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什么是換填墊層法
換填法是將基礎(chǔ)地面以下一定范圍內(nèi)的軟弱土挖去，然后回填強(qiáng)度高，壓縮性較低，并且沒(méi)有侵蝕性的材料的方法。那么換填墊層法又是怎么樣的呢?
換填墊層法
1.1 基本概念
當(dāng)建筑物基礎(chǔ)下的持力層比較軟弱、不能滿足上部結(jié)構(gòu)荷載對(duì)地基的要求時(shí)，常采用換填土墊層來(lái)處理軟弱地基。即將基礎(chǔ)下一定范圍內(nèi)的土層挖去，然后回填以強(qiáng)度較大的砂、砂石或灰土等，并分層夯實(shí)至設(shè)計(jì)要求的密實(shí)程度，作為地基的持力層。換填法適于淺層地基處理，處理深度可達(dá)2～3米。在飽和軟土上換填砂墊層時(shí)，砂墊層具有提高地基承載力，減小沉降量，防止凍脹和加速軟土排水固結(jié)的作用。
工程實(shí)踐表明，在合適的條件下，采用換填墊層法能有效地解決中小型工程的地基處理問(wèn)題。本法的優(yōu)點(diǎn)是：可就地取材，施工方便，不需特殊的機(jī)械設(shè)備，既能縮短工期，又能降低造價(jià)，因此，得到較為普遍的應(yīng)用。
1.2 適用范圍
換填法適用于淤泥、淤泥質(zhì)土、濕陷性黃土、素填土、雜填土地基及暗溝、暗塘等淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。但在用于消除黃土濕陷性時(shí)，尚應(yīng)符合國(guó)家現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定。在采用大面積填土作為建筑地基時(shí)，應(yīng)符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007)的有關(guān)規(guī)定。
換填時(shí)應(yīng)根據(jù)建筑體型、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、荷載性質(zhì)和地質(zhì)條件，并結(jié)合施工機(jī)械設(shè)備與當(dāng)?shù)夭牧蟻?lái)源等綜合分析，進(jìn)行換填墊層的設(shè)計(jì)，選擇換填材料和夯壓施工方法。
1.3 加固機(jī)理
(1)置換作用。將基底以下軟弱土全部或部分挖出，換填為較密實(shí)材料，可提高地基承載力，增強(qiáng)地基穩(wěn)定。
(2)應(yīng)力擴(kuò)散作用。基礎(chǔ)底面下一定厚度墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，可減小墊層下天然土層所受的壓力和附加壓力，從而減小基礎(chǔ)沉降量，并使下臥層滿足承載力的要求。
(3)加速固結(jié)作用。用透水性大的材料作墊層時(shí)，軟土中的水分可部分通過(guò)它排除，在建筑物施工過(guò)程中，可加速軟土的固結(jié)，減小建筑物建成后的工后沉降。
(4)防止凍脹。由于墊層材料是不凍脹材料，采用換土墊層對(duì)基礎(chǔ)地面以下可凍脹土層全部或部分置換后，可防止土的凍脹作用。
(5)均勻地基反力與沉降作用。對(duì)石芽出露的山區(qū)地基，將石芽間軟弱土層挖出，換填壓縮性低的土料，并在石芽以上也設(shè)置墊層；或?qū)τ诮ㄖ锓秶鷥?nèi)局部存在松填土、暗溝、暗塘、古井、古墓或拆除舊基礎(chǔ)后的坑穴，可進(jìn)行局部換填，保證基礎(chǔ)底面范圍內(nèi)土層壓縮性和反力趨于均勻。
因此，換填的目的就是：提高承載力，增加地基強(qiáng)度；減少基礎(chǔ)沉降；墊層采用透水材料可加速地基的排水固結(jié)。
1.4 墊層設(shè)計(jì)
1.4.1 墊層材料
