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中图分类号：TU47 文献标识码：A 文章编号：
换填垫层法是挖除地表浅层软弱土层或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法。换填垫层可依换填材料的不同，分为碎石垫层、砂垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层等。
一、换填垫层的作用
换填垫层主要有以下作用: ①提高持力层的承载力，并将建筑物基底压力扩散到垫层以下的软弱土层，使软弱地基土中所受压力减小到该软弱地基土的承载力容许范围内，从而满足承载力要求; ②垫层置换了软弱土层，从而可以减少地基的变形量; ③当采用砂石垫层时，可以加速软土层的排水固结; ④调整不均匀地基的刚度，减少地基的不均匀变形。
二 适用范围
(1) 适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理; 当软弱土层厚度较大，不能全部挖除换填时，也可以采用换填垫层法，但必须进行地基变形以及下卧层的承载力验算。
(2) 换填垫层法适用于《建筑地基基础设计规范》GB50007 － 2002 划分的丙级建筑以及一般不重要的中小型建筑物、堆场、地坪及道路等。对于体型复杂、刚度差及对不均匀沉降敏感的建筑，以及过于松软的深厚软弱土层不宜采用浅层局部置换的换填垫层。
( 3) 较深的软弱土层，基坑开挖过深，常因地下水位高，需要采用降水措施; 坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护; 处理工程费用高、工期长、对环境的影响大等，换填垫层法的处理深度通常控制在3 m以内较为经济，也不宜小于0. 5 m。
三 换填垫层的设计方案
1 设计前的勘察和调研
(1) 查明处理场地的地层构成及土的物理力学性质;查明不良地质现象和软弱土层范围及深度。
( 2) 查明地下水的埋藏条件、水位深度及变化、侵蚀性等。
( 3) 查明换填土的来源、种类、规格、价格等，采用粉煤矿灰、矿渣、工业废渣时应查明其化学成分及其对环境的影响等。
2砂石垫层材料的选用及配比确定
垫层材料应选用级配良好,质地坚硬的中粗砂和碎石,石子粒径不大于50mm,不含植物残体、垃圾等杂质,含泥量(<0.lmm颗粒含量)不宜大于3%。砂石配比应经试验确定。施工前初步确定3:7.4:6.5:5三种配比,选用10-30mm:20-30mm;30-70mm三种规格的碎石及砂料,分6组饱和、非饱和大型压缩试验,14组最大,最小密度试验。从试验结果看,以4:6比例的配合料比较优越,其最大、最小密度比较高,其压缩变形量、单位沉降量较小。因此选用砂石比例4,6为设计配合比,其中碎石根据当时材料供应,选用5-20mm,20-40mm,40-60mm三种粒径含量分别为碎石总量的9%,20%,71%。
3 设计计算
3. 1 设计步骤及基本要求
垫层设计应满足建筑地基的承载力和变形要求: ①垫层能换除基础下直接承受建筑荷载的软弱土层，代之以能满足承载力要求的垫层; ②荷载通过垫层的应力扩散，使下卧层顶面受到的压力满足小于或等于下卧层承载力的条件; ③基礎持力层被低压缩性的垫层置换，能大大减少基础的沉降量。因此，合理确定垫层厚度是垫层设计的主要内容。通常根据土层的情况及设计要求确定需要换填的深度，对于浅层软弱土厚度不大的工程，应置换掉全部软土，当软弱土层厚度较大时，应根据下卧层土的承载力确定。
3. 2 垫层厚度的确定
垫层厚度应根据需要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,其中 pz为相应于荷载效应标准组合时垫层底面处的附加压力值，kPa; pcz为垫层底面处土的自重压力值，kPa; faz为垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。
3. 3 垫层底面宽度的确定
垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定:b'≥b + 2ztgθ式中 b 为基础底面的宽度，m；b'为垫层底面宽度，m; z 为基础底面下垫层的厚度，m；θ 为压力扩散角。
4.换填垫层的施工
4. 1 施工要点
4. 1. 1 基坑开挖
土方开挖前应检查定位放线、排水和降低地下水位工作( 应降至垫层底面以下0. 5 m) ，并应采取措施防止基坑土体扰动及保证边坡的稳定。
4. 1. 2 填料配制
人工配制的垫层材料应拌制均匀，并应检查填料的配比及施工含水量，雨季及冬季施工应做好防雨及防冻措施。
4. 1. 3 垫层施工
( 1) 铺筑垫层前，应先验槽，检查垫层底面的土质、标高、尺寸及轴线位置。
( 2) 垫层施工应根据换填材料选择施工机械。粉质
