換填地基法的施工條件及施工方法

 換填地基法的施工條件及施工方法

換填法又稱換土法。

所謂換土法是指將路基范圍內(nèi)的軟土清除，用穩(wěn)定性好的土、石回填并壓實或夯實。在公路施工中，一般采用的是開挖換填天然砂礫,即在一定范圍內(nèi),把影響路基穩(wěn)定性的淤泥軟土用挖掘機挖除,用天然砂礫進行換置,開挖換填深度在2m以內(nèi),采用分層填筑、分層壓實、分層檢測壓實度的方法施工。從而改變地基的承載力特性，提高抗變形和穩(wěn)定能力。在換填過程中，對于換填的天然沙礫中石頭的粒徑、含量和級配也應充分考慮，最好做試驗檢測，避免無法壓實而引起沉降。

淺層處理和深層處理很難明確劃分界限，一般可認為地基淺層處理的范圍大致在地面以下5m深度以內(nèi)。淺層人工地基的采用不僅取決于建筑物荷載量值的大小，而且在更大程度上與地基土的物理力學性質(zhì)有關(guān)。地基淺層處理與深層處理相比，一般使用比較簡便的工藝技術(shù)和施工設(shè)備，耗費較少量的材料。一、原理及適用范圍折疊編輯本段　　換填法(Replacement Method、Cushion)就是將基礎(chǔ)底面以下不太深的一定范圍內(nèi)的軟弱土層挖去，然后以質(zhì)地堅硬、強度較高、性能穩(wěn)定、具有抗侵蝕性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、礦渣等材料分層充填，并同時以人工或機械方法分層壓、夯、振動，使之達到要求的密實度，成為良好的人工地基。

換土墊層與原土相比，具有承載力高、剛度大、變形小等優(yōu)點。

按換填材料的不同，將墊層分為砂墊層、砂卵石墊層、碎石墊層、灰土或素土墊層、煤渣墊層、礦渣墊層以及用其它性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料做的墊層等。

換填法適用于淺層地基處理，包括淤泥、淤泥質(zhì)土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結(jié)的吹填土等地基處理以及暗塘、暗溝等淺層處理和低洼區(qū)域的填筑。換填法還適用于一些地域性特殊土的處理，用于膨脹土地基可消除地基土的脹縮作用，用于濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性，用于山區(qū)地基可用于處理巖面傾斜、破碎、高低差，軟硬不勻以及巖溶等，用于季節(jié)性凍土地基可消除凍脹力和防止凍脹損壞等。二、墊層的作用折疊編輯本段　　1、提高地基承載力，大家知道，淺基礎(chǔ)的地基承載力與基礎(chǔ)下土層的抗剪強度有關(guān)。如果以抗剪強度較高的砂或其它填筑材料代替較軟弱的土，可提高地基的承載力，避免地基破壞。

2、減少沉降量，一般地基淺層部分的沉降量在總沉降量中所占的比例是比較大的。以條形基礎(chǔ)為例，在相當于基礎(chǔ)寬度的深度范圍內(nèi)的沉降量約占總沉降量的50%左右。加以密實砂或其它填筑材料代替上部軟弱土層，就可以減少這部分的沉降量。由于砂墊層或其它墊層對應力的擴散作用，使作用在下臥層土上的壓力減小，這樣也會相應減小下臥層土的沉降量。

3、加速軟弱土層的排水固結(jié)，建筑物的不透水基礎(chǔ)直接與軟弱土層相接觸時，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫繞基礎(chǔ)兩側(cè)排出，因而使基底下的軟弱土不易固結(jié)，形成較大的孔隙水壓力，還可能導致由于地基強度降低而產(chǎn)生塑性破壞的危險。砂墊層和砂石墊層等墊層材料透水性大，軟弱土層受壓后，墊層可作為良好的排水面，可以使基礎(chǔ)下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結(jié)和提高其強度，避免地基土塑性破壞。

4、防止凍脹，因為粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細管現(xiàn)象，因此可以防止寒冷地區(qū)土中結(jié)冰所造成的凍脹。這時，砂墊層的底面應滿足當?shù)貎鼋Y(jié)深度的要求。

5、消除膨脹土的脹縮作用，在膨脹土地基上采用換土墊層法時，一般可選用砂、碎石、塊石、煤渣或灰土等作為墊層，但是墊層的厚度應根據(jù)變形計算確定，一般不小于30cm，且墊層的寬度應大于基礎(chǔ)的寬度，而基礎(chǔ)兩側(cè)宜用與墊層相同的材料回填。

