换土垫层法.pdf

换土垫层法第21讲基础工程中国地质大学(北京)工程技术学院勘查教研室2009马孝春马孝春8232.26288232.26282009.2.15FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 2China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法目录 换土垫层概念 垫层的作用 垫层材料 换填法适用范围 垫层承载力 垫层厚度计算 垫层宽度计算 设计要点 施工要点 例题FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 3China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法换填法概念 将基础底面以下一定范围的软弱土层挖去或挤开，然后回填强度较高、压缩性较低并且没有侵蚀性的材料（如中粗砂、碎石或卵石、灰土、素土、石屑、矿渣等），再分层夯实，作为地基的持力层，从而将软弱地基改良成良好地基的方法。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 4China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法换填法Soil Replacement基础工程p214垫层设计垫层设计垫层材料垫层材料工艺控制工艺控制适用范围适用范围淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土垫层厚度，垫层宽度砂石、粉质粘土、灰土、粉煤灰、矿渣、工业废渣、土工合成材料分层夯实，控制含水量FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 5China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层的工程应用FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 6China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层的作用 提高持力层的承载力，减小基础尺寸，通过垫层将基底压力扩散到下层地基许可承载力范围内。减少地基沉降量；加速软弱土层的排水固结；防止持力层的冻胀或液化。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 7China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层材料 块石：抛石挤淤块石：抛石挤淤 砂石：压实砂石：压实,防冻防冻,防液化防液化,加速固结加速固结 粉质粘土：有机质含量粉质粘土：有机质含量5%0.5m(扩散和技术要求),3.0m(工程量,经济性)FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 12China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层厚度的计算FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 13China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层厚度的计算附加压力的确定条形基础tan20zbbpppcz矩形基础tan2tan20zbzaabpppczmamzmbkPapkPapkPapcz,)(,0基础的长度度垫层材料的压力扩散角垫层厚度基础的宽度力基底标高处土的自重压标准组合基底压力，按荷载效应垫层底面处的附加压力注：许多书中将公式中所有与压力相关的量都加有下标k，以明确是按荷载效应标准组合。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 14China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层宽度的计算tan2zbB理论施工时：考虑机械夯实所需空间3.02tan2zbB)(,度垫层材料的压力扩散角垫层厚度基础的宽度垫层底面宽度mzmbmBFoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 15China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法垫层变形验算 垫层地基应进行变形验算。包括垫层的变形和下卧土层的变形。垫层的模量应根据试验或当地经验确定，在无试验资料或经验时，碎石、砾石的侧限压缩模量Es可取为3050MPa，砂可取2030MPa，粉煤灰可取820MPa。实际上当用料和压实标准均满足上述要求时，垫层本身的变形量很小，往往可以不计。变形计算方法与一般分层地基相同。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 16China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法地基变形计算换填法处理后的建筑物地基沉降量：换填法处理后的建筑物地基沉降量：21sss建筑物地基沉降量建筑物地基沉降量cm垫层自身变形量垫层自身变形量cm垫层下各压缩土层变形量之和垫层下各压缩土层变形量之和cms1s2s垫层自身变形量垫层自身变形量 s1可可按下式进行计算：按下式进行计算：ssEhpps/21建筑物基础底面压力建筑物基础底面压力kPa垫层厚度垫层厚度cm垫层压缩模量垫层压缩模量，宜通过静载试验确定，也可选，宜通过静载试验确定，也可选1525MPapshsE压力扩散系数压力扩散系数FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 17China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法地基变形计算压力压力扩散系数扩散系数条形基础：条形基础：tghbbs2矩形基础：矩形基础：tghltghbblss22下卧层的变形量下卧层的变形量可按下式计算：可按下式计算：2snisiiizEbps12112计算经验系数计算经验系数垫层底面的附加压力，垫层底面的附加压力，KPa第第i层层土在压力土在压力100200kPa的压缩模量的压缩模量kPazP21siE计算点计算点第第i层层和和第第i-1层底面的沉降系数，规范查表层底面的沉降系数，规范查表1.iiFoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 18China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法工程设计要点1）处理软土或杂填土 A、换填法处理的主要目的是置换基底下可能剪切破坏的软弱土层或杂填土层。