换⼟垫层法本章概述
1．换⼟垫层的概念2．换⼟垫层适⽤条件3．换⼟垫层的五个作⽤4．换⼟垫层的设计5．换⼟垫层的施⼯要点6．换⼟垫层法的质量检验⽅法本章重点与难点
重点掌握换⼟垫层的概念、适⽤条件及其五个作⽤；对砂垫层厚度、宽度的设计；换⼟垫层法的质量检验⽅法。第⼆章换⼟垫层法第⼀节概述
当软弱⼟地基的承载⼒和变形满⾜不了建筑物的要求，⽽软⼟层的厚度⼜不很⼤时，将基础底⾯下处理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、灰⼟、⾼炉⼲渣、粉煤灰）或其它性能稳定、⽆侵蚀性的材料，并夯压（振实）⾄要求的密实度为⽌，这种地基处理⽅法称为换⼟垫层法（Replacement Memod）。
换⼟垫层法常⽤作为浅层处理地基的⽅法．⽽重锤夯实法、机械碾压法和振动压实法，则是换⼟垫层法中采⽤不同的压实机具对换填地基⼟进⾏夯（压、碾）实的不同施⼯⽅法。换⼟垫层法还包括低洼地域筑⾼（平整场地）或道路筑⾼（道路路基）。对回填不同材料形成的垫层，可称之为该材料垫层、如碎垫层、⼲渣垫层、和粉煤灰垫层等。
换⼟垫层的作⽤是：（1）提⾼地基承载⼒，并通过垫层的应⼒扩散作⽤，减少垫层下．天然⼟层所承受的压⼒。从⽽使地基强度满⾜要求；（2）垫层置换了软弱⼟层，从⽽可减少地基的变形量；（3）加速软⼟层的排⽔固结；（4）调整不均匀地基的刚度；（5）对湿陷性黄⼟、膨胀⼟或季节性冻⼟等特殊⼟，其⽬的主要是为了消除或部分消除地基⼟的湿陷性、胀缩性或冻胀性。
换⼟垫层法适⽤于淤泥、淤泥质⼟、湿陷性黄⼟、素填⼟、杂填⼟地基及暗沟、暗塘等地等地基⼟的浅层处理．常⽤于轻型建筑、地砰、堆料场和道路⼯程等地基处理⼯程中。
⼤⾯积填⼟产⽣的⼤范围地⾯负荷，其影响深度较⼤，地基⼟的压缩变形量⼤，沉降延续时间长，与换⼟垫层法浅层处理地基的特点不同，因⽽对⼤⾯积填⼟地基进⾏设计和施⼯时，地⾯堆载要⼒求均衡，避免⼤量、迅速、集中堆载，并应根据使⽤要求、堆载特点、结构类型和地质条件等来确定允许堆载量的⼤⼩和范围。堆载不宜压在基础上，应在基础施⼯前不少于三个⽉完成⼤⾯积填⼟施⼯。
浅层处理和深层处理很难明确划分界限，⼀般可认为地基浅层处理的范围⼤致在地⾯以下5m深度以内（有的加固⽅法可在地⾯以下达10m深）。
浅层处理⼀般使⽤较简便的⼯艺技术和施⼯设备，耗费较少量的材料，换⼟垫层法即是⼀种量⼤⾯⼴、简单、快速和经济的地基处理⽅法。第⼆节垫层设计本节概述
垫层设计时，既要使建筑地基的强度和变形满⾜要求，还应使设计符合经济合理的原则。尽管垫层地基可以采⽤不同的材料，垫层地基的变形特性则基本相似，现以砂垫层为例进⾏垫层的设计。
对砂垫层的设计，既要求垫层有⾜够的厚度，以置换可能被剪切破坏的软弱⼟层；⼜要求其有⾜够的宽度，以防⽌砂垫层向两侧挤出。砂垫层的设计⽅法有很多种，本节只介绍⼀种常⽤的⽅法。⼀、砂垫层厚度的确定
