換填法

換填法是將基礎地面以下一定範圍內的軟弱土挖去，然後回填強度高，壓縮性較低，並且沒有侵蝕性的材料的方法。

基本介紹

• 中文名：換填法
• 外文名：Replacement Method、Cushion
• 別名：換土法；換填地基法
• 套用範圍：公路，房屋等
• 換填材料：砂、碎石、灰土、煤渣、礦渣等
• 作用：提高地基承載力；減少沉降量

定義

換填法又稱換土法。所謂換土法是指將路基範圍內的軟土清除，用穩定性好的土、石回填並壓實或夯實。在公路施工中，一般採用的是開挖換填天然砂礫，即在一定範圍內，把影響路基穩定性的淤泥軟土用挖掘機挖除，用天然砂礫進行換置，開挖換填深度在2m以內，採用分層填築、分層壓實、分層檢測壓實度的方法施工。從而改變地基的承載力特性，提高抗變形和穩定能力。在換填過程中，對於換填的天然沙礫中石頭的粒徑、含量和級配也應充分考慮，最好做試驗檢測，避免無法壓實而引起沉降。

淺層處理和深層處理很難明確劃分界限，一般可認為地基淺層處理的範圍大致在地面以下5m深度以內。淺層人工地基的採用不僅取決於建築物荷載量值的大小，而且在更大程度上與地基土的物理力學性質有關。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和施工設備，耗費較少量的材料。

適用範圍

換填法(Replacement Method、Cushion)就是將基礎底面以下不太深的一定範圍內的軟弱土層挖去，然後以質地堅硬、強度較高、性能穩定、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，並同時以人工或機械方法分層壓、夯、振動，使之達到要求的密實度，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、變形小等優點。

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定、無侵蝕性的材料做的墊層等。

換填法適用於淺層地基處理，包括淤泥、淤泥質土、鬆散素填土、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築。換填法還適用於一些地域性特殊土的處理，用於膨脹土地基可消除地基土的脹縮作用，用於濕陷性黃土地基可消除黃土的濕陷性，用於山區地基可用於處理岩面傾斜、破碎、高低差，軟硬不勻以及岩溶等，用於季節性凍土地基可消除凍脹力和防止凍脹損壞等。

墊層作用

1、提高地基承載力，大家知道，淺基礎的地基承載力與基礎下土層的抗剪強度有關。如果以抗剪強度較高的砂或其它填築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。以條形基礎為例，在相當於基礎寬度的深度範圍內的沉降量約占總沉降量的50%左右。加以密實砂或其它填築材料代替上部軟弱土層，就可以減少這部分的沉降量。由於砂墊層或其它墊層對應力的擴散作用，使作用在下臥層土上的壓力減小，這樣也會相應減小下臥層土的沉降量。

3、加速軟弱土層的排水固結，建築物的不透水基礎直接與軟弱土層相接觸時，在荷載的作用下，軟弱土地基中的水被迫繞基礎兩側排出，因而使基底下的軟弱土不易固結，形成較大的孔隙水壓力，還可能導致由於地基強度降低而產生塑性破壞的危險。砂墊層和砂石墊層等墊層材料透水性大，軟弱土層受壓後，墊層可作為良好的排水面，可以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，因為粗顆粒的墊層材料孔隙大，不易產生毛細管現象，因此可以防止寒冷地區土中結冰所造成的凍脹。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，在膨脹土地基上採用換土墊層法時，一般可選用砂、碎石、塊石、煤渣或灰土等作為墊層，但是墊層的厚度應根據變形計算確定，一般不小於30cm，且墊層的寬度應大於基礎的寬度，而基礎兩側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，採用素土、灰土或二灰土墊層處理濕陷性黃土，可用於消除1～3m厚黃土層的濕陷性。

7、用於處理暗浜和暗溝的建築場地，城市建築場地，有時遇到暗浜和暗溝。此類地基具有土質鬆軟、均勻性差、有機質含量較高等特點，其承載力一般都滿足不了建築物的要求。一般處理的方法有基礎加深、短柱支承和換土墊層。而換土墊層適用於需要處理範圍較大，處理深度不大，土質較差，無法直接作為基礎持力層的情況。