6、消除濕陷性黃土的濕陷作用，采用素土、灰土或二灰土墊層處理濕陷性黃土，可用于消除1～3m厚黃土層的濕陷性。

7、用于處理暗浜（bang 小河溝）和暗溝的建筑場地，城市建筑場地，有時遇到暗浜和暗溝。此類地基具有土質(zhì)松軟、均勻性差、有機質(zhì)含量較高等特點，其承載力一般都滿足不了建筑物的要求。一般處理的方法有基礎(chǔ)加深、短柱支承和換土墊層。而換土墊層適用于需要處理范圍較大，處理深度不大，土質(zhì)較差，無法直接作為基礎(chǔ)持力層的情況。

在各種不同類型的工程中，墊層所起的主要作用有時也是不同的。例如砂墊層可分為換土砂墊層和排水砂墊層兩種。一般工業(yè)與民用建筑物基礎(chǔ)下的砂墊層主要起換土的作用；而在路堤及土壩等工程，主要是利用砂墊層起排水固結(jié)作用，提高固結(jié)速率，促使地基土的強度增長。換土墊層視工程具體情況而異，軟弱土層較薄時，常采用全部換土，軟弱土層較厚時，可采用部分換土，并允許有一定程度的沉降及變形，如圖。

如前所述，換填法的主要作用是改善原地基土的承載力并減少其沉降量。這一目的通常是通過外界的壓（夯、振）實功來實現(xiàn)的。

當?shù)鼗�軟弱土層較薄，而且上部荷載不大時，也可直接以人工或機械方法(填料或石填料)進行表層壓、夯、振動等密實處理，同樣可取得換填加固地基的效果。三、土的壓實作用折疊編輯本段　　土的壓實：是指土體在壓實能量作用下，土顆�？朔�粒間阻力，產(chǎn)生位移，使土中孔隙減小，密度增加。土的壓實性：是指土在壓實能量作用下能被壓密的特性。影響土壓實性的因素很多，主要有含水量、擊實功及土的級配等。

1、土的壓實與含水量的關(guān)系 

在低含水量時，水被土顆粒吸附在土粒表面，土顆粒因無毛細管作用而互相聯(lián)結(jié)很弱，土粒在受到夯擊等沖擊作用下容易分散而難于獲得較高的密實度。

在高含水量時，土中多余的水分在夯擊時很難快速排出而在土孔隙中形成水團，削弱了土顆粒間的聯(lián)結(jié)，使土粒潤滑而變得易于移動，夯擊或碾壓時容易出現(xiàn)類似彈性變形的“橡皮土”現(xiàn)象（軟彈現(xiàn)象），失去夯擊效果。

所以，含水量太高或太低都得不到好的壓實效果。要使土的壓實效果最好，其含水量一定要適當。

土的干密度 是反映土的密實度的重要指標。

將同一種土，配制成若干份不同含水量的試樣，用同樣的壓實能量分別對每一份試樣進行擊實后，測定各試樣擊實后的含水量 和干密度 ，從而繪制含水量與干密度關(guān)系曲線，稱為壓實曲線。

壓實曲線表明，存在一個含水量可使填土的干密度達到最大值，產(chǎn)生最好的擊實效果。

最優(yōu)含水量：將這種在一定夯擊能量下填土最易壓實并獲得最大密實度的含水量稱作土的最優(yōu)含水量，用wop表示。

最大干密度：在最優(yōu)含水量下得到的干密度稱作填土的最大干密度，用ρdmax表示。

2、擊實功

擊實功是用擊數(shù)來反應的，如用同一種土料，在同一含水量下分別用不同擊數(shù)進行擊實試驗，就能得到一組隨擊數(shù)不同的含水量與干密度關(guān)系曲線。從而得出如下結(jié)論：

對于同一種土，最優(yōu)含水量和最大干密度隨壓實功能而變化；

擊實功能愈大，得到的最優(yōu)含水量愈小，相應的最大干密度愈高。但干密度增大不與擊實功增大成正比，故企圖單存的用增大擊實功以提高干密度是不經(jīng)濟的。有時還會引起填土面出現(xiàn)所謂“光面”。 

含水量超過最優(yōu)含水量以后，壓實功能的影響隨含水量的增加而逐漸減小 ；

擊實曲線和飽和曲線（土在飽和狀態(tài) =100%時含水量與干密度的關(guān)系曲線）不相交，且擊實曲線永遠在飽和曲線的下方。

這是因為在任何含水量下，土都不會被擊實到完全飽和狀態(tài)，亦即擊實后的土內(nèi)總留存一定量的封閉氣體，故土是非飽和的。相應于最大干密度的飽和度在80%左右。

3、土的級配

級配良好的土易于壓實，壓實性較好，這是因為不均勻土內(nèi)較粗土粒形成的孔隙有足夠的細土粒去充填，因而能獲得較高的干密度。均勻級配的土壓實性較差，因為均勻土內(nèi)較粗的土粒形成的孔隙很少有細土粒去充填。

