換填墊層法在地基處理中的應用

許祥訓

（煙臺龍源電力技術股份有限公司，山東 煙臺 264006）

0 引言

當建、構筑物基礎下的持力層比較軟弱，不能滿足上部結構荷載對地基的要求時，可以采用換填墊層法來處理軟弱地基。換填墊層法是指挖去地表淺層軟弱土層或不均勻土層，回填堅硬、較粗粒徑的材料，并夯壓密實，形成墊層作為地基持力層的地基處理方法。此方法適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理。

1 適用范圍

1.1 適用于淺層軟弱地基及不均勻地基的處理，常用于處理輕型建筑、地坪、堆料場及道路工程等。包括淤泥、淤泥質土、松散素填土、雜填土、已完成自重固結的吹填土等地基處理以及暗塘、暗溝等淺層處理和低洼區域的填筑。

1.2 也可處理較深的軟弱土層，雖可提高持力層的承載力，但是不能解決由于深層土質軟弱而造成地基變形大對上部建筑物產生的有害影響。深度過大時，常因地下水位高，需要采取降水措施；坑壁放坡占地面積大或邊坡需要支護；易引起臨近地面、管網、道路與建筑的沉降變形破壞；施工土方量大、棄土多，使處理工程費用增高、工期拖長、對環境的影響增大等。因此，換填墊層的處理深度宜控制在3m以內。對于體型復雜、整體剛度差、或對差異變形敏感的建筑，均不應采用淺層局部置換的處理方法。

1.3 對建筑范圍內局部存在松填土、暗溝、暗塘、古井、古墓或拆除舊基礎后的坑穴，均可采用換填法進行地基處理。在這種局部的換填處理中，保持建筑地基整體變形均勻是換填應遵循的基本原則。

1.4 大面積填土不宜采用換填墊層法，大面積地面負荷影響深度較深，地基變形壓縮量大，變形延續時間長，與換填墊層法淺層處理地基的特點不同。

1.5 用于膨脹土地基可消除地基土的漲縮作用，用于濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性，用于山區地基可用于處理巖面傾斜、破碎、高低差、軟硬不均以及巖溶等，用于季節性凍土地基可消除凍脹力和防止凍脹損壞等。

2 加固機理

2.1 擴散應力，提高淺層土地基承載力，減少地基變形量

將基底以下軟弱土全部或部分挖出，換填為較密實材料，通過基礎底面下一定厚度墊層的應力擴散作用，可減小墊層下天然土層所受的壓力和附加壓力，降低墊層底面壓力，提高地基承載力，減小基礎沉降量，增強地基穩定。

2.2 加速軟土層的排水固結

用透水性大的材料作墊層時，軟土中的水分可部分通過它排除，在建筑物施工過程中，可加速軟土的固結，減小建筑物建成后的沉降。

2.3 消除地基土的濕陷性、漲縮性或凍脹性

對濕陷性黃土、膨脹土或季節性凍土等特殊土，其處理目的主要是為了消除或部分消除地基土的濕陷性、脹縮性或凍脹性。用于消除濕陷性時，可以采用素土墊層或灰土墊層，不得采用砂石墊層。

在膨脹土地基上可選用砂、碎石、塊石、煤渣或灰土等材料作為墊層以消除脹縮作用。

由于墊層材料是不凍脹材料，采用換土墊層對基礎地面以下可凍脹土層全部或部分置換后，可防止土的凍脹作用。此時，墊層的底面應滿足當地凍結深度的要求。

2.4 均勻地基反力與沉降作用

對石芽出露的山區地基，將石芽間軟弱土層挖出，換填壓縮性低的土料，并在石芽以上也設置墊層；或對于建筑物范圍內局部存在松填土、暗溝、暗塘、古井、古墓或拆除舊基礎后的坑穴，可進行局部換填，保證基礎底面范圍內土層壓縮性和反力趨于均勻。

換填墊層法在處理一般軟弱地基時，可起的主要作用為前兩種，在某些工程中也可能幾種作用同時發揮，如既起提高地基承載力、減小沉降量的作用，也起排水作用。

3 填料選擇

3.1 砂石

宜選用碎石、卵石、角礫、園礫、礫砂、粗砂、中砂或石屑，并應級配良好，不含植物殘體、垃圾等雜質。砂石的最大粒徑不宜大于50mm。

砂石是良好的換填材料，但對具有排水要求的砂墊層宜控制含泥量不大于3%；采用粉細砂或石粉作為換填材料時，應摻入不少于總重30%的碎石或卵石，以改善材料的級配狀況。

石屑是采石場篩選碎石后的細粒廢棄物，其性質接近于砂，在使用作為換填材料時，效果不錯，但應控制好含泥量及含粉量，才能保證墊層的質量。

對濕陷性黃土或膨脹土地基，不得選用砂石等滲水性材料。對于承受振動荷載的地基，不應選用砂墊層進行地基處理。

3.2 粉質粘土

土料中有機質含量不得超過5%，且不得含有凍土或膨脹土。當含有碎石時，其粒徑不宜大于50mm。用于濕陷性黃土或膨脹土地基的粉質粘土墊層，土料中不得夾有磚、瓦或石塊。