砂垫层的厚度⼀般是根据砂垫层底部软⼟层的承载⼒来确定的，即作⽤在垫层底⾯处⼟的附加应⼒与⾃重应⼒之和，不⼤于软
弱层的承载⼒设计值，如图2－1所⽰，并符合下式要求：
式中p z—垫层底⾯处的附加应⼒设计值（kPa）；p cz—垫层底⾯处⼟的⾃重应⼒标准值（kPa）；
f z—经深度和宽度修正后垫层底⾯处⼟层的基承载⼒设计值（kPa）。
图2－1垫层内应⼒分布
砂垫层底⾯处的附加应⼒，除了可以采⽤弹性理论的⼟中应⼒公式求得外，也可按应⼒扩散⾓θ进⾏简化计算：条形基础：（2－2）矩形基础：（2－3）
式中b—矩形基础或条形基础底⾯的宽度（m）；l—矩形基础底⾯的长度（m）；P—基础底⾯压⼒的设计值（kPa）；
Pc—基础底⾯处⼟的⾃重应⼒标准值（kPa）；Z—基础底⾯下垫层的厚度（m）；
θ—垫层的应⼒扩散⾓（0）。各种换填材料的应⼒扩散⾓θ值见表（2－1）。表2－1压⼒扩散⾓θ（0）
注；当z／b<0.25时，除灰⼟取θ=30°外，其余材料均取θ=0o；当0.25<÷<0.5时，θ值可内插求得。
砂垫层厚度计算时，⼀般是先根据初步拟定的厚度，再⽤公式（2－1）进⾏复核。砂垫厚度⼀般不宜⼤于3m，太厚则施⼯困难；也不宜⼩于0.5m，太薄则换⼟垫层的作⽤不明显。⼆、砂垫层宽度的确定
砂垫层的宽度既要满⾜应⼒扩散⾓晶要囊粼砂垫层侧⾯⼟的承载⼒标准值来确定。如果砂垫层宽度不⾜，当垫层四周侧⾯⼟质⼜⽐较软弱时，垫层就有可能被挤⼊四周软弱时，垫层就有可能被挤⼊四周软弱⼟层中，促使沉降增⼤。砂垫层底宽度b′（以
m计）应满⾜基础底⾯应⼒扩散的要求，可以按下式计算或根据当地经验确定。b′b⼗2ztgθ（2－4）
各种垫层的宽度在满⾜式（2－4）的前提下，在基础底⾯标⾼以下所开挖的基坑侧壁呈直⽴状态时，则垫层顶⾯⾓边⽐基础底边缘多出的宽度应不⼩于300mm；若按当地开挖基坑经验的要求，基坑须放坡开挖时，垫层的设计断⾯则呈下宽上窄的梯形。整⽚垫层的宽度可以根据施⼯要求适当加宽。
垫层的承载⼒宜通过现场试验确定，当⽆资料时，可选⽤表2－2中的数值，并应验算下卧层的承载⼒。表2－2各种垫层的承载⼒压实系数
注：1．压实系数⼩的垫层，承载⼒标准值取低值，反之取⾼值；2．重锤夯实⼟的承载⼒标准值取低值，灰⼟取⾼值；3．压实系数λ为妻的控制千密度与最⼤⼲密度的⽐值；
⼟的最⼤⼲密度采⽤击实试验确定，碎⽯或卵⽯的最⼤⼲密度可取20kN／m3～25kN／m3。
对⽐较重要的建筑物，还要验算其基础的沉降，以便使建筑物基础的最终沉降值⼩于其容许沉降值。此时沉降计算可由⼆部分组成：⼀部分是砂垫层的沉降；另⼀部分是在砂垫层下压缩层范围内的软弱⼟层的沉降。
对超出原地⾯标⾼的垫层或换填材料的密度⼤于天然⼟层密度的垫层，宜早换填并应考虑其附加的荷载对建造的建筑物及邻近建筑物的影响。
