重应力与荷载作用下产生的附加应力之和不大于同一标高处的地
11、基承载力标准值，一般0.5-3m。 铺设范围 满足基底应力扩散要求，垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm或按经验从垫层底面两侧向上放坡。 地基沉降计算 一般仅考虑下卧层沉降。,2.3 垫层的碾压施工,2.3.1 压实机理,2.3.2 压实方法,2.3.3 施工要点,2.3.1 土的压实机理 大量工程实践和试验研究表明，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。对过湿的土进行碾压会出现“橡皮土”，不能增大其密度。对很干的土机型碾压（夯实）也不能充分夯实。 控制土的压实效果的主要因素是：土的含水量，压实机械及其压实功能等。土的压实效果常用干密度d（单位土体积内土粒的质量）来衡量。,干密度与含
12、水量的关系曲线（击实试验结果）,当粘性土含水量较小时，水化膜很薄，颗粒间引力大，在一定的外部压实功能作用下，还不能有效克服引力而使土颗粒相对移动么所以压实效果差；增加含水量时,1.最优含水量 对粘性土，当压实功能和条件相同时，土的含水量过大或过小，土体都不易压实，只有把土的含水量调整到某一适宜值时，才能收到最佳的压实效果。 在一定压实机械的功能条件下，土最易于被压实，并能达到最大密度时的含水量，称为最优含水量wop，相应的干密度则称为最大干密度dmax。,2.粘粒含量的影响 相同压实功能对于不同的试料的压实效果也不同，粘粒含量较多的土，土颗粒间引力就越大，只有比较大的含水量时才能达到最大干密度
13、。,3.压实功能的影响 对于同类土，随着压实功能的变化，最大干密度和最优含水量也随之变化。 当压实功能较小时，土压实后的最大干密度较小，对应的最优含水量则较大； 反之，干密度较大，对应的最优含水量则较小。,4.土的压实参数,经验系数，粘土取0.95 粉质粘土取0.96 粉土取0.97,2.3.2 压实方法,1. 机械碾压法 顾名思义，用机械自重把松散土地基压实加固。常用于地下水位以上大面积填土压实及一般非饱和粘性土和杂填土地基的浅层处理。 2.平板振动法 用振动压实机械在地基表面施加振动力以振实浅层松散地基处理方法。使地基土的颗粒受振动，移动至稳固位置，减小土的孔隙而压实。 实践证明：用振动压
14、实法处理砂土地基以及碎石、矿渣等渗透性较好无粘土为主的松散填土地基效果良好。振密后的地基是有较强的抗震能力。 3.重锤夯实法 将重锤提到一定高度，用自由落下的冲击能来夯实浅层地基。经过多次重复提起、落下，地基表面形成一层较为均匀密实的硬壳层，从而提高了地基强度。经过重锤夯实的地基承载力可通过静荷载试验确定，一般可达100150kPa。,羊脚碾：羊脚碾的羊脚插入土中，不仅使羊脚底部的土料受到压实，而且使侧向上部土料也受到挤压，从而达到均匀的压实效果。羊脚碾仅适用于压实粘性土料和粘土，不适合压非粘性土。土料压实层在一定深度的范围内，可以获得较高的压实干表观密度，但土体的干表观密度沿深度方向的分布不
15、均匀。羊脚碾的独特优点是能够翻松表面土层，可省去刨毛工序，保证了上下土层的结合质量。此外，羊脚碾还能起到混合土料的作用，可以使土料级配和含水量比较均匀。羊脚顶端接触应力的过大或过小，都会降低碾压效果。 气胎碾：气胎碾适用于压实粘土料，也适合于压实非粘性土料，如粘性土、粘土、砂质土和沙砾料等，都可以获得较好的压实效果。气胎碾的充气轮胎，在压实过程中具有一定的弹性，可以和压实的土料同时发生变形，轮胎与土料的接触应力，主要取决于轮胎的充气压力，与轮胎的荷载大小无关。 振动碾：振动碾是一种以碾重静压和振动力共同作用的压实机械，较之没有振动的压实机械，土中应力可提高45倍，因而它能有效地压实堆石体、砂砾
16、料和砾质土；也可用与压实粘性土和粘土。 夯实机械（重锤） 夯板使用于压实沙砾料、砾质土和粘性土，也可用于压实粘土。,羊脚碾碾压,PY220C-2液力驱动自行式平地机,振动压路机,重捶夯实法,三种处理方法的作用原理及适用范围,2.3.3 垫层施工注意事项,基坑保持无积水。 铺筑垫层材料之前，应先验槽。 施工中必须避免扰动软弱下卧层的结构，防止降低土的强度、增加沉降。 如采用碎石或卵石垫层，宜先铺一层1520cm的砂垫层作底面，用木夯夯实，以免坑底软弱土发生局部破坏。,垫层底面应等高。 人工级配砂石垫层，应先拌和均匀，再铺填捣实。 垫层每层虚铺200300mm，均匀、平整，严格掌握。 垫层材料应采
17、用最优含水率。 施工机械应根据不同垫层材料进行选择，如素填土宜用平碾或羊足碾 。 进行质量检验。,干密度d 一般中砂 d不小于1.60g/cm3； 灰土 d不小于1.55g/cm3； 卵石 d 不小于1.90g/cm3。 压实系数 一般要求: 压实系数为0.93-0.97之间。 d :垫层材料施工要求达到的干密度，g/cm3 dmax :垫层材料能够压密的最大干密度，由击实试验测定，g/cm3,2.4 垫层的质量检验,1）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、贯入仪、静力触探、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
18、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。 2）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。 3）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。,垫层的质量检验,土的击实性（压实性）,压实：指通过夯打、振动、碾压等，使 土体变得密实、以提高土的强度、减小 土的压缩性和渗透性,压实性：指土在一定压实能量作用下密 度增长的特性,研究击实性的目的： 以最小的能量消耗获得最大的压实 密度，揭示击实作用下土的干密度、含水率和击实功三 者之间
19、的关系和基本规律。,击实方法：室内击实试验 现场试验: 夯打、振动、 碾压,土,粘性土的击实性,饱和曲线,dmax=1.86,wop=12.1,0 4 8 12 16 20 24 28 含水量w(%),击实性曲线：,特点： 具有峰值 位于饱和曲线之下,最大干密度 最优含水量,实践证明，土被击实到最佳情况时， 饱和度一般在80%左右。,饱和线,影响因素,1. 击实功能,2. 土的级配,3. 击实方式 夯实、辗压、振动；辗压对粘土比较合适,压实标准,a. 粘性土存在最优含水量op，在填土施工中应该将土料的含水量控制在op左右，以期得到dmax，通常取,b. 工程上常采用压实度Dc控制（作为填方密度控制标准）,、级土石坝 Dc9598% 级土石坝 Dc9295%,无粘性土的压实性,击实曲线,特点,不存在最优含水量； 在完全风干和饱和两种状态 下易于击实； 潮湿状态下d明显降低。,压实标准,常用相对密度控制 Dr0.70.75 施工过程中要么风 干，要么就充分洒水， 使土料饱和,