一、换填垫层法应用于软土基的原理分析

 

　　（一）换填垫层法的加固机理

 

　　针对一般的土地基，换填垫层主要作用为提高持力层的承载力、减少沉降量以及加速软弱土层的排水固结。通过挖除原有软弱土，换填材料密实且透水性好的材料作相应厚度垫层，对天然土层有应力扩散与水分排除作用，可以相应降低其所受压力，加快软土的固结速度，进而提高地基承载力，减小地基变形量。

 

　　针对特殊地区的土地基（如冻土、湿陷性黄土、石芽等），填换垫层主要作用为消除原有土地基的涨缩作用、防止冻胀以及均匀基地反力与沉降。通过换填不冻胀材料或局部补填相应材料，消除原有土地基的不良性能，改善土地基以符合建筑设计要求，可以有效利用相应土地资源。注意：特殊地区行换填垫层法垫层深度应满足当地冻结与缩涨深度的要求。

 

　　（二）换填垫层的材料选择

 

　　换填垫层材料选用应坚持因地制宜原则，所选土类须具备无侵蚀性与低压缩性特点，常见材料有天然废渣和土工合成材料。天然废渣包括适用于道路、堆场、小型建筑物的粉煤灰与矿渣，适用于所有基础建设项目的砂石、粉质粘土与灰土。其中，选用的矿渣应是质地坚硬，稳定性合格且无侵蚀性的中粗砂，具有泥土与有机质含量应小于5%，含硫量为0-1.5%，铁矿含量低于5%，松散密度超过1.1t/rr13等特点；粉质粘土的有机质含量应小于5%，碎石粒径0-50mm，且避免使用淤泥、淤泥质土与杂填土；选用灰土时，应首先过筛熟石灰与土料，熟石灰粒径在0-5mm、土料粒径控制在0-15mm，熟石灰粉末质量应符合Ⅲ级以上标准。

 

　　垫层中选用土工合成材料的目的是提高地基土的抗拉抗剪度、加强持力层的支撑力度，防止天然垫层被拉断或剪切破坏，以保证垫层的整体性。采用土工合成材料时应根据设计要求以及地下水的性质以及土工合成材料的工作环境选择适宜的土工合成材料类型、物理性质和主要的力学性质，确定其在垫层中的铺层位置与间距、端部的固定方式，进而选择恰当的填料与施工方法。

 

　　（三）换填垫层的设计

 

　　垫层的设计需考虑垫层的厚度、宽度、地基承载力和沉降量四个参数，具体计算方法如下。垫层的厚度一般在500cm-3m之间，其具体厚度取决于需置换的软地基与天然土层的承载力；垫层宽度一般需超过300cm，具体宽度不仅要满足底面具体扩散要求而且需考虑天然土地层侧面土的强度；通过标准贯入试验、静力触探或取土分析法确定其承载力；针对基础沉降量的计算，需考虑垫层自身的沉降以及软弱下卧层的沉降两方面且以计算后者为主。

 

　　二、换填垫层法处理软土地基的具体方法

 

　　（一）换填垫层法的适用范围

 

　　依据加固原理，在基础建设工程中碰到以下软土地基时可使用换填垫层法。①浅层软弱且不均匀地基。适用工程为轻型建筑、地坪、堆场与道路，主要是对淤泥、松散素填土、杂填土、暗塘、暗沟以及低洼区域的地基行置换处理，以提高其持力层承载力。②建筑范围内坑穴地基。主要是对古井、古墓或拆除中产生的坑穴进行局部填垫，以保证建筑地基的整体受力均匀。③特殊地基。主要包括湿陷性黄土、山区倾斜、破碎、软硬不均的岩面与岩溶、季节性东土地，行填换后可解决垫基层土类的相应不良性质。

 

　　行换填垫层法时需避开较深的软土层以及需大面积填土地基，当地基深度过大时，施工范围多已碰触地下水位层，坑壁面积过大与边坡过陡，不仅需要相应降水与支护措施，而且加大了表面管网与道路等工程的沉降风险，同时施工土方量大与弃土多可相应增高处理费用、拖长工期，不利于工程的高效顺利竣工；当填土面积过大时，由于填垫材料的负荷影响深度加深以及地基变形压缩量加大，可导致垫层变形时间延长，基础沉降量相应提高。

 

　　（二）换填垫层法的施工方法

 

　　填换垫层法施工的关键是加强软土地基的密实度，以符合相关的设计要求，常用的方法有机械碾压法、重锤夯实法和平板振动法三种，具体选择标准如下。①机械碾压法。适用于粘性土为主的置换材料，通过平碾或羊足碾将砂石、素土等填换材料分层铺筑在坑底部且予以逐层压实，碾压速度控制在2km/h，碾压厚度为200mm-300mm。②重锤夯实法。适用于狭窄场地、边角以及接触带等软土地基，采用起重机械将夯锤伸到一定高度后自由落锤，以重锤冲击力夯实天然地基与垫层填土，夯实遍数控制在7-11遍。③平板振动法。适用于砂土、砂石土、碎石土以及杂填土等置换材料，通过震动压实机械振实浅层松散土，填换材料含水率为15%-20%最优。

 

　　垫层换填结束后，须对换填土体以及沉降量进行检验。常见土体检验法中，环刀法与标准贯入试验多检验粉质黏土、灰土、粉煤灰以及砂石为填充材料的垫层，重型动力触探多检验砂石、矿渣为置换材料垫层。取样点多选择每层厚度的2/3深度处，检验点数量应控制在10-20m的基槽处有超过一个点且保证每个独立柱基均有一个点。沉降观测应贯穿整个施工过程中，以此保证整个施工过程均符合相关指标要求，地基无潜在变形或下降风险。注意：检验垫层的施工质量应分层操作，且每层的压实系数均需满足设计要求。

 

　　(三)换填垫层法应用时注意事项

 

　　开挖时应注重保护坑底上层土类的原有结构，在基底标高以上300mm时应结束机械开挖改用人工开挖，并在验槽结束后立即回填土层防止暴露过久、浸水或被踩踏；当使用粒径较大的置换材料时，应在坑底表面先铺设塑料编织网或尼龙纺织网，在此基础上做砂垫层、土工合成材料以及排水垫层，减少局部破坏范围。

 

　　分铺垫层时需注意垫层材料须经机械拌和均匀后方可使用，采用相应碾压法时需严格控制垫层含水量，分层铺设并逐层振密压实，且需做好弃土的处理工作。此外，若施工时间为雨季或冬季，应做好相应防护措施，防止填料淋湿或冻结以及地面水流入基坑与基槽内。

 

　　结束语

 

　　行换填垫层法处理软土基时，首先应评估其在软土基的适用性，选择适宜的填换材料，并设计好垫层四要素（即厚度、宽度、地基承载力和沉降量）。在具体施工过程中，需依据填料采用合理的碾压方法，坚持分层铺筑与逐层压实实施原则，将土体检验与沉降观测贯穿整个施工过程中，以保证工程的顺利竣工。

 

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