B、基底下为软弱土层时，垫层的厚度主要取决于剪切破坏区域的大小和工程对消除剪切区深度的要求 C、基底下为杂填土时，垫层厚度取决于杂填土的埋深 D、换填后垫层下存在软弱下卧层时，应验算其承载力和变形 E、垫层宽度必须满足基底压力扩散的要求，并避免垫层材料侧向挤出FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 19China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法工程设计要点2）处理湿陷性黄土A、换填法处理的主要目的是消除或部分消除黄土的湿陷量。B、垫层的厚度主要取决于工程对消除湿陷量的要求。全部消除湿陷量时，对于非自重湿陷性黄土应满足垫层底部总压力不大于下卧层黄土沉陷量起始压力；对于自重湿陷性黄土则必须全部挖除，换填法仅适用于厚度不大的自重湿陷性黄土地基。C、如果消除部分湿陷量，应根据建筑物的重要性、基础形式、基底压力、黄土湿陷类型等综合确定。对于非自重湿陷性黄土，当垫层厚度等于基础宽度时可消除湿陷量的80%以上；当垫层厚度等于1.5倍基础宽度时可基本消除。D、垫层宽度取决于工程要求。当垫层超出基础边缘的距离至少为垫层厚度且不小于1.5m时，可消除建筑物范围内部分黄土层的湿陷性。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 20China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法工程设计要点3）处理膨胀土A、换填法处理的主要目的是消除或减少膨胀土的膨胀性能。适用于薄的膨胀土层或主要膨胀土层不厚的地基。B、换填厚度应使地基的剩余膨胀变形量控制在容许值范围内，对于砂垫层条件为：-垫层厚度为1-1.2倍基础宽度；垫层宽度为1.8-2.2倍基础宽度-垫层密度不小于为1.65t/m3-基底压力为100-200kPa-基槽两边回填区的附加压力不大于为0.25P（P为基底压力）-当膨胀压力大于为250kPa时，垫层材料应选用中、细砂；当膨胀压力较小时，应选用粗砂。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 21China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法施工要求砂（砂石）垫层：砂（砂石）垫层：级配良好的中粗砂、圆砾、卵石或碎石，含泥量小于级配良好的中粗砂、圆砾、卵石或碎石，含泥量小于3%，最大粒径不大于最大粒径不大于50mm。素土垫层：素土垫层：有机质含量小于有机质含量小于5%，亦不含冻土或膨胀土，碎石最大粒径不宜，亦不含冻土或膨胀土，碎石最大粒径不宜大于大于50mm。粉煤灰垫层：粉煤灰垫层：干渣垫层：干渣垫层：松散密度不小于松散密度不小于1.1t/m3；泥土与有机杂质含量小于；泥土与有机杂质含量小于5%；稳定性合格。稳定性合格。最优含水量和压实系数由实验确定。最优含水量和压实系数由实验确定。1）垫层材料）垫层材料灰土垫层：灰土垫层：石灰与土的体积配合比一般为石灰与土的体积配合比一般为2:8或或3:7，土料宜用粘性土和塑性指数，土料宜用粘性土和塑性指数大于大于4的粉土的粉土FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 22China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法施工要求2）含水量要求）含水量要求为保证最佳的夯压效果，以垫层材料的最优为保证最佳的夯压效果，以垫层材料的最优含水量含水量wop为施工为施工控制含水量控制含水量A、wop可可按国家标准按国家标准土工试验方法标准土工试验方法标准中轻型击实试验求得。中轻型击实试验求得。B、对于素土和灰土现场可控制在最优、对于素土和灰土现场可控制在最优含水量含水量wop2%的的范围内；当使用振动范围内；当使用振动碾压时可适当放宽下限值碾压时可适当放宽下限值即即wop-6%wop+2%C、对于素土和灰土缺乏资料时可取、对于素土和灰土缺乏资料时可取0.6倍的液限值或按经验采用倍的液限值或按经验采用塑限塑限wop2%作为施工控制含水量作为施工控制含水量。D、对于砂石，当采用平板振动器时含水量、对于砂石，当采用平板振动器时含水量 取取15%-20%，使用平碾或蛙式夯时，使用平碾或蛙式夯时含水量取含水量取8%-12%，当使用插入式振动器时，砂石料宜为饱和。，当使用插入式振动器时，砂石料宜为饱和。E、对于粉煤灰，含水量、对于粉煤灰，含水量 应控制在最优应控制在最优含水量含水量wop4%。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 23China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法施工要求3）分层厚度）分层厚度垫层的分层铺填厚度及每层压实遍数应根据垫层材料、施工机具及设计要求等垫层的分层铺填厚度及每层压实遍数应根据垫层材料、施工机具及设计要求等通过现场试验确定。通过现场试验确定。4）质量控制要求）质量控制要求A、砂石垫层：中砂，最小、砂石垫层：中砂，最小干密度干密度d 1.6t/m3；粗砂，最小粗砂，最小干密度干密度d 1.7t/m3B、对于素土和灰土，当垫层厚度不大于、对于素土和灰土，当垫层厚度不大于3m时，时，压实系数压实系数0.93。当当垫层厚度大于垫层厚度大于3m时时，0.95。C、对于粉煤灰，、对于粉煤灰，压实系数压实系数0.90。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 24China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法例题 教材p226 例5-1提示：已给出砂垫层的厚度，验算之并确定宽度FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 25China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第一步：验算砂垫层承载力kPabGFp9.1812.12.12.16.19190基底压力kPafkPapkPafkPafkPafdffaadpakakpmdaka55.1869.18155.1865.02.15.160.11750.11752001505.05015,216 砂垫层看成人工填土取均值表的承载力经深度修正后，砂砾料故砂垫层承载力满足基底压力要求FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 