換土墊層法是指將基礎底面下一定深度範圍內的軟弱土層部分或全部挖去，然後換填強度較大的砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、千渣等性能穩定且無侵蝕性的材料，並分層夯壓至要求的密實度。該法又稱換填法。換填法可有效地處理荷載不大的建築物地基問題，常可用作為地基淺層處理的方法。
基本介紹
- 中文名：換土墊層法
- 外文名：replacement method
- 別稱：換填法
墊層材料,墊層的作用,適用範圍,設計要點,設計施工說明,
墊層材料
換填法處理地基時換填材料所形成的墊層，按其材料的不同，可分為砂墊層、砂石墊層、碎石墊層、素土墊層、灰土墊層、粉煤灰墊層和乾渣墊層等。對於不同材料的墊層，雖然其應力分布有所差異，但測試結果表明，其極限承載力還是比較接近的，並且不同材料墊層上建築物的沉降特點也基本相似，故各種材料墊層的設計都可近似按砂墊層方法進行。但對於濕陷性黃土、膨脹土和季節性凍土等特殊土採用換填法進行地基處理時，因其主要目的是為了消除或部分消除地基土的濕陷性、脹縮性和凍脹性，所以在設計中所考慮解決問題的關鍵也應有所不同。
墊層的作用
(1)提高持力層的承載力
通過擴散作用使傳到墊層下軟弱土層的應力減小。
(2)減少沉降量
一般地基淺層部分沉降量在總沉降量中所占的比例是比較大的。以條形基礎為例，在相當於基礎寬度的深度範圍內的沉降量約占沉降量的50%，如以密實砂或其他填築材料代替上部軟弱土層，就可以減小這部分的沉降量。砂墊層或其他墊層對應力的擴散作用，使作用在下臥土層壓力較小，這樣也會相應減少下臥土層的沉降量。
(3)加速軟弱土層的排水固結
不透水基礎不直接與軟弱土層接觸時，在荷載的作用下，軟弱土層受壓後，墊層可作為良好的排水面，使基礎下面的孔隙水壓力迅速消散，加速墊層下軟弱土層的固結和提高其強度，避免地基土塑性破壞。
(4)防止凍脹
因為粗顆粒墊層材料孔隙大，不易產生毛細現象，因此可以防止寒冷地區土中的冰所造成的凍脹。這時，砂墊層的底面應滿足當地凍結深度的要求。
(5)消除膨脹土的脹縮作用
在各類工程中，墊層所起的主要作用有時也是不同的，對膨脹土地基而言主要消除膨脹土的脹縮作用。
換填法適用於淤泥、淤泥質土、濕陷性黃土、雜填土地基及暗溝、暗塘等的淺層處理。通常基坑開挖後，利用分層回填壓實，也可處理較深的軟弱土層，但經常由於地下水位高而需要採取降水措施，坑壁放坡占地面積大或需要基坑支護，以及施工土方量大、棄土多等因素，從而使處理費用增高、工期拖長，因此換填法的處理深度通常宜控制在3m以內。但也不宜小於0.5m，因為墊層太薄時，換土墊層的作用也不顯著。
適用範圍
砂（砂石，碎石）墊層：適用於一般飽和、非飽和的軟弱土和水下黃土地基處理，不宜用於濕陷性黃土地基，也不宜用於大面積堆載、密集基礎和動力基礎下的軟土地基處理，砂墊層不宜用於地下水流速快和流量大地區的地基處理。
素土墊層：適用於中小型工程及大面積回填和濕陷性黃土的地基處理。
灰土墊層：適用於中小型工程，尤其是適用於濕陷性黃土的地基處理。
粉煤灰墊層：適用於廠房、機場、港區陸域和堆場等上程的大面積填築。
乾渣墊層：適用於中小型建築．工程，尤其是適用於地坪、堆場等工程的大面積地基處理和場地平整。對於受酸性或鹼性廢水影響的地基不得採用乾渣墊層。