粘土難以夯壓密實，應避免采用作為換填材料，在不得已選用粘土回填時，應摻入小少于30%的砂石并拌合均勻。

當采用粉質粘土大面積換填并使用大型機械夯壓時，土料中的碎石粒徑可稍大于50mm，但不宜大于100mm，否則將影響墊層的夯壓效果。

3.3 灰土

體積配合比宜為2:8或3:7。土料宜選用粉質粘土，不宜使用塊狀粘土，且不得含有松軟雜質，土料應過篩且最大粒徑顆粒不得大于15mm。石灰宜用新鮮的消石灰，其顆粒不得大于5mm。

灰土強度隨土料中粘粒含量增高而加大，塑性指數小于4的粉土中粘粒含量太少，不能達到提高灰土強度的目的，因而不能用于拌合灰土。

3.4 粉煤灰

可用于道路、堆場和小型建筑、構筑物等的換填墊層。選用的粉煤灰應滿足相關標準對腐蝕性和放射性的要求。粉煤灰墊層上宜覆土0.3～0.5m。粉煤灰墊層中采用摻加劑時，應通過試驗確定其性能及適用條件。

粉煤灰按其燃燒后形成玻璃體的粒徑分析，應屬粉土的范疇。但不同于粉土或粉砂的抗地震液化能力較低，由于粉煤灰具有一定的膠凝作用，在壓實系數大于0.9時，即可以抵抗7度地震液化。

3.5 礦渣

墊層使用的礦渣是指高爐重礦渣，可分為分級礦渣、混合礦渣及原狀礦渣。礦渣墊層主要用于堆場、道路和地坪，也可用于小型建筑、構筑物地基。選用礦渣的松散重度不應小于11kN/m3，有機質及含泥總量不超過5%。設計、施工前必須對選用的礦渣進行試驗，在確認其性能穩定并符合安全規定后方可使用。

對于中小型墊層可選用8～40mm與40～60mm的分級礦渣或0～60mm的混合礦渣；較大面積換填時，礦渣最大粒徑不宜大于200mm或分層厚度的2/3。

用作換填墊層材料的礦渣必須是性能穩定的礦渣。作為建筑物墊層的礦渣應符合對放射性安全標準的要求。易受酸、堿影響的基礎或地下管網不得采用礦渣墊層。墊層中的金屬構件、管網應采取防腐措施。略超過放射性標準的礦渣可以用于道路或堆場地基的換填，但不應用于建筑換填墊層處理等。大量填筑礦渣時應考慮對地下水和土壤的環境影響。

3.6 其他工業廢渣

在有可靠試驗結果或成功工程經驗時，對質地堅硬、性能穩定、無腐蝕性和放射性危害的工業廢渣等均可用于填筑換填墊層。被選用工業廢渣的粒徑、級配和施工工藝等應通過試驗確定。

3.7 土工合成材料

用于換填墊層法的土工合成材料，在墊層中主要起加筋作用，以提高地基土的抗拉和抗剪強度、防止墊層被拉斷裂或剪切破壞、保持墊層的完整性、提高墊層的抗彎剛度。

作為加筋的土工合成材料應采用抗拉強度較高、耐久性好、抗腐蝕的土工帶、土工格柵、土工格室、土工墊、土工網、土工膜、土工織物或塑料排水帶等土工合成材料；墊層填料宜用碎石、角礫、礫砂、粗砂、中砂等材料。如工程要求墊層具有排水功能時，墊層材料應具有良好的透水性。

采用土工合成材料加筋墊層時，應根據工程荷載的特點、對變形、穩定性的要求和地基土的工程性質、地下水性質及土工合成材料的工作環境等，選擇土工合成材料的類型、布置形式及填料品種，主要包括：①確定所需土工合成材料的類型、物理性質和主要的力學性質如允許抗拉強度及相應的伸長率、耐久性與抗腐蝕性等；②確定土工合成材料在墊層中的布置形式、間距及端部的固定方式；③選擇適用的填料與施工方法等。

4 墊層設計

墊層的設計主要是確定以下四個參數：墊層的厚度、寬度、地基承載力和沉降量。對于墊層，既要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擠出。

4.1 墊層厚度的確定

墊層的厚度應根據需置換的軟弱土層的厚度或下臥土層的承載力確定。墊層的厚度計算，一般根據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來確定。墊層厚度一般為0.5m～3.0m。

4.2 墊層寬度的確定

墊層的寬度除應滿足基礎底面應力擴散的要求外，還應考慮墊層側面土的強度條件，防止墊層材料由于側面土的強度不足或由于側面土的較大變形而向側邊擠出，增大墊層的豎向變形，使建筑物沉降增大。墊層頂面每邊超出基礎底邊不宜小于0.3m。

4.3 墊層承載力的確定

經換填處理后的地基，由于理論計算方法尚不完善，承載力宜通過現場荷載試驗確定，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。

4.4 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。

5 結論

換填墊層法能有效解決淺層軟弱地基或中小型工程的地基處理問題，可提高地基承載力、減小基礎沉降或差異沉降、增加基礎的穩定能力、加速軟土排水固結，也是消除地基土的濕陷性、漲縮性或凍脹性的有效途徑之一。通過合理的設計，換填墊層法有就地取材、施工方便、不需特殊施工機械、既能縮短工期又能降低造價等優點，在地基處理工程中應用廣泛。

［1］JGJ 79-2012建筑地基處理規范[S].北京:中國建筑工業出版社,,2013,3.

［2］龔曉南.地基處理手冊[M].3版.北京:中國建筑工業出版社,2008,6.