26China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第二步：验算砂垫层下软弱层(淤泥质粉质粘土)的承载力azzczfpp（2-47),p54砂垫层底部的自重压力pczkPapcz8.34158.195.110202.15.16kPazbbpppbzkPapkPapzbbpppczccz4.6693.25.19430tan5.122.12.1)8.199.181(tan2305.02.15.18.195.162.1,9.181tan2)25(02500 砂垫层压力扩散角基底自重应力已求得式压力经砂垫层扩散后的附加表FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 27China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第二步：验算砂垫层下软弱层(淤泥质粉质粘土)的承载力kcmdbacMdMbMf3162/67.117.27.118.195.12.15.18.96.172.15.1632.3,12.1,03.022.1,2.1mkNMMMmdmbmcdbk 表已知基础宽度kPacMdMbMfkcmdba1024.663.3528.02032.35.12.167.1112.12.1)8.96.17(03.0砂垫层底部淤泥质土的承载力特征值满足要求砂垫层下软弱层承载力，kPafkPappazzcz1022.1014.668.34FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 28China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第三步：砂垫层宽度的确定mzbB53.3577.038.16.030tan5.122.13.02tan2FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 29China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法习题 某四层砖混结构的住宅楼，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1.0m，上部建筑物作用于基础的荷载标准值为120KN/m，基础的平均重度为20KN/m3。地基土表层为粉质粘土，厚1.0m，重度为17.5 KN/m3;第二层为淤泥质粘土，厚15 m，重度为17.8 KN/m3，承载力特征值为fak=45kPa；第三层为密实的砂砾石。地下水埋深1.0m。由于地基土较软弱，不能满足建筑物设计要求，采用换土垫层法处理。试设计之。提示：设计垫层的材料、厚度、宽度。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 30China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法解答：第一步 画图mkNFk/108bd3/20/1200.12.1mkNmkNFmdmbGk粉质粘土=17.5kN/m30m1m1m淤泥质粘土=17.8kN/m3fak=45kPa15m16m密实砂砾石z垫层底部FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 31China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第二步 确定垫层材料和厚度 选用砂垫层 假定砂垫层厚度z=1.0mFoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 32China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第三步 验算假定垫层厚度下的下卧层承载力azzczfpp1）垫层底面处的附加压力计算pz条形基础tan20zbbpppczkPadbFbbdFAGFpGkGkkk1200.1202.1120:基底压力kPapc5.170.15.17:0基底处自重压力mzmb0.1,2.1 305.02.10.125表bzkPazbppbc3.52354.2123577.022.112330tan0.122.15.171202.1tan2p00zFoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 33China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法回顾：垫层厚度的计算附加压力的确定条形基础tan20zbbpppcz矩形基础tan2tan20zbzaabpppczmamzmbkPapkPapkPapcz,)(,0基础的长度度垫层材料的压力扩散角垫层厚度基础的宽度力基底标高处土的自重压标准组合基底压力，按荷载效应垫层底面处的附加压力注：许多书中将公式中所有与压力相关的量都加有下标k，以明确是按荷载效应标准组合。FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 34China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第三步 验算假定垫层厚度下的下卧层承载力2）垫层）垫层底面以上垫层材料及其上回填土的底面以上垫层材料及其上回填土的自重压力自重压力计算计算题中未给出砂的饱和重度，假设为题中未给出砂的饱和重度，假设为18.5kN/m3kPazdPwcz2.260.18.95.180.15.171垫砂垫层自重压力表层土自重压力3）砂垫层的下卧层）砂垫层的下卧层地基承载力特征值计算地基承载力特征值计算amdakazkPzdff65.645.00.10.11.130.1455.0350250/1.130.10.12.260.145mkNzdpkPafczmmdpdak垫层以上加权重度垫层底面处，淤泥表已知：FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 35China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第三步 验算假定垫层厚度下的下卧层承载力4）验算下卧层地基承载力）验算下卧层地基承载力azzczfppkPafkPappazzcz65.645.783.522.26结论：砂垫层为结论：砂垫层为1m厚度时，不能满足下卧层承载力要厚度时，不能满足下卧层承载力要求。求。练习：试重新计算砂垫层选取何值时方可通过下卧层承练习：试重新计算砂垫层选取何值时方可通过下卧层承载力验算？载力验算？FoundationEngineering2009 中国地质大学(北京)page 36China University of Geosciences(Beijing)21地基处理概论-排水固结法第四步 垫层宽度计算3.02tan2zbB)(,度垫层材料的压力扩散角垫层厚度基础的宽度垫层底面宽度mzmbmB