随着我国基础建设蓬勃兴起及人类活动增大，由地基土压缩变形引起的沉降量过大或沉降不均匀对构筑物造成破坏或影响其正常使用的问题显得尤为突出，故而软弱土层中的地基处理格外重要。
软弱地基是指主要由淤泥、淤泥质土、冲填土、杂填土或其他高压缩性土构成的地基，具有压缩性高、透水性差和强度低等特点。当不可避免要在软土地基上建造建筑物时，必须进行有效地地基处理，以减小地基的变形、加强地基的稳定性。地基处理是采取有效的方法，如：碾压及夯实、换填垫层、排水固结、振密挤入等，改善地基土的工程性质，使其满足工程需要。
笔者通过对众多工程实践经验进行分析，认识到换填垫层法能有效解决中小型工程的地基处理问题，主要在于其具有就地取材、施工方便，不需要特殊机械设备且工期短，能有效降低造价等优点。
1换填垫层法的原理
换填垫层法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖除，回填强度较大、压缩性小、物料来源丰富、价格便宜的材料，然后经分层夯实后作为基础的持力层。
1.1垫层的作用
1.1.1提高持力层的承载力
用抗剪强度较高的材料换置基础下的软弱土层，将使地基避免发生剪切破坏。此外，换置后的材料能很好地扩散基础的附加应力从而使下卧土层能承受相应的荷载。
1.1.2减小基础的沉降
一方面换填的材料压缩性较小，那持力层的变形和沉降将较换填前小很多；另一方面，通过垫层的应力扩散作用使下卧层顶面的应力减小，那下卧层的沉降也将减小。
1.1.3加速软土的固结
如垫层材料的透水性很强，当软弱土层受压后，垫层即是一个良好的排水通道，基础下软弱土层中的孔隙水将通过此通道快速消散排出，从而加快了下卧软弱层固结和强度提高。
1.1.4防止冻胀
采用的换填材料均是颗粒较大、透水性较强的材料，不容易产生毛细管现象，故而可以防止寒冷地区结冰而造成的冻胀现象。
1.2垫层材料
换填材料必须具有无侵蚀性和低压缩性，一般采用如中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾、石屑、卵石、碎石、矿渣、粉质黏土、粉煤灰等。因垫层土类丰富，可依据当地的物料情况而选取相应的材料作为垫层。
2换填垫层法的设计
2.1垫层厚度的确定
垫层的厚度z应依据软弱土层的厚度和下卧软弱层的承载力确定，并应满足公式（1）的要求：
式中pz为相应于荷载效应标准组合，垫层底面处土的附加压力（kPa）；pcz为垫层底面处土的自重压力（kPa）；faz为垫层地面处土层经深度修正后的承载力特征值（kPa）。
垫层底面处土的附加压力pz可以按照图1压力扩散图示来计算，即：
条形基础时，
矩形基础时，
公式中b为条形基础或矩形基础底面的宽度（m）；l为矩形基础底面的长度（m）；pk为基础底面处的平均压力值（kPa）；pc为基础底面处土的自重应力值（kPa）；z为基础底面下垫层的厚度（m）；θ为垫层的压力扩散角，按表1取值。
一般情况下垫层厚度不宜大于3m，否则施工较困难不经济，而小于0.5m太薄换填垫层的作用不大。当软弱土层的厚度h≤3m时，可以将其基底下的软弱土层全部挖除换填垫层，取z=h，且z>0.5m，然后验算满足式（1）；当软弱土层的厚度h>3m时，可以将其基底下的软弱土层部分挖除换填垫层，取z≤3m，且z>0.5m然后验算满足公式（1）。
2.2垫层宽度的确定
垫层的宽度除了要满足应力扩散的要求外，还要防止垫层向两侧挤出，因为基础荷载在垫层中引起的应力使垫层有侧向挤出的趋势，假设垫层宽度不足，周围土又较为软弱时，垫层可能被压溃而挤入周围软土中去，从而基础沉降增大。垫层底面宽度应依据式（4）及当地经验确定。
b’≥b+2z？…（4）
式中b’为垫层底面宽度（m）见图1，其他符号意义同上。
垫层底面宽度确定后，再依据当地经验要求和开挖基坑要求的坡度延伸至底面，从而得到垫层的设计断面，同时应满足垫层顶面每边超出基础底面不宜小于300mm。此外，若是大面积整片垫层，其底面宽度可按自然倾斜角控制适当加宽。
2.3基础的沉降量计算
基础的沉降为垫层的沉降与下卧层的沉降之和。其具体计算见规范GB50007-2002建筑地基基础设计规范。
3垫层施工注意事项
3.1开挖基坑铺设垫层时，应避免坑底上层受扰动以破坏土的结构
当采用机械开挖，开挖至基底标高以上300mm左右时，应采用人工开挖，并在验槽后应及时回填防止其暴露过久、被践踏或浸水。当采用粒径较大的垫层时，应在坑底先铺一层砂垫层或铺土工织物，以免软弱土层表面的局部破坏。
3.2雨季和冬季垫层的保护措施
如在雨季或冬季施工时，施工期间应采用相应的防雨或防冻措施，防止填料（土或灰土）受雨水淋湿或冻结，还应防止地面水流入已处理或未处理的基坑或基槽内。
3.3垫层材料的选择
垫层的料材必须级配连续和级配良好。若是人工级配的材料，需用机械拌和均匀。
3.4垫层必须达到设计要求的密实度
常采用振动法、碾压法等。这些要求均要严格控制含水量，最好能达到最优含水量，方可分层夯填，分层铺设厚为200～300mm，逐层振密或压实，如条件允许也可在分层处铺设土工织物，以起到加筋作用。
垫层施工竣工验收合格后，应及时对基础进行施工及对基坑进行回填。此外，换填垫层法施工土方量大，弃土多，宜做好弃土的处理工作。
4换填垫层法的适用范围
进行软土地基处理时，应依据工程的实际情况选取不同的处理方案。换填垫层法主要适用于中小型建筑工程的3m以内的软弱地基处理，不宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础或地下水位较高、水流速度较快且流量大的地基处理。
参考文献
[1]GB50007-2002建筑地基基础设计规范[S].
[2]JGJ79-2002建筑地基处理技术规范[S].
[3]赵明华.土力学与基础工程[M].武汉：武汉理工大学出版社，2010：324-331.
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