换填垫层法中垫层设计研究

摘 要：换土垫层法是地基处理中常用的一种方法，垫层厚度、宽度的设计是换土垫层法中的主要问题，本文给出了垫层设计、计算问题。

关键词：换土垫层；垫层；设计

当不良地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不很大时，可以将基础底面以下一定范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉千渣、粉煤灰）或其他性能稳定、元侵蚀性的材料，并压（夯、振）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。

机械碾压、重锤夯实、平板振动是压（夯，振）实垫层的常用方法，这些施工方法不但可处理分层回填土，而且还可加固地基表层土。按回填材料的不同，垫层可分为砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。

虽然不同材料的垫层。其应力分布稍有差异，但其极限承载力却是比较接近的。因此，可将各种材料的垫层设计都近似的按砂垫层的计算方法进行计算。但当湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等特殊土采用换土垫层处理时。因其主要目的是为了消除地基土的湿陷性、膨胀性和冻胀性所以在设计时需考虑的关键问题有所不同。

1.垫层的作用

在工程实践中，对垫层碾压质量的检验，以获得垫层的最大干密度 为标准。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，对不同含水量的土样，可得到不同的干密度 ，从而可以绘制干密度 和制备含水量 的关系曲线。在曲线上 的峰值，即为最大干密度 ，与之相应的制备含水量为最优含水量 。垫层的作用主要有包括以下几个方面：

（1）提高地基承载力；

浅基础的地基承载力与持力层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料代替工程性质较差的土，就可提高地基承载力，避免地基破坏。

（2）减少沉降量

一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占比例是比较大的。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%左右。如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分土层的沉降量。另外，砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用大，所以作用在下卧层土上的压力相对较小，这也相应减少了下卧层土的沉降量。

（3）加速软弱土层排水固结

建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时，在荷载作用下，软弱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，从而形成较大的孔隙水压力，还可能导致地基强度降低而产生塑性破坏。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，基础以下的孔隙水压力迅速消散，从而加速垫层下软弱土层的固结和强度增长，避免地基塑性破坏。

（4）防止冻胀

粗颗粒垫层材料的孔隙大，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）消除膨胀土的胀缩

在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣、二灰或灰土等材料作为消除胀缩作用。

2.垫层设计

垫层设计。即要有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的轨弱土层，又要有足够宽度以防止垫层向两侧挤出。

2.1垫层厚度的确定

垫层的厚度，应根据垫层底部下卧土层的承载力确定。如下图所示。并符合下式要求：

（1）

式中 ：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，Pa；

：经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特证值。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。计算见下图所示。

2.2 垫层宽度的确定

垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计，一般按下式计算或根据当地经验确定。

（4）

式中： ——垫层底面宽度，m；

——垫层的压力扩散角（°），按表1采用。

垫层顶面街边宜比基础底面大0.3m。或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡。整片垫层的宽度可根据施工要求适当加宽。

2.3垫层承载力的确定

垫层承载力宜通过现场试验确定，并应验算下卧层的承载力。

2.4沉降计算

对于重要建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑。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 与下卧土层的变形量 之和。对超出原地面标高的垫层或换填材料的密度高于天然土层密度的垫层，宜早换填并考虑其附加荷载对拟建建筑物及既有邻近建筑物的影响。

参考文献

[1] GB 50007～2002建筑地基基础设计规范.北京.中国建筑工业出版社，2002

[2] JGJ79─91建筑地基处理技术规范.北京中国计划出版社，2002

[3] 高大钊.土力学与基础处理工程.北京.中国建筑工业出版社，1998