以上所揭示的土的壓實特性均是由室內(nèi)擊實試驗中得到的。但實際工程中墊層填土、路堤施工填筑的情況與室內(nèi)擊實試驗的條件是有差別的。室內(nèi)擊實試驗是用錘擊的方法使土體密度增加。實際上擊實試驗使土樣在有側(cè)限的擊實筒內(nèi)進行，不可能發(fā)生側(cè)向位移，力作用在有側(cè)限的土體上，則夯實會均勻，且能在最優(yōu)含水量狀態(tài)下獲得最大干密度。而現(xiàn)場施工的土料，土塊大小不一，含水量和鋪填厚度又很難控制均勻，實際壓實土的均勻性會較差。因此，施工現(xiàn)場所能達到的干密度一般都低于擊實試驗所獲得的最大干密度。因此，對現(xiàn)場土的壓實，應以壓實系數(shù) 與施工含水量 來進行控制。四、墊層的設(shè)計折疊編輯本段　　墊層的設(shè)計主要是確定以下四個參數(shù)：墊層的厚度、墊層的寬度、承載力和沉降。

墊層設(shè)計的主要內(nèi)容是確定斷面的合理厚度和寬度。對于墊層，既要求有足夠的厚度來置換可能被剪切破壞的軟弱土層，又要有足夠的寬度以防止墊層向兩側(cè)擠出。對于排水墊層來說，除要求有一定的厚度和密度滿足上述要求外，還要求形成一個排水面，促進軟弱土層的固結(jié)，提高其強度，以滿足上部荷載的要求。 

1、墊層厚度的確定

墊層的厚度一般根據(jù)墊層底面處土的自重應力與附加應力之和不大于同一標高處軟弱土層的容許承載力，如圖所示。其表達式為：（見教材公式2.1-1）

墊層面處的附加壓力，可分別按教材式2.1-3簡化計算。

具體計算時，一般是先初步擬定的一墊層厚度，再用上式驗算，直到滿足要求為止。

墊層厚度一般不宜大于3m，也不宜小于0.5m。

太厚施工較困難，太薄則換土墊層的作用不顯著。所墊層厚度的確定，除應滿足計算要求外，還應根據(jù)當?shù)氐慕?jīng)驗綜合考慮。

2、墊層寬度的確定

墊層的寬度除應滿足基礎(chǔ)地面應力擴散的要求外，還應考慮墊層側(cè)面土的強度條件，防止墊層材料由于側(cè)面土的強度不足或由于側(cè)面土的較大變形而向側(cè)邊擠出，增大墊層的豎向變形，使建筑物沉降增大。

墊層寬度的取值，可按兩種方法計算：一種是教材5頁公式2.1-4的擴散角法；另一種是按墊層側(cè)面土的地基承載力設(shè)計值確定墊層的寬度，見教材5頁表2.1-2。

3、墊層承載力的確定

經(jīng)換填處理后的地基，由于理論計算方法尚不完善，墊層的承載力宜通過現(xiàn)場荷載試驗確定，如對于一般工程可直接用標準貫入試驗、靜力觸探和取土分析法等。對于不太重要的、小型的、輕型的或?qū)Τ两狄�求不高的工程，在無試驗資料或經(jīng)驗時可按教材6頁表2.1-3確定。

4、沉降計算

墊層地基的沉降分兩部分，一是墊層自身的沉降，二是軟弱下臥層的沉降，由于墊層材料模量遠大于下臥層模量，所以在一般情況下，軟弱下臥層的沉降量占整個沉降量的大部分。墊層下臥層的沉降量可按國標準《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》GB 5007的有關(guān)規(guī)定計算以保證墊層的加固效果及建筑物的安全使用。第四節(jié) 墊層的施工五、墊層施工方法折疊編輯本段　　換土墊層的施工可按換填材料(如砂石墊層、素土勢層、灰土墊層、粉煤灰墊層和礦渣墊層等)分類，或按壓(夯、振)實方法分類。目前國內(nèi)常用的墊層施工方法，主要有機械碾壓法、重錘夯實法和振動壓實法。

機械碾壓法是采用各種壓實機械，如壓路機、羊足碾、振動碾等來壓實地基土的一種壓實方法。這種方法常用于大面積填土的壓實、雜填土地基處理、道路工程基坑面積較大的換土墊層的分層壓實。施工時，先按設(shè)計挖掉要處理的軟弱土層，把基礎(chǔ)底部土碾壓密實后，再分層填土，逐層壓密填土。