(1)砂石。宜選用碎石、卵石、角礫、原礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑(粒徑小于2 mm的部分不應(yīng)超過(guò)總重的45%)，應(yīng)級(jí)配良好，不含植物殘?bào)w、垃圾等雜質(zhì)。當(dāng)使用粉細(xì)砂或石粉(粒徑小于0.075mm的部分不應(yīng)超過(guò)總重的9%)時(shí)，應(yīng)摻人不少于總重30%的碎石或卵石。最大粒徑不宜大于50mm。對(duì)濕陷性黃土地基，不得選用砂石等滲水材料。
(2)粉質(zhì)黏土。土料中有機(jī)質(zhì)含量不得超過(guò)5%，亦不得含有凍土或膨脹土。當(dāng)含有碎石時(shí)，其粒徑不宜大于50mm。用于濕陷性黃土地基或膨脹土地基的粉質(zhì)黏土墊層，土料中不得夾有磚、瓦和石塊。
(3)灰土。體積配合比宜為2：8或3：7。土料宜用粉質(zhì)黏土，不得使用塊狀黏土和砂質(zhì)粉土，不得含有松軟雜質(zhì)，并應(yīng)過(guò)篩，其顆粒不得大于15 mm。石灰宜用新鮮的消石灰，其顆粒不得大于5mm。
(4)粉煤灰�？捎糜诘缆贰⒍褕�(chǎng)和小型建筑、構(gòu)筑物等的換填墊層。粉煤灰墊層上宜覆土0.3~0.5m。粉煤灰墊層中采用摻加劑時(shí)，應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定其性能及適用條件。作為建筑物墊層的粉煤灰應(yīng)符合有關(guān)放射性安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。粉煤灰墊層中的金屬構(gòu)件、管網(wǎng)宜采取適當(dāng)防腐措施。大量填筑粉煤灰時(shí)應(yīng)考慮對(duì)地下水和土壤的環(huán)境影響。
(5)礦渣。墊層使用的礦渣是指高爐重礦渣，可分為分級(jí)礦渣、混合礦渣及原狀礦渣。礦渣墊層主要用于堆場(chǎng)、道路和地坪，也可用于小型建筑、構(gòu)筑物地基。選用礦渣的松散重度不小于11 kN/m3，有機(jī)質(zhì)及含泥總量不超過(guò)5%。設(shè)計(jì)、施工前必須對(duì)選用的礦渣進(jìn)行試驗(yàn)，在確認(rèn)其性能穩(wěn)定并符合安全規(guī)定后方可使用。作為建筑物墊層的礦渣應(yīng)符合對(duì)放射性安全標(biāo)準(zhǔn)的要求。易受酸、堿影響的基礎(chǔ)或地下管網(wǎng)不得采用礦渣墊層。大量填筑礦渣時(shí)，應(yīng)考慮對(duì)地下水和土壤的環(huán)境影響。
(6)其他工業(yè)廢渣。在有可靠試驗(yàn)結(jié)果或成功工程經(jīng)驗(yàn)時(shí)，對(duì)質(zhì)地堅(jiān)硬、性能穩(wěn)定、無(wú)腐蝕性和放射性危害的工業(yè)廢渣等均可用于填筑換填墊層。被選用工業(yè)廢渣的粒徑、級(jí)配和施工工藝等應(yīng)通過(guò)試驗(yàn)確定。
(7)土工合成材料。由分層鋪設(shè)的土工合成材料與地基土構(gòu)成加筋墊層。所用土工合成材料的品種與性能及填料的土類應(yīng)根據(jù)工程特性和地基土條件，按照現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《土工合成材料應(yīng)用技術(shù)規(guī)范》(GB 50290—98)的要求，通過(guò)設(shè)計(jì)并進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)后確定。
作為加筋的土工合成材料應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度較高、受力時(shí)伸長(zhǎng)率不大于4%～5%、耐久性好、抗腐蝕的土工格柵、土工格室、土工墊或土工織物等土工合成材料；墊層填料宜用碎石、角礫、礫砂、粗砂、中砂或粉質(zhì)黏土等材料。如工程要求墊層具有排水功能時(shí)，墊層材料應(yīng)具有良好的透水性.
