第3章 换土垫层法
? 基底换填 ? 0.6m
灰土垫层施工检验
铺设砂垫层
天津港开发区
抽检砂垫层
路
基
填 土
平整砂垫层
地下室底板下的砂垫层、砼垫层、防水层及砼保护层
基础灰土垫层施工阶段
3.1 概述
定义：当软弱土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，将基础底 面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然 后分层换填强度较大，压缩性能好的岩土材料（砂、 碎石、矿渣、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其 它性能稳定、无侵蚀性等材料（土工格栅），并压 （碾、夯、振）实至要求的密实度，并形成垫层。
? 换土垫层法包括：低洼地域筑高和堆填筑高 ? 优点：就地取材、施工简单、机械设备简单、工期短、造价低。 ? 处理深度：3~5m 以内。
3.1.1 加固机理和适用范围
加固机理： 换填、振密、应力扩散。 种类： 砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、
灰土垫层、二灰垫层、矿渣垫层和粉煤灰垫层、土工合 成材料加碎石垫层等。
(3)加速软弱土层的排水固结。建筑物的不透水基础直接与软弱土层相 接触时，在荷载的作用下，软弱土层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，可以 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。
（二）素土施工要点 1．基坑（槽）在铺设素（灰）土前必须先进行验槽。 2．碾压前土料的含水率应接近最优含水率。 3．灰土应 拌和均匀 ，拌好后应 及时铺好压实 ，灰土压实 后3天内不能受水浸泡。 4．灰土的 虚铺厚度 ，可根据不同的施工方法按下表选用 。每层灰土的夯打遍数，应根据设计要求的干密度在现 场试验确定。
(4)防止冻胀。因为粗颗粒的垫层材料孔隙大，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。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。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垫层以消除胀缩作用，但垫层厚度应依 据变形计算确定，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度， 而基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。
3.2 垫层作用机理
当粘性土的土样含水量较小时，其粒间引力较大，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
振 密
土粒相对移动，这时压实效果就比较差。当增大土样含水
机
量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实
理
功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好。
但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自
轮碾压分类
施工机械
? 振动碾碾压法： 机械碾压法是采用各种压实机械来压实地基土。 此法常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程。
工程实践中，对垫层碾压质量的检验，要求获得填土最大干 密度。其关键在于施工时控制每层的铺设厚度和最优含水量，其 最大干密度和最优含水量宜采用击实试验确定。所有施工参数 （如施工机械、铺填厚度、碾压遍数、与填筑含水量等）都必须 由工地试验确定。在施工现场相应的压实功能下，由于现场条件 终究与室内试验不同，因而对现场应以压实系数与施工含水量进 行控制。
(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它填筑材料代替软弱的土，可提高地基 的承载力，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50%左右。如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱 土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它垫层对应力的 扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，这样也会相应减少下卧 层土的沉降量。
1）垫层需分层铺填，并分层密实。分层厚度20~30cm。 2）根据不同的换填材料选用不同的施工机械：
砂石垫层宜采用振动碾碾压； 粉煤灰垫层宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯等碾压方法密实； 灰土垫层宜采用平碾、振动碾等方法密实。
蛙式打夯机
平板振动碾
手推打夯机
静压路机
单钢轴振动碾压机
双钢轴振动碾压机
地基承载力修正 faz ? fa ? hb? (b ? 3) ? h d ?m (d ? 0.5)
土的 类别 淤泥和淤泥质土 人工填土，或e或者大于等于0.85的粘土
hb
hd
0
1.0
0
1.0
红粘土 含水比大于0.8
0
1.2
含水比小于等于0.8
0.15
1.4
填土 压实系数大于0.95、粘粒含量大于10％的粉土 0
破坏的软弱土层；
（3）垫层上、下平面尺寸，要满足应力扩散要求和砂垫层不
发生水平挤出
b 基础 回填土
p
D
?
pcz
$ $ $ $$
pcz
pz
pz
$
b+2z tan ?