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。一般工業與民用建築物基礎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作用，提高固結速率，促使地基土的強度增長。換土墊層視工程具體情況而異，軟弱土層較薄時，常採用全部換土，軟弱土層較厚時，可採用部分換土，並允許有一定程度的沉降及變形。

如前所述，換填法的主要作用是改善原地基土的承載力並減少其沉降量。這一目的通常是通過外界的壓（夯、振）實功來實現的。

當地基軟弱土層較薄，而且上部荷載不大時，也可直接以人工或機械方法(填料或石填料)進行表層壓、夯、振動等密實處理，同樣可取得換填加固地基的效果。

壓實作用

土的壓實：是指土體在壓實能量作用下，土顆粒克服粒間阻力，產生位移，使土中孔隙減小，密度增加。土的壓實性：是指土在壓實能量作用下能被壓密的特性。影響土壓實性的因素很多，主要有含水量、擊實功及土的級配等。

1、土的壓實與含水量的關係

在低含水量時，水被土顆粒吸附在土粒表面，土顆粒因無毛細管作用而互相聯結很弱，土粒在受到夯擊等衝擊作用下容易分散而難於獲得較高的密實度。

在高含水量時，土中多餘的水分在夯擊時很難快速排出而在土孔隙中形成水團，削弱了土顆粒間的聯結，使土粒潤滑而變得易於移動，夯擊或碾壓時容易出現類似彈性變形的“橡皮土”現象（軟彈現象），失去夯擊效果。

所以，含水量太高或太低都得不到好的壓實效果。要使土的壓實效果最好，其含水量一定要適當。

土的乾密度是反映土的密實度的重要指標。

將同一種土，配製成若干份不同含水量的試樣，用同樣的壓實能量分別對每一份試樣進行擊實後，測定各試樣擊實後的含水量 和乾密度 ，從而繪製含水量與乾密度關係曲線，稱為壓實曲線。

壓實曲線表明，存在一個含水量可使填土的乾密度達到最大值，產生最好的擊實效果。

最優含水量：將這種在一定夯擊能量下填土最易壓實並獲得最大密實度的含水量稱作土的最優含水量，用wop表示。

最大幹密度：在最優含水量下得到的乾密度稱作填土的最大幹密度，用ρdmax表示。

2、擊實功

擊實功是用擊數來反應的，如用同一種土料，在同一含水量下分別用不同擊數進行擊實試驗，就能得到一組隨擊數不同的含水量與乾密度關係曲線。從而得出如下結論：

對於同一種土，最優含水量和最大幹密度隨壓實功能而變化；

擊實功能愈大，得到的最優含水量愈小，相應的最大幹密度愈高。但乾密度增大不與擊實功增大成正比，故企圖單存的用增大擊實功以提高幹密度是不經濟的。有時還會引起填土面出現所謂“光面”。

含水量超過最優含水量以後，壓實功能的影響隨含水量的增加而逐漸減小 ；

擊實曲線和飽和曲線（土在飽和狀態 =100%時含水量與乾密度的關係曲線）不相交，且擊實曲線永遠在飽和曲線的下方。

這是因為在任何含水量下，土都不會被擊實到完全飽和狀態，亦即擊實後的土內總留存一定量的封閉氣體，故土是非飽和的。相應於最大幹密度的飽和度在80%左右。

3、土的級配

級配良好的土易於壓實，壓實性較好，這是因為不均勻土內較粗土粒形成的孔隙有足夠的細土粒去充填，因而能獲得較高的乾密度。均勻級配的土壓實性較差，因為均勻土內較粗的土粒形成的孔隙很少有細土粒去充填。

