换填垫层的例题与讲解

换填垫层法 第三讲地基处理技术-换填垫层法、预压法3.1 换填垫层法3.1.1 基本概念当建筑物基础下的持力层比较软弱、不能满足上部结构荷载对地基的要求时，常采用换填土垫层来处理软弱地基。即将基础下一定范围内的土层挖去，然后回填以强度较大的砂、砂石或灰土等，并分层夯实至设计要求的密实程度，作为地基的持力层。换填法适于浅层地基处理，处理深度可达23米。在饱和软土上换填砂垫层时，砂垫层具有提高地基承载力，减小沉降量，防止冻胀和加速软土排水固结的作用。工程实践表明，在合适的条件下，采用换填垫层法能有效地解决中小型工程的地基处理问题。本法的优点是：可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期，又能降低造价，因此，得到较为普遍的应用。3.1.2 适用范围换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理。但在用于消除黄土湿陷性时，尚应符合国家现行标准湿陷性黄土地区建筑规范中的有关规定。在采用大面积填土作为建筑地基时，应符合国家标准建筑地基基础设计规范(GB50007)的有关规定。换填时应根据建筑体型、结构特点、荷载性质和地质条件，并结合施工机械设备与当地材料来源等综合分析，进行换填垫层的设计，选择换填材料和夯压施工方法。3.1.3 加固机理(1)置换作用。将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。(2)应力扩散作用。基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。(3)加速固结作用。用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。(4)防止冻胀。由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。(5)均匀地基反力与沉降作用。对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的土料，并在石芽以上也设置垫层；或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。因此，换填的目的就是：提高承载力，增加地基强度；减少基础沉降；垫层采用透水材料可加速地基的排水固结。【例题1】换填法处理地基的目的和作用是( )。A、提高基础底面以下地基浅层的承载力；B、提高基础底面以下地基深层的承载力；C、减少地基沉降量、加速地基的排水固结；D、消除基础底面以下适当范围内地基的湿陷性和胀缩性。答案：A、C、D3.1.4 垫层设计3.1.4.1 垫层材料(1)砂石。宜选用碎石、卵石、角砾、原砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2 mm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，应掺入不少于总重30的碎石或卵石。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)粉质黏土。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。用于湿陷性黄土地基或膨胀土地基的粉质黏土垫层，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。土料宜用粉质黏土，不得使用块状黏土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15 mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。(4)粉煤灰。可用于道路、堆场和小型建筑、构筑物等的换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土0.30.5m。粉煤灰垫层中采用掺加剂时，应通过试验确定其性能及适用条件。作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采取适当防腐措施。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、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。选用矿渣的松散重度不小于11 kNm3，有机质及含泥总量不超过5。设计、施工前必须对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符合安全规定后方可使用。作为建筑物垫层的矿渣应符合对放射性安全标准的要求。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。大量填筑矿渣时，应考虑对地下水和土壤的环境影响。(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。(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垫层。所用土工合成材料的品种与性能及填料的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(GB 5029098)的要求，通过设计并进行现场试验后确定。作为加筋的土工合成材料应采用抗拉强度较高、受力时伸长率不大于45、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工垫或土工织物等土工合成材料；垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质黏土等材料。如工程要求垫层具有排水功能时，垫层材料应具有良好的透水性。在软土地基上使用加筋垫层时，应保证建筑稳定并满足允许变形的要求。【例题2】换填垫层法施工时的换填材料可以选用( )。A、碎石土和砂土；B、陷性黄土；C、少量膨胀土的素土和砂土；D、粉土、灰土。答案：A、D3.1.4.2 垫层的厚度如图3.1-1所示，垫层的厚度z应根据下卧土层的承载力确定，即作用在垫层底面处的土的自重应力与附加应力之和不应大于软弱下卧层土的承载力特征值，并符合下式要求：图3.1-1Pz+Pczfaz 3.1-1 式中：Pz为相应于荷载标准组合时垫层底处的附加压力；Pcz为垫层底面处土的自重压力；faz为垫层底面处土层经深度修正后的地基承载力特征值。垫层的厚度一般不小于0.5m，且不宜大于3 m。垫层底面处的附加压力值Pz按软弱下卧层验算方法计算，垫层的压力扩散角可按表3.1-1采用并分别按下列公式进行简化计算；【例题3】某工程地基为软弱地基，采用换填法处理，换填材料为砾砂，垫层厚度为1m，已知：该基础为条形基础，基础宽度为2m，基础埋深位于地表下1.5m，上部结构作用在基础上的荷载为：P=200KN/m；自地面至6.0m均为淤泥质土，其天然重度为17.6KN/m3，饱和重度为19.7KN/m3，承载力特征值为80kpa，地下水位在地表下2.7m，问：