用垫层法处理地基

垫层法是将基础底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层填入强度较大的砂、碎石、素土、灰土以及其它性能稳定和无侵蚀性的材料，并夯实（或振实）至要求的密实度。

垫层法分类

1.按垫层材料分类：砂垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层、加筋土垫层等。

2.按垫层所起作用分类：换土垫层、排水垫层、加筋土垫层。

垫层法适用条件：适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理，且建筑物荷载不太大的地基。换填法的处理深度通常宜控制在3m以内较为经济合理，但不应小于0.5m。

垫层的作用

在各类工程中，垫层所起的主要作用有时是不同的，如建筑物基础下的垫层主要是起换土作用；而在路堤和土坝等工程，主要是利用垫层起排水固结作用。

1. 换土垫层

（1）提高地基承载力

地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并随着基底压力的增大而逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂或其它填筑材料代替软弱土层，就可提高持力层承载力，从而避免地基破坏。

（2）减少地基沉降量

基础下地基浅层部分的应力较大，其沉降量一般在地基总沉降中所占的比例也较大，若以密实的砂或密实填筑材料代替浅层软弱土，就可减少地基的大部分沉降量。另外，由于密实垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层上的压力较小，因此也相应减少了下卧土层的沉降量。

（3）加速软弱土层的排水固结

由于砂或碎石等垫层材料的透水性大，当软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，使基础下面的孔隙水压力得以迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结，从而提高地基土强度。

2. 排水垫层

排水垫层是指软土地基上堤坝或大面积堆载基底等所铺设的水平排水层，一般采用透水性良好的中粗砂或碎石填筑，必要时在垫层底和上表面增设具有反滤性能的土工合成材料，防止砂石垫层被淤堵和拉裂。

其主要作用为：

（1）作为水平排水层和下卧软土层的排水通道，加速地基的排水固结，提高浅层地基的抗剪强度，配合砂井，加固深部软土层；

（2）约束软弱下卧层的侧向变形，提高地基的稳定性，并改善其变形性质。

3. 加筋土垫层

加筋土垫层是指由砂、石和素土垫层中增设各种类型加筋材料组成的复合垫层。如加筋土垫层、土工格室垫层等。

其主要作用有以下三个方面：

（1）扩散应力，使压缩应力分布均匀；

（2）增强砂石垫层的整体性和刚度，减小不均匀沉降；

（3）约束软弱土的侧向变形。

换土垫层的设计

主要内容：垫层材料的选用、厚度的确定、垫层铺设范围以及地基沉降计算等。

一、垫层材料选用

垫层材料：砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、矿渣、加筋土等。

选用原则：因地制宜根据工程的具体条件合理选用。

二、砂垫层厚度及宽度的确定

三.沉降计算

对于碎石、卵石、砂夹石、砂和矿渣等粗粒换填材料的垫层由于在施工期间垫层自身的压缩变形已基本完成，且量值很小，因而在地基变形计算中，可以忽略该部分；但对于细粒材料，尤其是厚度较大的换填垫层，则应计入垫层自身的变形。

s1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。

基础灰土垫层施工

1. 厚度确定

软土地基上土垫层厚度的确定与砂垫层相同。

（1）对非自重湿陷性黄土地基上的垫层厚度应保证天然黄土层所受的压力小于其湿陷起始压力值。

（2）对自重湿陷性黄土地基上，垫层厚度应大于非自重湿陷性黄土地基上垫层的厚度，或控制剩余湿陷量不大于20cm才能取得好的效果。

2.宽度确定

按照处理范围素土垫层或灰土垫层可分为局部垫层和整片垫层。

（1）局部垫层：一般设置在矩形（或方形）基础或条形基础底面下，其平面处理范围，每边超出基础底面的宽度不应小于垫层厚度的一半。

（2）整片垫层：一般设置在整个建筑物（跨度大的工业厂房除外）的平面范围内。每边超出建筑物墙基础外缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不得小于2m。

粉煤灰垫层

1.化学性质

粉煤灰和天然土中的化学成分具有很大的相似性，具有火山灰的特性，在潮湿条件下具有凝硬性，与二氧化硅，三氧化二铝等物质进行水化反应，生成水化产物，使碾压密实的粉煤灰颗粒胶结固化形成块状结构，可提高粉煤灰的强度，降低压缩变形，增强抗渗性和水稳定性。

2.物理性质

粉煤灰的压实曲线与粘性土相似，具有相对较宽的最优含水量区间，其干密度对含水量的敏感性比粘性土小，最优含水量易于控制。

垫层施工

一、土的压实机理

土一般由固体颗粒、水、空气组成。土中固、液、气三相组成的比例反映干湿、密实程度，对评价土的工程性质有重要意义，是垫层压实参数选择的依据。

实践证明，要使土的压实效果最好，其含水量一定要适当。对过湿的土进行碾压会出现“橡皮土”，不能增大土的密实度。对很干的土进行碾压，也不能把土充分压实。

1.最优含水量

在干密度——含水量曲线上干密度的峰值即为最大干密度，与之对应的含水量即为最优含水量。

2.干密度——含水量曲线的物理意义

（1）当粘性土的含水量较小时，水化膜很薄，以结合水为主，颗粒间引力大，在一定的外部压实功作用下，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差，土的干密度较小；

（2）当增加土的含水量时，结合水膜逐渐增厚，颗粒间引力减弱，土粒在相同的压实功能下易于移动而挤密，压实效果提高，土的干密度也随之提高；

（3）当土中含水量增大到一定程度后，孔隙中开始出现自由水，结合水膜的扩大作用并不明显，颗粒间引力很弱，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，并随着含水量的继续增大，移动阻力逐渐增大，压实效果反而下降，土的干密度随之减少。

3. 土的压实系数λc

二、垫层施工方法

机械碾压法、重锤夯实法和振动压实法三种。

（一）机械碾压法

机械碾压法是采用压路机、推土机、羊足碾、振动碾或其它压实机械来压实软弱地基土或分层填土垫层。常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的工程。

施工步骤:

1.将拟建范围内一定深度内的软弱土挖出至设计要求；

2.将底部土体碾压加固；

3.分层填筑，逐层加密。

施工参数：如施工机械、铺筑厚度、碾压遍数与填筑含水量等由工地试验确定。

为保证有效压实质量，碾压速度要有所控制，平碾控制在2.0km/h，羊足碾控制在3.0km/h，振动碾控制在2.0km/h。

碾压法对表层地基加固深度一般可达2~3m。一般粘性土经表层压实处理，其地基承载力可达80~100kPa。

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