1.4.3 墊層的寬度
墊層底面的寬度應(yīng)滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴(kuò)散的要求，并且要考慮墊層側(cè)面土的側(cè)向支承力來(lái)確定，因?yàn)榛A(chǔ)荷載在墊層中引起的應(yīng)力使墊層有側(cè)向擠出的趨勢(shì)，如果墊層寬度不足，四周土又比較軟弱，墊層有可能被壓潰而擠入四周軟土中去，使基礎(chǔ)沉降增大。
墊層底面寬度可按下式計(jì)算并根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定：
b≥b+2ztanθ 1-4
式中：b為墊層底面寬度；θ為墊層的壓力擴(kuò)散角，可按表1-1采用，當(dāng)z/b<0.25時(shí)，仍按表中z/b=0.25取值。
整片墊層的寬度可根據(jù)施工的要求適當(dāng)加寬。墊層頂面每邊宜超出基礎(chǔ)底邊不小于 300mm，或從墊層底面兩側(cè)向上按當(dāng)?shù)亻_(kāi)挖基坑經(jīng)驗(yàn)的要求放坡。
1.5 墊層的承載力
墊層的承載力宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定，并應(yīng)進(jìn)行軟弱下臥層驗(yàn)算，驗(yàn)算下臥層的承載力是否滿足要求。按現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50007)劃分安全等級(jí)為三級(jí)的建筑及一般不太重要的、小型、輕型或?qū)Τ两狄蟛桓叩墓こ�，在無(wú)試驗(yàn)資料或經(jīng)驗(yàn)時(shí)，當(dāng)施工達(dá)到表1-2規(guī)定的壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn)后，可以參考表1-3所列的承載力特征值取用。
1.6 沉降計(jì)算
軟黏土分布地區(qū)的大量建筑物沉降觀測(cè)及工程經(jīng)驗(yàn)表明，采用換填墊層進(jìn)行局部處理后，當(dāng)墊層下還存在軟弱下臥層時(shí)，由于下臥層的變形，建筑物地基往往還會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的沉降量和差異沉降量。類似地，即使采用水泥土攪拌樁復(fù)合地基，當(dāng)樁端以下存在軟弱土層時(shí)，仍有較多建筑物發(fā)生了較大的沉降，由此，對(duì)豎向承載的攪拌樁，《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》(JGJ79-2002)規(guī)定，其長(zhǎng)度除應(yīng)根據(jù)承載力和變形的要求確定外，尚宜穿透軟弱土層到達(dá)承載力相對(duì)較高的土層。采用砂石樁法、高壓噴射注漿法等方法處理的地基均有類似規(guī)定。
因此，對(duì)于重要的建筑或墊層下存在軟弱下臥層的建筑，還應(yīng)進(jìn)行地基變形計(jì)算。并且，對(duì)墊層下存在軟弱下臥層的建筑，在進(jìn)行地基變形驗(yàn)算時(shí)應(yīng)考慮鄰近基礎(chǔ)對(duì)軟弱下臥層頂面應(yīng)力疊加的影響。對(duì)超出原地面標(biāo)高的墊層或換填材料的重度高于天然土層重度的墊層，宜早換填并應(yīng)考慮其附加的荷載對(duì)建筑及鄰近建筑的影響。
換填墊層地基的變形由墊層自身變形和下臥層變形組成。對(duì)粗粒換填材料，由于在施工期間墊層的自身壓縮變形已基本完成，且變形值很小，因此，對(duì)碎石、卵石、砂夾石、礦渣和砂墊層，當(dāng)換填墊層厚度、寬度及壓實(shí)程度均滿足設(shè)計(jì)及相關(guān)規(guī)范的要求后，一般可不考慮墊層自身的壓縮量而僅計(jì)算下臥層的變形。