黏土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯; 砂石等宜用振动碾、平板振动器、蛙式夯; 矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。
( 3) 为获得最佳夯压效果，宜采用垫层最优含水量作为施工控制含水量，粉质黏土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在最优含水量ωop ± 2% 的范围内; 粉煤灰垫层不应采用浸水饱和施工法，施工含水量宜控制在 ωop ±4% 的范围内; 对于砂石料则可根据施工方法不同，按经验控制适宜的施工含量水量，即用平板振动器时可取 15%～ 20% ，当用平碾或蛙式夯时可取 8% ～ 12% ，当用插入式振动器时宜为饱和。对于碎石及卵石应充分浇水湿透后夯实。
( 4) 垫层施工应分层进行。分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。除接触下卧软土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取 0. 2 ～0. 3 m。为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度。
4. 2 施工注意事项
(1) 基坑开挖时应避免坑底土层受扰动，可保留约0. 2 m厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再挖至设计标高并随即用换填材料铺填。
(2) 垫层施工时必须做好边坡防护，防止边坡坍入垫层。
(3) 换填垫层施工应注意基坑排水，除采用水撼法施工垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采取降低地下水位的措施。
(4) 垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。
(5) 粉质黏土及灰土垫层分段施工时，不得在柱基、墙角及承重窗间墙下接缝。上下两层的缝距≥0. 5 m。接缝处应夯压密实。灰土应拌和均匀并应当日铺填夯压。垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。
参考文献：
［1］ JGJ 79 －2002，建筑地基处理技术规范［S］.
［2］ 龚晓南 . 地基处理手册［R］. 北京: 中国建筑工业出版社，2009. 46 －67.
换填垫层法是挖除地表浅层软弱土层或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层的地基处理方法。换填垫层可依换填材料的不同，分为碎石垫层、砂垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层等。
一、换填垫层的作用
换填垫层主要有以下作用: ①提高持力层的承载力，并将建筑物基底压力扩散到垫层以下的软弱土层，使软弱地基土中所受压力减小到该软弱地基土的承载力容许范围内，从而满足承载力要求; ②垫层置换了软弱土层，从而可以减少地基的变形量; ③当采用砂石垫层时，可以加速软土层的排水固结; ④调整不均匀地基的刚度，减少地基的不均匀变形。
二 适用范围
(1) 适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理; 当软弱土层厚度较大，不能全部挖除换填时，也可以采用换填垫层法，但必须进行地基变形以及下卧层的承载力验算。
(2) 换填垫层法适用于《建筑地基基础设计规范》GB50007 － 2002 划分的丙级建筑以及一般不重要的中小型建筑物、堆场、地坪及道路等。对于体型复杂、刚度差及对不均匀沉降敏感的建筑，以及过于松软的深厚软弱土层不宜采用浅层局部置换的换填垫层。
( 3) 较深的软弱土层，基坑开挖过深，常因地下水位高，需要采用降水措施; 坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护; 处理工程费用高、工期长、对环境的影响大等，换填垫层法的处理深度通常控制在3 m以内较为经济，也不宜小于0. 5 m。
三 换填垫层的设计方案
1 设计前的勘察和调研
(1) 查明处理场地的地层构成及土的物理力学性质;查明不良地质现象和软弱土层范围及深度。
( 2) 查明地下水的埋藏条件、水位深度及变化、侵蚀性等。
( 3) 查明换填土的来源、种类、规格、价格等，采用粉煤矿灰、矿渣、工业废渣时应查明其化学成分及其对环境的影响等。
2砂石垫层材料的选用及配比确定
垫层材料应选用级配良好,质地坚硬的中粗砂和碎石,石子粒径不大于50mm,不含植物残体、垃圾等杂质,含泥量(<0.lmm颗粒含量)不宜大于3%。砂石配比应经试验确定。施工前初步确定3:7.4:6.5:5三种配比,选用10-30mm:20-30mm;30-70mm三种规格的碎石及砂料,分6组饱和、非饱和大型压缩试验,14组最大,最小密度试验。从试验结果看,以4:6比例的配合料比较优越,其最大、最小密度比较高,其压缩变形量、单位沉降量较小。因此选用砂石比例4,6为设计配合比,其中碎石根据当时材料供应,选用5-20mm,20-40mm,40-60mm三种粒径含量分别为碎石总量的9%,20%,71%。