以上所揭示的土的壓實特性均是由室內擊實試驗中得到的。但實際工程中墊層填土、路堤施工填築的情況與室內擊實試驗的條件是有差別的。室內擊實試驗是用錘擊的方法使土體密度增加。實際上擊實試驗使土樣在有側限的擊實筒內進行，不可能發生側向位移，力作用在有側限的土體上，則夯實會均勻，且能在最優含水量狀態下獲得最大幹密度。而現場施工的土料，土塊大小不一，含水量和鋪填厚度又很難控制均勻，實際壓實土的均勻性會較差。因此，施工現場所能達到的乾密度一般都低於擊實試驗所獲得的最大幹密度。因此，對現場土的壓實，應以壓實係數與施工含水量來進行控制。

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、墊層的寬度、承載力和沉降。

墊層設計的主要內容是確定斷面的合理厚度和寬度。對於墊層，既要求有足夠的厚度來置換可能被剪下破壞的軟弱土層，又要有足夠的寬度以防止墊層向兩側擠出。對於排水墊層來說，除要求有一定的厚度和密度滿足上述要求外，還要求形成一個排水面，促進軟弱土層的固結，提高其強度，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墊層底面處土的自重應力與附加應力之和不大於同一標高處軟弱土層的容許承載力。

墊層厚度一般不宜大於3m，也不宜小於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，除應滿足計算要求外，還應根據當地的經驗綜合考慮。

2、墊層寬度的確定

墊層的寬度除應滿足基礎地面應力擴散的要求外，還應考慮墊層側面土的強度條件，防止墊層材料由於側面土的強度不足或由於側面土的較大變形而向側邊擠出，增大墊層的豎向變形，使建築物沉降增大。

3、墊層承載力的確定

經換填處理後的地基，由於理論計算方法尚不完善，墊層的承載力宜通過現場荷載試驗確定，如對於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、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，由於墊層材料模量遠大於下臥層模量，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。墊層下臥層的沉降量可按國標準《建築地基基礎設計規範》GB 5007的有關規定計算以保證墊層的加固效果及建築物的安全使用。

施工方法

換土墊層的施工可按換填材料(如砂石墊層、素土墊層、灰土墊層、粉煤灰墊層和礦渣墊層等)分類，或按壓(夯、振)實方法分類。目前國內常用的墊層施工方法，主要有機械碾壓法、重錘夯實法和振動壓實法。

機械碾壓法是採用各種壓實機械，如壓路機、羊足碾、振動碾等來壓實地基土的一種壓實方法。這種方法常用於大面積填土的壓實、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。施工時，先按設計挖掉要處理的軟弱土層，把基礎底部土碾壓密實後，再分層填土，逐層壓密填土。

重錘夯實法是利用起重設備將夯錘提升到一定高度，然後自由落錘，利用重錘自由下落時的衝擊能來夯實淺層土層，重複夯打，使淺部地基土或分層填土夯實。主要設備為起重機、夯錘、鋼絲繩和吊鉤等。重錘夯實法—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，用以提高其強度，減少其壓縮性和不均勻性，也可用於消除或減少濕陷性黃土的表層濕陷性，但在有效夯實深度記憶體在軟弱土時，或當夯擊振動對鄰近建築物或設備有影響時，不得採用。因為飽和土在瞬間衝擊力作用下水不易排出，很難夯實。

振動壓實法是利用振動壓實機將鬆散土振動密實。地基土的顆粒受振動而發生相對運動，移動至穩固位置，減小土的孔隙而壓實。此法適用於處理無粘性土或粘粒含量少、透水性較好的鬆散雜填土以及礦渣、碎石、礫砂、礫石、砂礫石等地基。

總的來說，墊層施工應根據不同的換填材料選擇施工機械。粉質粘土、灰土宜採用平碾、振動碾和羊足碾，中小型工程也可採用蛙式打夯機、柴油夯；砂石等宜採用振動碾；粉煤灰宜用平碾、振動碾、平板式振動器、蛙式夯；礦渣宜採用平碾、振動碾、平板式振動器。

1、材料要求

在墊層的施工中，填料質量的好壞、是直接影響墊層施工質量的關鍵因素。對於砂、石料和礦渣等墊層主要檢驗其粒徑級配以及含泥量，對於土、石灰填料主要檢查其含水量是否接近最優含水量，石灰的質量等級以及活性CaO十MgO的含量、存放時間等。