當(dāng)建筑物對(duì)沉降要求嚴(yán)格，或換填材料為細(xì)粒材料且墊層厚度較大時(shí)，尚應(yīng)計(jì)算墊層自身的變形。墊層的模量應(yīng)根據(jù)試驗(yàn)或當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定。在無(wú)試驗(yàn)資料或經(jīng)驗(yàn)時(shí)，可參照表1-4選用。 表1-4 墊層模量
模量墊層材料 壓縮模量ES(Mpa) 變形模量E0(Mpa)
粉煤灰 8~20
砂 20~30
碎石、卵石 30~50
礦渣 35~70
1.7 墊層施工
1.施工機(jī)械
(1)粉質(zhì)黏土與灰土：宜采用平碾、振動(dòng)碾或羊足碾，中小型工程也可采用蛙式夯、柴油夯。
(2)砂石：宜用振動(dòng)碾。
(3)粉煤灰：宜采用平碾、振動(dòng)碾、平板振動(dòng)器、蛙式夯。
(4)礦渣：宜采用平碾振動(dòng)器或平碾、蛙式夯。
2.施工方法、分層鋪填厚度、每層壓實(shí)遍數(shù)
宜通過(guò)試驗(yàn)確定。除接觸下臥軟土層的墊層底層應(yīng)根據(jù)施工機(jī)械設(shè)備及下臥層土質(zhì)條件的要求具有足夠的厚度外，一般情況下，墊層的分層鋪填厚度可取200~300mm。為保證分層壓實(shí)質(zhì)量，應(yīng)控制機(jī)械碾壓速度。
含水量控制
粉質(zhì)黏土和灰土墊層土料的施工含水量宜控制在最優(yōu)含水量Wop±2%的范圍內(nèi)，粉煤灰墊層的最優(yōu)含水量宜控制在最優(yōu)含水量Wop±4%的范圍內(nèi)。最優(yōu)含水量可通過(guò)擊實(shí)試驗(yàn)確定，也可按當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)取用。
4.其他施工要點(diǎn)
(1)當(dāng)墊層底部存在古井、古墓、洞穴、舊基礎(chǔ)、暗塘等軟硬不均的部位時(shí)，應(yīng)根據(jù)建筑對(duì)不均勻沉降的要求予以處理，并經(jīng)檢驗(yàn)合格后，方可鋪填墊層。
(2)基坑開(kāi)挖時(shí)應(yīng)避免坑底土層受擾動(dòng),可保留約200mm厚的土層暫不挖去。嚴(yán)禁擾動(dòng)墊層下臥層的淤泥或淤泥質(zhì)土層，防止其被踐踏、受凍或受浸泡。在碎石或卵石墊層底部宜設(shè)置150~300mm厚的砂墊層或鋪設(shè)一層土工織物，以防止淤泥或淤泥質(zhì)土層表面的局部破壞。
(3)墊層底面宜設(shè)在同一標(biāo)高上，如深度不同，基坑底上面應(yīng)挖成階梯或斜坡搭接，并按先深后淺的順序進(jìn)行墊層施工，并按先深后淺的順序進(jìn)行墊層施工，搭接處應(yīng)夯砸密實(shí)。
(4)粉質(zhì)黏土及灰土墊層分段施工時(shí)，不得在柱基、墻角及承重窗間墻下接縫。上下兩層的縫距不得小于500mm。接縫處應(yīng)夯壓密實(shí)。
(5)灰土應(yīng)拌和均勻并應(yīng)當(dāng)日鋪填夯壓�；彝梁粔好軐�(shí)后3d內(nèi)不得受水浸泡。粉煤灰墊層鋪填后宜當(dāng)天壓實(shí)，每層驗(yàn)收后應(yīng)及時(shí)鋪填上層或封層，防止干燥后松散起塵污染，同時(shí)應(yīng)禁止車輛通行。墊層竣工后，應(yīng)及時(shí)進(jìn)行基礎(chǔ)施工與基坑回填。
(6)鋪設(shè)土工合成材料時(shí)，下鋪地基土層頂面應(yīng)平整，防止土工合成材料被刺穿、頂破。鋪設(shè)時(shí)應(yīng)把土工合成材料張拉平直、繃緊，嚴(yán)禁有褶皺；端頭應(yīng)固定或回折錨固；切忌曝曬或裸露；連接宜用搭接法、縫接法和膠結(jié)法，并均應(yīng)保證主要受力方向的聯(lián)結(jié)強(qiáng)度不低于所采用材料的抗拉強(qiáng)度。