B
垫层设计示意图
z 垫层
垫层厚度 z，可根据下卧土层承载力确定，应符
合地基承载力验算要求
p z ? p cz ? f az
式中 p z－垫层底面处的附加压力（ kPa ） p cz －垫层底面处的自重压力（ kPa ） faz－垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值
适用范围： 适用于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》(JGJ79-2012)
3.1.2 垫层的作用
(1) 提高地基承载力。 (2) 减少沉降量。 (3) 加速软弱土层的排水固结。 (4) 防止冻胀。 (5) 消除膨胀土的胀缩作用。 (6) 消除湿陷性黄土的湿陷作用 (7) 局部换填处理暗浜和暗沟
S ? Sm? Sg
Sm 计算中，应力可取垫层顶面和底面压力的平均值。一 般砂垫层Es=20 ?30MPa ；粉煤灰则Es=8 ? 20MPa ，碎石、卵 石为30 ?50MPa 。无论是地基还是垫层，其沉降计算均可传统 分层总和法计算。
3.4 施工
施工包括：（1）开挖换土；（2）铺填垫层。
（1）开挖换土：应注意避免坑底土层的扰动，应采用干挖土法。 （2）铺填垫层：
B ? b ? 2 ?ztg?
式中 B——垫层底面宽度(m)；
θ——垫层的压力扩散角（°）， 可按表3.2采用；当 z / b ? 0.25时，则按z / b＝0.25取值
垫层顶面（基础底面）每边宜超出基础边缘不少于30cm或 从垫层底面两侧向上，按当地基础开挖经验放坡。
4. 沉降计算
一般垫层地基的沉降仅考虑下卧层（垫层下地基 土）的变形，但对于沉降要求较严或垫层较厚的情况， 地基沉降S，包括垫层本身压缩沉降Sm和下卧层沉降Sg， 即
? 平板振动法： 平板振动法是使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少、 透水性较好的松散杂填土地基的一种方法。 振动压实的效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，
效果越好，但振动时间超过某一值后，振动引起的下沉基本稳定，再继续振动 就不能起到进一步压实的作用。为此，需要施工前进行试振，得出稳定下沉量 和时间的关系。对主要由炉渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾，振动时间约在 1mim 以上；对含炉灰等细粒填土，振动时间约为3～5mim ，有效振实深度为 1.2 ～1.5m 。
种类： 砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、
灰土垫层、二灰垫层、矿渣垫层和粉煤灰垫层、土工合 成材料加碎石垫层等。
2. 垫层厚度（z）
换填法设计主要是
回填土
d
垫层厚度 z（0.5~3m）和宽度 B。
b ? ?z
原则：
B= b+2ztg?
（1）各种材料垫层设计，近似按砂垫层计算方法进行设计
（2）砂垫层垫层厚度 z，要求有足够深度，以置换可能被剪切
振实范围应从基础边缘放出0.6m 左右，先振基槽两边，后振中间，其振动 的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格，并辅以轻便触探试验检验其 均匀性及影响深度。振实后地基承载力宜通过现场载荷试验确定。一般经振实 的杂填土地基承载力可达100 ～120kPa 。
施工要点
（一）砂石垫层施工要点 1．碾压、密实； 2．人工配置级配的砂石应拌和均匀； 3．用碎石或卵砾石作垫层材料时，基坑底部要先铺填 150 ～300mm 厚的砂垫层，并用木夯夯实，不得使用振捣 器，以防下部软弱土层表面受到局部破坏。如果淤泥或 淤泥质土层厚度较小，可采用抛石挤淤处理； 4．基坑开挖施工时及施工后均严禁扰动软弱下卧层； 5．垫层铺填前，应做好验槽工作；
（四）干渣垫层施工要点
1．干渣垫层压实可采用碾压法或平板振动法。
θ－垫层材料的压力扩散角，在缺少资料时，可按表3.2 选用。
表3.2 垫层材料压力扩散角 θ（°）
换填材料 中、粗砂、砾石、卵
z/b
石、碎石
粘性土和粉土 (8<Ip<14)
灰土
0.25
20
≥0.50
30
6 28
23
注：当时z/b<0.25，除灰土取θ=28o外，其余材料θ=0o； 当0.25<z/b<0.5时，θ可由内插法求得。
表 11－7
灰土的压实方法和虚铺厚度
项次 夯实机具种类 夯具重量（ t） 虚铺厚度（cm ）
备注
1 石 夯 、 木 夯 0.04 ～0.08
20～25
人力夯打，落高 40～50cm
2 轻型夯实机械
－
20～25
蛙式（柴油）打夯机
3压路 机
6～10
20～30
双轮压路机或三轮压路机
5．在地下水位以下的基坑施工时，应采取排水措施。 6．垫层分段施工时，不能在桩基、墙角及承重墙下接 缝，接缝处上下两层的缝距不能大于 500mm ，接缝处应 夯压密实。 7．垫层施工结束后及时进行基础施工和基坑回填。