许祥训

（烟台龙源电力技术股份有限公司，山东 烟台 264006）

0 引言

当建、构筑物基础下的持力层比较软弱，不能满足上部结构荷载对地基的要求时，可以采用换填垫层法来处理软弱地基。换填垫层法是指挖去地表浅层软弱土层或不均匀土层，回填坚硬、较粗粒径的材料，并夯压密实，形成垫层作为地基持力层的地基处理方法。此方法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。

1 适用范围

1.1 适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理，常用于处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等。包括淤泥、淤泥质土、松散素填土、杂填土、已完成自重固结的吹填土等地基处理以及暗塘、暗沟等浅层处理和低洼区域的填筑。

1.2 也可处理较深的软弱土层，虽可提高持力层的承载力，但是不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形大对上部建筑物产生的有害影响。深度过大时，常因地下水位高，需要采取降水措施；坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护；易引起临近地面、管网、道路与建筑的沉降变形破坏；施工土方量大、弃土多，使处理工程费用增高、工期拖长、对环境的影响增大等。因此，换填垫层的处理深度宜控制在3m以内。对于体型复杂、整体刚度差、或对差异变形敏感的建筑，均不应采用浅层局部置换的处理方法。

1.3 对建筑范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，均可采用换填法进行地基处理。在这种局部的换填处理中，保持建筑地基整体变形均匀是换填应遵循的基本原则。

1.4 大面积填土不宜采用换填垫层法，大面积地面负荷影响深度较深，地基变形压缩量大，变形延续时间长，与换填垫层法浅层处理地基的特点不同。

1.5 用于膨胀土地基可消除地基土的涨缩作用，用于湿陷性黄土地基可消除黄土的湿陷性，用于山区地基可用于处理岩面倾斜、破碎、高低差、软硬不均以及岩溶等，用于季节性冻土地基可消除冻胀力和防止冻胀损坏等。

2 加固机理

2.1 扩散应力，提高浅层土地基承载力，减少地基变形量

将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，通过基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，降低垫层底面压力，提高地基承载力，减小基础沉降量，增强地基稳定。

2.2 加速软土层的排水固结

用透水性大的材料作垫层时，软土中的水分可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的沉降。

2.3 消除地基土的湿陷性、涨缩性或冻胀性

对湿陷性黄土、膨胀土或季节性冻土等特殊土，其处理目的主要是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性。用于消除湿陷性时，可以采用素土垫层或灰土垫层，不得采用砂石垫层。

在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣或灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用。

由于垫层材料是不冻胀材料，采用换土垫层对基础地面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。此时，垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

2.4 均匀地基反力与沉降作用

对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的土料，并在石芽以上也设置垫层；或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。

换填垫层法在处理一般软弱地基时，可起的主要作用为前两种，在某些工程中也可能几种作用同时发挥，如既起提高地基承载力、减小沉降量的作用，也起排水作用。

3 填料选择

3.1 砂石

宜选用碎石、卵石、角砾、园砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，并应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。砂石的最大粒径不宜大于50mm。

砂石是良好的换填材料，但对具有排水要求的砂垫层宜控制含泥量不大于3%；采用粉细砂或石粉作为换填材料时，应掺入不少于总重30%的碎石或卵石，以改善材料的级配状况。

石屑是采石场筛选碎石后的细粒废弃物，其性质接近于砂，在使用作为换填材料时，效果不错，但应控制好含泥量及含粉量，才能保证垫层的质量。

对湿陷性黄土或膨胀土地基，不得选用砂石等渗水性材料。对于承受振动荷载的地基，不应选用砂垫层进行地基处理。

3.2 粉质粘土

土料中有机质含量不得超过5%，且不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质粘土垫层，土料中不得夹有砖、瓦或石块。

粘土难以夯压密实，应避免采用作为换填材料，在不得已选用粘土回填时，应掺入小少于30%的砂石并拌合均匀。

当采用粉质粘土大面积换填并使用大型机械夯压时，土料中的碎石粒径可稍大于50mm，但不宜大于100mm，否则将影响垫层的夯压效果。

3.3 灰土

体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜选用粉质粘土，不宜使用块状粘土，且不得含有松软杂质，土料应过筛且最大粒径颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。

灰土强度随土料中粘粒含量增高而加大，塑性指数小于4的粉土中粘粒含量太少，不能达到提高灰土强度的目的，因而不能用于拌合灰土。

3.4 粉煤灰

可用于道路、堆场和小型建筑、构筑物等的换填垫层。选用的粉煤灰应满足相关标准对腐蚀性和放射性的要求。粉煤灰垫层上宜覆土0.3～0.5m。粉煤灰垫层中采用掺加剂时，应通过试验确定其性能及适用条件。