素⼟垫层或灰⼟垫层（⽯灰与⼟地体积配合⽐⼀般为2:8或3:7）总称为⼟垫层，是⼀种以⼟治⼟处理湿陷性黄⼟地基的传统⽅法，处理深度⼀般为1m～3m。由于湿陷性黄⼟地基在外荷载作⽤下受⽔浸湿后产⽣的湿陷变形，包括⼟的竖向变形和侧向挤出两部分。经载荷试验表明，若垫层宽度超出基础底⾯宽度较⼩时，防⽌浸温后的地基⼟产⽣侧向挤出的作⽤也较⼩，地基⼟的湿陷变形量仍然较⼤。因此，⼯程实践中，将垫层每边超出基础底⾯的宽度，控制在不得⼩于垫层厚度的40%以内，且不得⼩于0.5m。通过处理基底下的部分湿陷性⼟层，可以达到减⼩地基的总湿陷量，并控制未处理⼟层的湿陷量不⼤于规定值，以保证处理效果。
素⼟垫层或灰⼟垫层按垫层布置范围可分为局部垫层和整⽚垫层。在应⼒扩散⾓满⾜要求的前提下，前者仅布置在基础（单独基础、条形基础）底⾯以下⼀定范围内，⽽后者则布置于整个建筑物范围内。为了保护整个建筑物范围内垫屡下的湿陷性黄⼟不致受⽔浸湿，整⽚⼟垫层超出外墙基础外缴的宽度不宜⼩于⼟垫层的厚度，且不得⼩于1.5m。当仅要求消除基底下处理⼟层的湿陷性时，宜采⽤素⼟垫层，除了上述要求以外，还要求提⾼地基⼟的承载⼒或⽔稳性时，则宜采⽤灰⼟垫层。
经研究证实，作为燃煤电⼚废弃物的粉煤灰，也是⼀种良好的地基处理材料，由于该材料的物理、⼒学性能能满⾜地基处理⼯程设计的技术要求，致使利⽤粉煤灰作为地基处理材料已成为岩⼟⼯程领域的⼀项新技术。
粉煤灰类似于砂质粉⼟，粉煤灰垫层的应⼒扩散⾓θ=22o。粉煤灰垫层的最⼤⼲密度和最优含⽔量在设计和施⼯前，应按照《⼟⼯试验标准》（GBJ123－88）的击实试验法测定。
粉煤灰的内摩擦⾓、粘聚⼒C、压缩模量E．和渗透系数k，随粉煤灰的材料性质和压实密度⽽变化，应该通过室内⼟⼯试验确定。
粉煤灰填料因级配状况单⼀且具有遇⽔后强度降低的特点，上海地区的经验数值为：对压实系数=0.9～0.95的浸⽔粉煤灰垫层，其承载⼒标准值可采⽤120kPa～200kPa，但仍应满⾜软弱下卧层的强度与地基变形要求。当>0.90时，可以抗7度地震液化。
⼲渣（简称矿渣）亦称⾼炉重矿渣，是⾼炉冶炼⽣铁过程中所产⽣的固体废渣经⾃然冷却⽽形成的，也可以作为⼀种换⼟垫层的填料．冶⾦⼯业部已制订了相应的技术标准，如《⾼炉重矿渣应⽤暂⾏技术规程》等．
⾼炉重矿渣在⼒学性质上最为重要的特点是：当垫层压实效果符合标准时，则荷载与变形关系具有直线变形体的⼀系列特点；如果垫层压实不佳，强度不⾜，则会引起显著的⾮线性变形。
素⼠垫层或灰⼟垫层、粉煤灰垫层和⼲渣垫层的设计可以根据砂垫层的设计原则，再结合各⾃的垫层特点和场地条件与施⼯机械条件，确定合理的施⼯⽅法和选择各种设计计算参数，并可参照有关的技术和⽂献资料。
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