当软弱土地地基的承载力和变形满足不了设计要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后分层换填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、炉渣、粉煤灰等其他性能稳定、无侵蚀性的材料，并压实至要求的密实度为止，这种地基处理方法称为换填垫层法。换填垫层法多用于公路、城市道路构筑物的地基处理。

 

　　二、换填垫层法的加固原理

 

　　 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。

 

　　三、换填垫层法适用范围：

 

　　 淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、冻胀土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。（换填法适用浅层软弱地基及不均匀地基的处理－《建筑地基处理技术规范》JGJ79－2002）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取降水措施，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，从而使处理费用增高、工期拖长，因此换填法的处理深度通常宜控制在3m以内。但也不宜小于0.5m，因为垫层太薄时，换土垫层的作用也不显著。

 

　　四、换填垫层法处理地基的作用

 

　　（1）提高地基承载力

 

　　通过扩散作用使传到垫层下软弱土层的应力减小。

 

　　（2）减少地基沉降量

 

　　一般地基浅层部分的沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，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%，如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就是可以减小这部分的沉降量。砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层的压力较小，这样也会相应减小下卧层的沉降量。

 

　　（3）加速软弱土层的排水固结

 

　　不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫绕基础两侧排出，因而使基底下的软弱土不易固结，形成较大的孔隙水压力，还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度，避免地基土塑性破坏。

 

　　（4）防止地基土冻胀

 

　　因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，大易产生毛细现象，因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

 

　　（5）消除膨胀土的胀缩作用和消除湿陷性黄土的湿陷作用

 

　　在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的，对膨胀土地基而言主要是消除膨胀土的胀缩作用。

 

　　五、换填土垫层法的设计

 

　　应根据建筑体型、结构特点、荷载性能、岩土工程条件、施工机械设备及填料性质和来源等进行综合分析，进行换填垫层的设计和选择施工方法。

 

　　土的压实原理

 

　　当粘性土的土样含水量较小时，粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，如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；当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以效果较好；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，因而引力的减小也不显著，此时自由水填充在孔隙中，从而阻止了土粒移动的作用，所以压实效果又趋于下降，这就是压实机理。

 

　　在工程实践中，对垫层碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度ρdmax.其最大干密度可用室内击实试验确定。在标准的击实方法条件下，对于不同含水量的土样，可获得不同的干密度(ρd)，从而绘制干密度和制备含水量(ω)的关系曲线，在曲线上ρd的峰值即为最大干密度(ρdmax)，与之相应的制备含水量为最优含水量(ωop)，见下图。从图3-1中可看出，理论曲线高于实验曲线，其原因是理论曲线是在假定土中空气被全部排出而孔隙完全被水所占据的条件导出的，但事实上空气不可能被完全排除，因此实际的干密度就比理论值小。

 

　　上述分析是对某一特定压实功能而言的，如果改变压实功能，则曲线基本形态不变，但曲线位置却发生移动。如图3-2所示，在加大压实功能时，最大干密度增大，最优含水量却减小，亦即压实功能愈大，则愈容易克服粒间引力，因此在较低含水量下可达到更大的密实程度。

 

　　相同的压实功能对不同土料的压实效果并不完全相同，粘粒含量较多的土，土粒间的引力就较大，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。

 

　　垫层设计

 

　　（1）垫层厚度的确定

 

　　垫层的厚度ｚ应根据需置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：

 

　　 pz+pcz≤faz

 

　　 换填垫层的厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。

 

　　垫层底面处的附加压力值pz可按压力扩散角θ分别按以下两式进行简化计算：

 

　　条形基础：

 

　　矩形基础：

 

　　压力扩散角θ（°）

 

　　z/b 中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、卵石、碎石、矿渣 粉质粘土、粉煤灰 灰土

 

　　0.25 20 6 28

 

　　≥0.50 30 23

 

　　注： 1当z/b＜0.25时，除灰土取θ＝28°外，其余材料均取θ＝0°，

 

　　 必要时，宜由试验确定；

 

　　 2当0.25＜z/b＜0.50时，θ值可内插求得。

 

　　（2）垫层宽度确定

 

　　垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定：

 

　　 b′b+2ztan

 

　　当z/b<0.25时，仍按表中z/b＝0.25取值。

 

　　 整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面宽度可从垫层底面两侧向上，按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，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡确定垫层顶面宽度，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。

 

　　（3）垫层承载力的确定

 

　　经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不够完善，垫层的承载力宜通过现场载荷试验确定，并应进行下卧层承载力的验算。

 

　　对于垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地基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自身变形和下卧层变形组成。换填垫层在满足规范的条件下，垫层地基的变形可仅考虑其下卧层的变形。对沉降要求严的或垫层厚的建筑，应计算垫层自身的变形。

 

　　3、垫层材料的选用

 

　　垫层材料一般选用砂石、粉质粘土、灰土、粉煤灰、矿渣、其他工业废渣、土工合成材料等。其中粉煤灰垫层应用广泛，它适用于厂房、机场、公路和堆场等工程大面积填筑

 

　　。具有以下特点：

 

　　（1）自重轻

 

　　粉煤灰相对密度比粘土小的多，一般松散重度为6～7KN/m3。

 

　　（2）击实性能好

 

　　（3）抗剪强度：当压实系数c为0.9～0.95时，粘聚力为5～30kPa，内摩擦角为23°～30°。

 

　　（4）压缩性：当压实系数为0.90～0.95时，压缩模量为8～20MPa。

 

　　（5）承载能力：对压实系数为0.9～0.95的浸水垫层，其容许承载力可采用120～200kPa。

 

　　（6）渗透性：粉煤灰初始渗透系数在10－4～10－5cm/s之间。

 

　　（7）抗液化性

 

　　粉煤灰经压实后在振动条件下不会液化。

 

　　（8）对环境的影响：

 

　　粉煤灰是一种碱性材料，遇水后由于碱性可溶物的析出使PH值升高，同时粉煤灰中还含有一定量的微量有害元素和放射性元素，因此粉煤灰在填筑过程中能否推广应用，在很大程度上取决于是否能满足我国现行的有关环境保护方面的要求。

 

　　小结：换填垫层法具有施工速度快、工期短、质量容易控制、工程造价低的特点和提高地基承载力、减少地基沉降量、加速软弱土层的排水固结、防止地基土冻胀等特性，目前已成为应用最为普遍的地基处理技术之一。近年来随着其理论和工艺的不断提高，其应用范围愈来愈广。

 

　　参考文献

 

　　《建筑地基处理技术规范》JGJ79-2002