2、施工參數、機具及方法選擇

砂石墊層選用的砂石料應進行室內擊實試驗，根據 曲線確定最大幹密度 和最優含水量 ，然後根據設計要求的壓實係數 確定設計要求的 ，以此作為檢驗砂石墊層質量控制的技術指標。在無擊實試驗數據時，砂石墊層的中密狀態可作為設計要求的乾密度：中砂1.6 ，粗砂1.7 ，碎石、卵石2.0～2.1 即可。

砂和砂石墊層採用的施工機具和方法對墊層的施工質量至關重要。下臥層是高靈敏度的軟土時，在鋪設第一層時要注意不能採用振動能量大的機具擾動下臥層，除此之外，一般情況下，砂及砂石墊層首先用振動法。因為，振動法更能有效地使砂和砂石密實。我國目前常採用的方法有振動壓實法(包括平振和插振)、夯實法、碾壓法等。常採用的機具有：振搗器、振動壓實機、平板振動器、蛙式打夯機、壓路機等。

3、施工要點

⑴ 砂墊層施工中的關鍵是將砂加密到設計要求的密實度。加密的方法常用的有振動法(包括平振、插振、夯實)、碾壓法等。這些方法要求在基坑內分層鋪砂，然後逐層振密或壓實，分層的厚度視振動力的大小而定，—般為15～20cm。施工時，應將下層的密實度經檢驗合格後，方可進行上層施工。

⑵ 砂及砂石料可根據施工方法的不同控制最優含水量。最優含水量由工地試驗確定。

⑶ 鋪筑前，應先行驗槽。浮土應清除，邊坡必須穩定，防止塌土。基坑(槽)兩側附近如有低於地基的孔洞、溝、井和墓穴等，應在未做墊層前加以填實。

⑷ 開挖基坑鋪設砂墊層時，必須避免擾動軟弱土層的表面，否則坑底土的結構在施工時遭到破壞後，其強度就會顯著降低，以致在建築物荷重的作用下，將產生很大的附加沉降。因此，基坑開挖後應及時回填，不應暴露過久或浸水，並防止踐踏坑底。

⑸ 砂、砂石墊層底面應鋪設在同一標高上，如深度不同時，基坑地基土面應挖成踏步（階梯）或斜坡搭接，搭接處應注意搗實，施工應按先深後淺的順序進行。

⑹ 人工級配的砂石墊層，應將砂石拌和均勻後，再行鋪填搗實。採用細砂作為墊層的填料時，應注意地下水的影響，且不宜使用平振法、插振法。

⑺ 地下水位高出基礎底面時，應採用排水降水措施，這時要注意邊坡的穩定，以防止塌土混入砂石墊層中影響墊層的質量。

質量檢驗

墊層質量檢驗包括：分層施工質量檢查和工程質量驗收。

分層施工的質量和質量標準應使墊層達到設計要求的密實度。檢驗方法主要有：環刀法和貫入法(可用鋼叉或鋼筋貫入代替)兩種。

⑴ 環刀法：用容積不小於200 的環刀壓入墊層中的每層2/3的深度處取樣，測定其乾密度，乾密度應不小於該砂石料在中密狀態的乾密度值。

⑵ 貫入測定法：先將砂墊層表面3cm左右厚的砂颳去，然後用貫入儀、鋼釵或鋼筋以貫入度的大小來定性地檢驗砂墊層質量，以不大於通過相關試驗所確定的貫入度為合格。鋼筋貫入法所用的鋼筋為￠20mm，長1.25m的平頭鋼筋，垂直舉離砂墊層表面70cm時自由下落，測其貫入深度。鋼叉貫入法所用的鋼叉如圖（有四齒，齒的間距、長，木柄長，重40N），它於50cm高處自由落下，測其貫入深度。

