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(shí)或夯實(shí)。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(jī)挖除,用天然砂礫進(jìn)行換置,開挖換填深度在2m以內(nèi),采用分層填筑、分層壓實(shí)、分層檢測壓實(shí)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(yīng)充分考慮，最好做試驗(yàn)檢測，避免無法壓實(shí)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(rèn)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(xué)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(fèi)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(jiān)硬、強(qiáng)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(shí)以人工或機(jī)械方法分層壓、夯、振動，使之達(dá)到要求的密實(shí)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(diǎn)。

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(qiáng)度有關(guān)。如果以抗剪強(qiáng)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(dāng)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(shí)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(yīng)力的擴(kuò)散作用，使作用在下臥層土上的壓力減小，這樣也會相應(yīng)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(shí)，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(dǎo)致由于地基強(qiáng)度降低而產(chǎn)生塑性破壞的危險(xiǎn)。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(qiáng)度，避免地基土塑性破壞。

4、防止凍脹，因?yàn)榇诸w粒的墊層材料孔隙大，不易產(chǎn)生毛細(xì)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(shí)，砂墊層的底面應(yīng)滿足當(dāng)?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(shí)，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(yīng)根據(jù)變形計(jì)算確定，一般不小于30cm，且墊層的寬度應(yīng)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(shí)遇到暗浜和暗溝。此類地基具有土質(zhì)松軟、均勻性差、有機(jī)質(zhì)含量較高等特點(diǎn)，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(shí)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(qiáng)度增長。換土墊層視工程具體情況而異，軟弱土層較薄時(shí)，常采用全部換土，軟弱土層較厚時(shí)，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(shí)功來實(shí)現(xiàn)的。

當(dāng)?shù)鼗�軟弱土層較薄，而且上部荷載不大時(shí)，也可直接以人工或機(jī)械方法(填料或石填料)進(jìn)行表層壓、夯、振動等密實(shí)處理，同樣可取得換填加固地基的效果。三、土的壓實(shí)作用折疊編輯本段　　土的壓實(shí)：是指土體在壓實(shí)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(shí)性：是指土在壓實(shí)能量作用下能被壓密的特性。影響土壓實(shí)性的因素很多，主要有含水量、擊實(shí)功及土的級配等。

1、土的壓實(shí)與含水量的關(guān)系 

在低含水量時(shí)，水被土顆粒吸附在土粒表面，土顆粒因無毛細(xì)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(shí)度。

在高含水量時(shí)，土中多余的水分在夯擊時(shí)很難快速排出而在土孔隙中形成水團(tuán)，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(shí)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(shí)效果。要使土的壓實(shí)效果最好，其含水量一定要適當(dāng)。

土的干密度 是反映土的密實(shí)度的重要指標(biāo)。

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(shí)能量分別對每一份試樣進(jìn)行擊實(shí)后，測定各試樣擊實(shí)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(shí)曲線。

壓實(shí)曲線表明，存在一個(gè)含水量可使填土的干密度達(dá)到最大值，產(chǎn)生最好的擊實(shí)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(shí)并獲得最大密實(shí)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(shí)功

擊實(shí)功是用擊數(shù)來反應(yīng)的，如用同一種土料，在同一含水量下分別用不同擊數(shù)進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，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(shí)功能而變化；

擊實(shí)功能愈大，得到的最優(yōu)含水量愈小，相應(yīng)的最大干密度愈高。但干密度增大不與擊實(shí)功增大成正比，故企圖單存的用增大擊實(shí)功以提高干密度是不經(jīng)濟(jì)的。有時(shí)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(shí)功能的影響隨含水量的增加而逐漸減小 ；

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

這是因?yàn)樵谌魏魏�水量下，土都不會被擊�?shí)到完全飽和狀態(tài)，亦即擊實(shí)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(yīng)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(shí)，壓實(shí)性較好，這是因?yàn)椴痪鶆蛲羶?nèi)較粗土粒形成的孔隙有足夠的細(xì)土粒去充填，因而能獲得較高的干密度。均勻級配的土壓實(shí)性較差，因?yàn)榫鶆蛲羶?nèi)較粗的土粒形成的孔隙很少有細(xì)土粒去充填。

以上所揭示的土的壓實(shí)特性均是由室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)中得到的。但實(shí)際工程中墊層填土、路堤施工填筑的情況與室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)的條件是有差別的。室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)是用錘擊的方法使土體密度增加。實(shí)際上擊實(shí)試驗(yàn)使土樣在有側(cè)限的擊實(shí)筒內(nèi)進(jìn)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(shí)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(shí)際壓實(shí)土的均勻性會較差。因此，施工現(xiàn)場所能達(dá)到的干密度一般都低于擊實(shí)試驗(yàn)所獲得的最大干密度。因此，對現(xiàn)場土的壓實(shí)，應(yīng)以壓實(shí)系數(shù) 與施工含水量 來進(jìn)行控制。四、墊層的設(shè)計(jì)折疊編輯本段　　墊層的設(shè)計(jì)主要是確定以下四個(gè)參數(shù)：墊層的厚度、墊層的寬度、承載力和沉降。