對於大面積填土，由於大範圍地面負荷影響較深，所以，地基壓縮深度深，地基沉降量大，且沉降延續時間也較長，這與換填法淺層處理地基的特點不同，因此，若採用大面積填土作為建築地基，還應符合GBJ7—89《建築地基基礎設計規範》中的有關設計規定。
在基坑開挖後，雖然採用分層回填夯實的方法，也可以處理較深的軟弱土層，但是，墊層太厚不僅施工難度增大，還常常由於地下水位高需要採取降水措施、坑壁放坡占地面積大或需要基坑支護以及施工土方量大和棄土多等因素，從而使得處理費用增高、工期延長，因此，換填法的處理深度通常宜控制在3m以內較為經濟合理，但也不應小於o.5 m，因為墊層太薄，則換土墊層的作用就不顯著了。在濕陷性黃土地區或土質較好的場地，一般坑壁的邊坡穩定性較好，處理深度也可限制在5m以內。
設計要點
1．處理軟土或雜填土的墊層
換填法處理軟土或雜填土的主要目的，是置換基底下可能被剪下破壞的軟弱土層或雜填土層，因此，墊層厚度主要取決於剪下破壞區域的大小及工程對消除剪下區深度的要求，若基底下為雜填土層，則墊層厚度取決於雜填土層的埋藏深度。對於換填後其墊層下仍存在軟弱下臥層的情況，尚應滿足軟弱下臥土層的承載力要求及工程對地基變形的要求。
對於墊層寬度的大小，則必須滿足基礎底面壓力擴散的要求，並避免墊層材料因向側邊擠出而增加墊層的豎向變形。
2．處理濕陷性黃土的墊層
換填法處理濕陷性黃土的主要目的是為了消除或部分消除黃土的濕陷量。其中素土墊層一般用於4層以下的民用建築物，而灰土墊層可用於6一?層的民用建築物。
墊層厚度取決於工程對消除黃土濕陷量的要求。如果須全部消除濕陷量，對於非自重濕陷性黃土，應滿足墊層底部總壓力不大於下臥黃土層沉陷量起始壓力的要求；對於白重濕陷性黃土則必須全部挖除，換填法僅適用於厚度不大的自重濕陷性黃土地基。
如果要求消除部分濕陷量，則應根據建築物的重要性、基礎形式和面積、基底壓力大小以及黃土濕陷類型、等級等因素綜合考慮。一般情況下，對於非自重濕陷性黃土，當墊層厚度等於基礎寬度時，可消除濕陷量80%以上；當墊層厚度等於1.5倍基礎寬度時，可基本消除濕限量；而灰土墊層的厚度宜大於1.5倍基礎寬度。對於自重濕陷性黃土，應控制剩餘濕陷量不大於20cm，並滿足最小處理厚度的要求。
墊層寬度的大小取決於工程的要求。當墊層寬度超出建築物外牆基礎邊緣的距離至少為墊層厚度且不小於1．5m時，可消除整個建築範圍內部分黃土層的濕陷性，防止水從室內外滲入地基，並保護墊層下未經處理的濕陷性黃土不致受水浸濕。對於直接位於基礎下的墊層，為防止基底下的墊層向外擠出，墊層寬度應超出基礎寬度至少為墊層厚度的40%，並不小於0.5 m。
3．處理膨脹土的墊層
換填法處理膨脹土的主要目的是為了消除或減少膨脹土的脹縮性能，適用於薄的膨脹土層或主要脹縮變形層的不厚的情況。對於墊層厚度，應使地基的剩餘脹縮變形量控制在容許值範圍內，如採用砂墊層，則應滿足以下條件：
(1)墊層厚度應為1~1.2倍基礎，墊層寬度應為1.8~2.2倍基礎寬度。
(2)墊層密度應不小於1.65 t/m3。
(3)基底壓力宜選用100~200 kPa。
(4)基槽兩邊回填區的附加壓力不應大於0.25p（p為基底壓力）。
(5)當土膨脹壓力大於250kPa時，墊層材料宜選用中、細砂；當土膨脹壓力較小時，墊層材料可採用粗砂。
設計施工說明
1．材料要求