粉煤灰按其燃烧后形成玻璃体的粒径分析，应属粉土的范畴。但不同于粉土或粉砂的抗地震液化能力较低，由于粉煤灰具有一定的胶凝作用，在压实系数大于0.9时，即可以抵抗7度地震液化。

3.5 矿渣

垫层使用的矿渣是指高炉重矿渣，可分为分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣。矿渣垫层主要用于堆场、道路和地坪，也可用于小型建筑、构筑物地基。选用矿渣的松散重度不应小于11kN/m3，有机质及含泥总量不超过5%。设计、施工前必须对选用的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并符合安全规定后方可使用。

对于中小型垫层可选用8～40mm与40～60mm的分级矿渣或0～60mm的混合矿渣；较大面积换填时，矿渣最大粒径不宜大于200mm或分层厚度的2/3。

用作换填垫层材料的矿渣必须是性能稳定的矿渣。作为建筑物垫层的矿渣应符合对放射性安全标准的要求。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。垫层中的金属构件、管网应采取防腐措施。略超过放射性标准的矿渣可以用于道路或堆场地基的换填，但不应用于建筑换填垫层处理等。大量填筑矿渣时应考虑对地下水和土壤的环境影响。

3.6 其他工业废渣

在有可靠试验结果或成功工程经验时，对质地坚硬、性能稳定、无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等均可用于填筑换填垫层。被选用工业废渣的粒径、级配和施工工艺等应通过试验确定。

3.7 土工合成材料

用于换填垫层法的土工合成材料，在垫层中主要起加筋作用，以提高地基土的抗拉和抗剪强度、防止垫层被拉断裂或剪切破坏、保持垫层的完整性、提高垫层的抗弯刚度。

作为加筋的土工合成材料应采用抗拉强度较高、耐久性好、抗腐蚀的土工带、土工格栅、土工格室、土工垫、土工网、土工膜、土工织物或塑料排水带等土工合成材料；垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂等材料。如工程要求垫层具有排水功能时，垫层材料应具有良好的透水性。

采用土工合成材料加筋垫层时，应根据工程荷载的特点、对变形、稳定性的要求和地基土的工程性质、地下水性质及土工合成材料的工作环境等，选择土工合成材料的类型、布置形式及填料品种，主要包括：①确定所需土工合成材料的类型、物理性质和主要的力学性质如允许抗拉强度及相应的伸长率、耐久性与抗腐蚀性等；②确定土工合成材料在垫层中的布置形式、间距及端部的固定方式；③选择适用的填料与施工方法等。

4 垫层设计

垫层的设计主要是确定以下四个参数：垫层的厚度、宽度、地基承载力和沉降量。对于垫层，既要有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。

4.1 垫层厚度的确定

垫层的厚度应根据需置换的软弱土层的厚度或下卧土层的承载力确定。垫层的厚度计算，一般根据垫层底面处土的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力来确定。垫层厚度一般为0.5m～3.0m。

4.2 垫层宽度的确定

垫层的宽度除应满足基础底面应力扩散的要求外，还应考虑垫层侧面土的强度条件，防止垫层材料由于侧面土的强度不足或由于侧面土的较大变形而向侧边挤出，增大垫层的竖向变形，使建筑物沉降增大。垫层顶面每边超出基础底边不宜小于0.3m。

4.3 垫层承载力的确定

经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不完善，承载力宜通过现场荷载试验确定，如对于一般工程可直接用标准贯入试验、静力触探和取土分析法等。

4.4 沉降计算

垫层地基的沉降分两部分，一是，垫层自身的沉降；二是，软弱下卧层的沉降，由于垫层材料模量远大于下卧层模量，所以在一般情况下，软弱下卧层的沉降量占整个沉降量的大部分。

5 结论

换填垫层法能有效解决浅层软弱地基或中小型工程的地基处理问题，可提高地基承载力、减小基础沉降或差异沉降、增加基础的稳定能力、加速软土排水固结，也是消除地基土的湿陷性、涨缩性或冻胀性的有效途径之一。通过合理的设计，换填垫层法有就地取材、施工方便、不需特殊施工机械、既能缩短工期又能降低造价等优点，在地基处理工程中应用广泛。

［1］JGJ 79-2012建筑地基处理规范[S].北京:中国建筑工业出版社,,2013,3.

［2］龚晓南.地基处理手册[M].3版.北京:中国建筑工业出版社,2008,6.