3 设计计算
3. 1 设计步骤及基本要求
垫层设计应满足建筑地基的承载力和变形要求: ①垫层能换除基础下直接承受建筑荷载的软弱土层，代之以能满足承载力要求的垫层; ②荷载通过垫层的应力扩散，使下卧层顶面受到的压力满足小于或等于下卧层承载力的条件; ③基礎持力层被低压缩性的垫层置换，能大大减少基础的沉降量。因此，合理确定垫层厚度是垫层设计的主要内容。通常根据土层的情况及设计要求确定需要换填的深度，对于浅层软弱土厚度不大的工程，应置换掉全部软土，当软弱土层厚度较大时，应根据下卧层土的承载力确定。
3. 2 垫层厚度的确定
垫层厚度应根据需要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,其中 pz为相应于荷载效应标准组合时垫层底面处的附加压力值，kPa; pcz为垫层底面处土的自重压力值，kPa; faz为垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。
3. 3 垫层底面宽度的确定
垫层底面宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定:b'≥b + 2ztgθ式中 b 为基础底面的宽度，m；b'为垫层底面宽度，m; z 为基础底面下垫层的厚度，m；θ 为压力扩散角。
4.换填垫层的施工
4. 1 施工要点
4. 1. 1 基坑开挖
土方开挖前应检查定位放线、排水和降低地下水位工作( 应降至垫层底面以下0. 5 m) ，并应采取措施防止基坑土体扰动及保证边坡的稳定。
4. 1. 2 填料配制
人工配制的垫层材料应拌制均匀，并应检查填料的配比及施工含水量，雨季及冬季施工应做好防雨及防冻措施。
4. 1. 3 垫层施工
( 1) 铺筑垫层前，应先验槽，检查垫层底面的土质、标高、尺寸及轴线位置。
( 2) 垫层施工应根据换填材料选择施工机械。粉质
黏土、灰土宜采用平碾、振动碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯; 砂石等宜用振动碾、平板振动器、蛙式夯; 矿渣宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。
( 3) 为获得最佳夯压效果，宜采用垫层最优含水量作为施工控制含水量，粉质黏土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在最优含水量ωop ± 2% 的范围内; 粉煤灰垫层不应采用浸水饱和施工法，施工含水量宜控制在 ωop ±4% 的范围内; 对于砂石料则可根据施工方法不同，按经验控制适宜的施工含量水量，即用平板振动器时可取 15%～ 20% ，当用平碾或蛙式夯时可取 8% ～ 12% ，当用插入式振动器时宜为饱和。对于碎石及卵石应充分浇水湿透后夯实。
( 4) 垫层施工应分层进行。分层铺填厚度、每层压实遍数等宜通过试验确定。除接触下卧软土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取 0. 2 ～0. 3 m。为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度。
4. 2 施工注意事项
(1) 基坑开挖时应避免坑底土层受扰动，可保留约0. 2 m厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再挖至设计标高并随即用换填材料铺填。
(2) 垫层施工时必须做好边坡防护，防止边坡坍入垫层。
(3) 换填垫层施工应注意基坑排水，除采用水撼法施工垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采取降低地下水位的措施。
(4) 垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，基坑底土面应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。
(5) 粉质黏土及灰土垫层分段施工时，不得在柱基、墙角及承重窗间墙下接缝。上下两层的缝距≥0. 5 m。接缝处应夯压密实。灰土应拌和均匀并应当日铺填夯压。垫层竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。
参考文献：
［1］ JGJ 79 －2002，建筑地基处理技术规范［S］.
［2］ 龚晓南 . 地基处理手册［R］. 北京: 中国建筑工业出版社，2009. 46 －67.