墊層設(shè)計(jì)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(gè)排水面，促進(jìn)軟弱土層的固結(jié)，提高其強(qiáng)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(yīng)力與附加應(yīng)力之和不大于同一標(biāo)高處軟弱土層的容許承載力，如圖所示。其表達(dá)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(jì)算。

具體計(jì)算時(shí)，一般是先初步擬定的一墊層厚度，再用上式驗(yàn)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(yīng)滿足計(jì)算要求外，還應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐慕?jīng)驗(yàn)綜合考慮。

2、墊層寬度的確定

墊層的寬度除應(yīng)滿足基礎(chǔ)地面應(yīng)力擴(kuò)散的要求外，還應(yīng)考慮墊層側(cè)面土的強(qiáng)度條件，防止墊層材料由于側(cè)面土的強(qiáng)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(jì)算：一種是教材5頁公式2.1-4的擴(kuò)散角法；另一種是按墊層側(cè)面土的地基承載力設(shè)計(jì)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(jì)算方法尚不完善，墊層的承載力宜通過現(xiàn)場荷載試驗(yàn)確定，如對于一般工程可直接用標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)、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(yàn)資料或經(jīng)驗(yàn)時(shí)可按教材6頁表2.1-3確定。

4、沉降計(jì)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(yuǎn)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(gè)沉降量的大部分。墊層下臥層的沉降量可按國標(biāo)準(zhǔn)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 5007的有關(guān)規(guī)定計(jì)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(shí)方法分類。目前國內(nèi)常用的墊層施工方法，主要有機(jī)械碾壓法、重錘夯實(shí)法和振動壓實(shí)法。

機(jī)械碾壓法是采用各種壓實(shí)機(jī)械，如壓路機(jī)、羊足碾、振動碾等來壓實(shí)地基土的一種壓實(shí)方法。這種方法常用于大面積填土的壓實(shí)、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(shí)。施工時(shí)，先按設(shè)計(jì)挖掉要處理的軟弱土層，把基礎(chǔ)底部土碾壓密實(shí)后，再分層填土，逐層壓密填土。

重錘夯實(shí)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(shí)的沖擊能來夯實(shí)淺層土層，重復(fù)夯打，使淺部地基土或分層填土夯實(shí)。主要設(shè)備為起重機(jī)、夯錘、鋼絲繩和吊鉤等。重錘夯實(shí)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(qiáng)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(shí)深度內(nèi)存在軟弱土?xí)r，或當(dāng)夯擊振動對鄰近建筑物或設(shè)備有影響時(shí)，不得采用。因?yàn)轱柡屯猎谒查g沖擊力作用下水不易排出，很難夯實(shí)。

振動壓實(shí)法是利用振動壓實(shí)機(jī)將松散土振動密實(shí)。地基土的顆粒受振動而發(fā)生相對運(yùn)動，移動至穩(wěn)固位置，減小土的孔隙而壓實(shí)。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(yīng)根據(jù)不同的換填材料選擇施工機(jī)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(jī)、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(yàn)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(shí)間等。各種填料的一般質(zhì)量要求見下表。

2、施工參數(shù)、機(jī)具及方法選擇

砂石墊層選用的砂石料應(yīng)進(jìn)行室內(nèi)擊實(shí)試驗(yàn)，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(jì)要求的壓實(shí)系數(shù) 確定設(shè)計(jì)要求的 ，以此作為檢驗(yàn)砂石墊層質(zhì)量控制的技術(shù)指標(biāo)。在無擊實(shí)試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，砂石墊層的中密狀態(tài)可作為設(shè)計(jì)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(jī)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?xí)r，在鋪設(shè)第一層時(shí)要注意不能采用振動能量大的機(jī)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?yàn)椋�振動法更能有效地使砂和砂石密�?shí)。我國目前常采用的方法有振動壓實(shí)法(包括平振和插振)、夯實(shí)法、碾壓法等。常采用的機(jī)具有：振搗器、振動壓實(shí)機(jī)、平板振動器、蛙式打夯機(jī)、壓路機(jī)等。

3、施工要點(diǎn)

⑴ 砂墊層施工中的關(guān)鍵是將砂加密到設(shè)計(jì)要求的密實(shí)度。加密的方法常用的有振動法(包括平振、插振、夯實(shí))、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(shí)，分層的厚度視振動力的大小而定，—般為15～20cm。施工時(shí)，應(yīng)將下層的密實(shí)度經(jīng)檢驗(yàn)合格后，方可進(jìn)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(yàn)確定。

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

⑷ 開挖基坑鋪設(shè)砂墊層時(shí)，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(shí)遭到破壞后，其強(qiáng)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(yīng)及時(shí)回填，不應(yīng)暴露過久或浸水，并防止踐踏坑底。

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

⑹ 人工級配的砂石墊層，應(yīng)將砂石拌和均勻后，再行鋪填搗實(shí)。采用細(xì)砂作為墊層的填料時(shí)，應(yīng)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(shí)，應(yīng)采用排水降水措施，這時(shí)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。