重錘夯實法是利用起重設(shè)備將夯錘提升到一定高度，然后自由落錘，利用重錘自由下落時的沖擊能來夯實淺層土層，重復夯打，使淺部地基土或分層填土夯實。主要設(shè)備為起重機、夯錘、鋼絲繩和吊鉤等。重錘夯實法—般適用地下水位距地表0.8m以上非飽和的粘性土、砂土、雜填土和分層填土，用以提高其強度，減少其壓縮性和不均勻性，也可用于消除或減少濕陷性黃土的表層濕陷性，但在有效夯實深度內(nèi)存在軟弱土時，或當夯擊振動對鄰近建筑物或設(shè)備有影響時，不得采用。因為飽和土在瞬間沖擊力作用下水不易排出，很難夯實。

振動壓實法是利用振動壓實機將松散土振動密實。地基土的顆粒受振動而發(fā)生相對運動，移動至穩(wěn)固位置，減小土的孔隙而壓實。此法適用于處理無粘性土或粘粒含量少、透水性較好的松散雜填土以及礦渣、碎石、礫砂、礫石、砂礫石等地基。

總的來說，墊層施工應根據(jù)不同的換填材料選擇施工機械。粉質(zhì)粘土、灰土宜采用平碾、振動碾和羊足碾，中小型工程也可采用蛙式打夯機、柴油夯；砂石等宜采用振動碾；粉煤灰宜用平碾、振動碾、平板式振動器、蛙式夯；礦渣宜采用平碾、振動碾、平板式振動器。

1、材料要求

在墊層的施工中，填料質(zhì)量的好壞、是直接影響墊層施工質(zhì)量的關(guān)鍵因素。對于砂、石料和礦渣等墊層主要檢驗其粒徑級配以及含泥量，對于土、石灰填料主要檢查其含水量是否接近最優(yōu)含水量，石灰的質(zhì)量等級以及活性CaO十MgO的含量、存放時間等。各種填料的一般質(zhì)量要求見下表。

2、施工參數(shù)、機具及方法選擇

砂石墊層選用的砂石料應進行室內(nèi)擊實試驗，根據(jù) 曲線確定最大干密度 和最優(yōu)含水量 ，然后根據(jù)設(shè)計要求的壓實系數(shù) 確定設(shè)計要求的 ，以此作為檢驗砂石墊層質(zhì)量控制的技術(shù)指標。在無擊實試驗數(shù)據(jù)時，砂石墊層的中密狀態(tài)可作為設(shè)計要求的干密度：中砂1.6 ，粗砂1.7 ，碎石、卵石2.0～2.1 即可。 

砂和砂石墊層采用的施工機具和方法對墊層的施工質(zhì)量至關(guān)重要。下臥層是高靈敏度的軟土時，在鋪設(shè)第一層時要注意不能采用振動能量大的機具擾動下臥層，除此之外，一般情況下，砂及砂石墊層首先用振動法。因為，振動法更能有效地使砂和砂石密實。我國目前常采用的方法有振動壓實法(包括平振和插振)、夯實法、碾壓法等。常采用的機具有：振搗器、振動壓實機、平板振動器、蛙式打夯機、壓路機等。

3、施工要點

⑴ 砂墊層施工中的關(guān)鍵是將砂加密到設(shè)計要求的密實度。加密的方法常用的有振動法(包括平振、插振、夯實)、碾壓法等。這些方法要求在基坑內(nèi)分層鋪砂，然后逐層振密或壓實，分層的厚度視振動力的大小而定，—般為15～20cm。施工時，應將下層的密實度經(jīng)檢驗合格后，方可進行上層施工。

⑵ 砂及砂石料可根據(jù)施工方法的不同控制最優(yōu)含水量。最優(yōu)含水量由工地試驗確定。

⑶ 鋪筑前，應先行驗槽。浮土應清除，邊坡必須穩(wěn)定，防止塌土。基坑(槽)兩側(cè)附近如有低于地基的孔洞、溝、井和墓穴等，應在未做墊層前加以填實。

⑷ 開挖基坑鋪設(shè)砂墊層時，必須避免擾動軟弱土層的表面，否則坑底土的結(jié)構(gòu)在施工時遭到破壞后，其強度就會顯著降低，以致在建筑物荷重的作用下，將產(chǎn)生很大的附加沉降。因此，基坑開挖后應及時回填，不應暴露過久或浸水，并防止踐踏坑底。

⑸ 砂、砂石墊層底面應鋪設(shè)在同一標高上，如深度不同時，基坑地基土面應挖成踏步（階梯）或斜坡搭接，搭接處應注意搗實，施工應按先深后淺的順序進行。

⑹ 人工級配的砂石墊層，應將砂石拌和均勻后，再行鋪填搗實。采用細砂作為墊層的填料時，應注意地下水的影響，且不宜使用平振法、插振法。

⑺ 地下水位高出基礎(chǔ)底面時，應采用排水降水措施，這時要注意邊坡的穩(wěn)定，以防止塌土混入砂石墊層中影響墊層的質(zhì)量。