墊層材料可選用砂石、素土、灰土、粉煤灰、高爐乾渣等性能穩定且無侵蝕性的材料。
(1)砂石。應選用級配良好、質地堅硬的中砂、；粗砂、礫砂、圓砂、卵石或碎石等材料，料中不得含有植物質殘體、垃圾等雜物質，且含泥量不應超過5%（排水墊層不應超過3%）。當採用粉細砂時，應摻25%一30%的碎石或卵石，且其最大粒徑不得大於50mm。但對於濕陷性黃土地基，不得選用砂石等滲水材料。
(2)素土。土料中的有機質含量不得超過5%，亦不得含有凍土或膨脹土。當素土中含有碎石時，其粒徑不得大於50mm。對於濕陷性黃土地基，素土料中不得夾有磚、瓦和石塊等滲水材料。
(3)灰土。灰土的體積配合比宜為2:8或3:7。土料宜用粘性七及塑性指數大於4的粉土，土料中不得含有鬆軟雜質，並應過篩，其顆粒不得大於15mm。灰土宜用新鮮的消石灰，其顆粒不得大於5mm。
(4)粉煤灰。可選用於排、濕排或調濕的低鈣灰。對於過濕的粉煤灰應瀝乾裝運，裝運時的含水量以15%~25%為宜。對於底層粉煤灰，宜選用較粗的灰，並使含水量稍低於最優含水量。
(5)乾渣。可根據工程的具體條件選用分級乾渣、混合乾渣或原狀乾渣。對於小面積墊層，一般採用8~40mm與40~60mm的分級乾渣或0~60mm的混合乾渣；對於大面積墊層，可採用混合乾渣或原狀乾渣，原狀乾渣最大粒徑不大於200mm或不大於碾壓分層虛鋪厚度的2/3。
2．施工機具
墊層施工應根據不同的換填材料選擇施工機具。素填土宜採用平碾或羊足碾；砂石等宜采有振動碾或振動壓實機；當有效夯實深度內土的飽和度小於並接近0.6時，可採用重錘夯實。
3．含水量要求
為獲得最佳夯壓效果，宜採用墊層材料的最優含水量ωop作為施工控制含水量。對於素土和灰土墊層，含水量可控制在最優含水量ωop+士2%的範圍內；當使用振動碾壓時，可適當放寬至最優含水量ωop的-6%~+2%範圍內。對於砂石料墊層，當使用平板振動器時，含水量可取15%~20%；當使用平碾或蛙式夯時，含水量可取8%~12%；當使用插入式振動器寸，砂石料則宜為飽和。對於粉煤灰墊層，含水量應控制在最優含水量ωop±4%的範圍內。
4．分層厚度
墊層的分層鋪填厚度以及每壓實遍數宜根據墊層材料、施工機械設備及設計要求等通過現場試驗確定。除接觸下臥軟土層的墊層應根據施工機械設備和下臥層土質條件的要求具有足夠的厚度外，一般情況下，墊層的分層鋪填厚度可取200—300mm，在不具備試驗條件的場合，為保證分層壓實質量，同時還應控制機械碾壓速度。
5．質量控制要求
墊層的質量必須分層控制及檢驗，並且以滿足設計要求的最小密度為控制標準。質量檢驗方法主要有環刀法和貫人測定法；另外，對於墊層填築工程竣工質量驗收還可用：①靜載荷試驗法；②N63.5標準貫人法;③N10輕便觸探法；④動測法；⑤靜力觸探法等中的幾種或一種方法進行檢驗。
各類墊層的質量控制可按下列要求進行：
(1)砂石墊層。對於中砂，要求最小乾密度ρd≥1.6t/m3；對於粗砂，要求最小乾密度ρd≥1.7 t/m3。；對於碎石或卵石，最小於密度ρd應根據經驗適當提高。
(2)粉煤灰墊層。要求壓實係數λ≥0.90。
3)素土墊層和灰土墊層。當墊層厚度不大於3m時，要求壓實係數λ≥0.93；當墊層厚度大於3m時，要求達到壓實係數λ≥0.95。
(4)乾渣墊層。要求達到表面堅實、平整、無明顯軟陷，並且壓陷差小於2mm。