1.8 質(zhì)量檢驗(yàn)
1.施工質(zhì)量檢驗(yàn)
對(duì)粉質(zhì)黏土、灰土、砂墊層和砂石墊層可用環(huán)刀法、貫人儀、靜力觸探、輕型動(dòng)力觸探或標(biāo)準(zhǔn)貫人試驗(yàn)檢驗(yàn)，對(duì)砂墊層、礦渣墊層可用重型動(dòng)力觸探檢驗(yàn)。并均應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)以設(shè)計(jì)壓實(shí)系數(shù)所對(duì)應(yīng)的貫人度為標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)墊層的施工質(zhì)量。壓實(shí)系數(shù)的檢驗(yàn)可采用環(huán)刀法、灌砂法或其他方法。
墊層的質(zhì)量檢驗(yàn)必須分層進(jìn)行。每夯壓完一層，應(yīng)檢驗(yàn)該層的平均壓實(shí)系數(shù)。當(dāng)壓實(shí)系數(shù)符合設(shè)計(jì)要求后，才能鋪填上層土。
當(dāng)采用環(huán)刀法取樣時(shí)，取樣點(diǎn)應(yīng)位于每層厚度的2/3深度處。檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)量，對(duì)大基坑每50～100m2應(yīng)不少于1個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)；對(duì)基槽每10~20m應(yīng)不少于1個(gè)點(diǎn)，每個(gè)單獨(dú)柱基應(yīng)不少于1個(gè)點(diǎn)。當(dāng)采用貫人儀或動(dòng)力觸探檢驗(yàn)墊層的施工質(zhì)量時(shí)，每分層檢驗(yàn)點(diǎn)的間距應(yīng)小于4m。
2.竣工驗(yàn)收
竣工驗(yàn)收采用載荷試驗(yàn)檢驗(yàn)墊層承載力時(shí)，每個(gè)單體工程不宜少于3點(diǎn)；對(duì)大型工程則應(yīng)按單體工程的數(shù)量或工程面積確定檢驗(yàn)點(diǎn)數(shù)。
換填墊層的作用：
�、偬岣叩鼗至拥某休d力。用于置換軟弱土層的材料，其抗剪強(qiáng)度指標(biāo)常較高，因此墊層（持力層）的承載力要比置換前軟弱土層的承載力高許多。墊層的承載力宜通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定。
�、跍p少地基的沉降量。地基持力層的壓縮量在總沉降量中所占的比例較大，由于墊層材料的壓縮性較低，因此設(shè)置墊層后總沉降量會(huì)大大減少。此外，由于墊層的應(yīng)力擴(kuò)散作用，傳遞到墊層下方下臥層上的壓力減小，也會(huì)使下臥層的壓縮量減小。
�、壅{(diào)整地基的不均勻沉降。在墊層設(shè)計(jì)中，有時(shí)會(huì)根據(jù)上部荷載的特點(diǎn)，將墊層設(shè)計(jì)成不等厚度，用來(lái)調(diào)整地基的差異沉降。此外，在山區(qū)地基中，常會(huì)遇到巖土軟硬不均的情況，這時(shí)可把出露在基底的巖石鑿去一定厚度，然后回填可壓縮的砂或素土，并分層夯實(shí)，使之與壓縮性較高的土基部位的變形相適應(yīng)。
④加速地基的排水固結(jié)。砂和砂一碎石墊層的透水性較大，可成為下臥飽和軟土的排水面，使軟土上部的孔隙水壓力較易消散，從而加速軟土的固結(jié)和軟土抗剪強(qiáng)度的提高。此外，砂和砂一碎石墊層可以防止凍脹和消除膨脹土地基的脹縮作用。在季節(jié)性凍土地區(qū)，砂土一般沒(méi)有凍脹性；而用砂墊層置換膨脹土，可以有效地避免土的脹縮。
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