工程竣工質量驗收的檢測、試驗方法有：

⑴ 靜載荷試驗

根據墊層靜載荷實測資料，確定墊層的承載力和變形模量。

⑵ 靜力觸探試驗

根據現場靜力觸探試驗的比貫入阻力 曲線資料，確定墊層的承載力及其密實狀態。

⑶ 的標準貫入試驗

由標準貫入試驗的貫入錘擊數，換算出墊層的承載力及其密實狀態。

⑷ 輕便觸探試驗

利用輕便觸探試驗的錘擊數，確定墊層的承載力、變形模量和墊層的密實度。

⑸ 中型或重型以及超重型動力觸探試驗

根據動力觸探試驗錘擊數，確定墊層的承載力、變形模量和墊層的密實度。

⑹ 現場取樣做物理、力學性質試驗

檢驗墊層竣工後的密實度，估算墊層的承載力及壓縮模量。

上述試驗、檢測項目，對於中小型工程不需全部採用，對於大型或重點工程項目應進行全面的檢查驗收。

其檢驗數量每單位工程不應少於3點；1000 以上工程，每100 至少應有1點；3000 以上的工程，每300 至少應有1點。每一獨立基礎下至少應有1點，基槽每10～20m應有1點。

常見問題

1、機械開挖基坑時，出現超挖現象，使墊層的下臥土層發生擾動，降低了基底軟土的強度。

預防的辦法是：機械開挖基坑時，預留30～50cm的土層由人工清理。

處理的辦法是：如實際中出現了超挖的現象或基坑底的土受到擾動，如標高允許的話，適當調整墊層的標高，由人工清理掉基坑底的擾動軟土，再進行墊層施工。

2、進廠材料不符合質量要求。

常見的材質方面的問題有：進廠的砂石材料級配不合理，含泥量過大；石灰、粉煤灰不符合質量等級要求，含水量過大或過小，有機質含量過高，石灰的存放時間過長等；灰土拌合不均勻；土料含水量過大或過小，土料沒過篩就使用，土料含有機質、雜質過多。如此種種。

預防和處理辦法，要針對不同的質量不合格原因，採取相應的措施。總起來說，就是要嚴把材料近料關，定期對材料進行抽樣檢查，甚至對每批進廠材料均要抽樣檢查，嚴禁不合格的填料用於墊層工程中。

3、分層填築密實度不均勻或密度值太小。

產生的原因主要是，由於施工時分層厚度太大，導致分層鋪築密實度達不到設計要求，或者由於填土的含水量遠大於或小於其最優含水量以及壓實遍數不夠均會導致墊層密實度達不到設計要求。另外，密實度不均勻也是由於施工方法不當引起。

預防和處理辦法：改進施工方法，採用恰當的分層厚度、壓實遍數，嚴格控制施工時填料的含水量接近其最優含水量。對於砂石墊層、乾渣墊層，一般要保持灑水飽和時進行施工。對素土、灰土和粉煤灰墊層，含水量要在 範圍內施工才能達到設計密實度。另外在墊層搭接部位要嚴格控制，避免發生密實度不均勻，適當增加質量抽檢數量和次數，防止這種現象出現。基坑底已存在的古穴、古井、空洞等未及時發現，也會導致墊層施工後密實度不均勻，所以在驗槽時，對這些問題要詳細勘查、排除。

檢查方法

1、施工前應對換填的範圍和深度進行核實。結合高速鐵路沉降控制的需要，應對土質地基和軟質岩及強風化硬質岩地基進行原位測試檢測，檢查下承層地基土層是否滿足設計要求，其目的是充分掌握下承層地基的土質特性，足夠準確地評價地基和路基土工結構物的變形狀態，如發現與設計不符時應及時反饋信息，以便最佳化調整地基換填處理措施。

2、當採用機械挖除換填土時，應預留保護層由人工清理，保護層的厚度宜為30cm～50cm。基底為軟質岩及強風化硬質岩，當底部起伏較大時，可設定台階或緩坡，並按先深後淺的順序進行換填。

3、換填深度應滿足設計要求。

檢驗數量：施工單位沿線路每100m抽樣檢驗5處。監理單位沿線路每100m抽樣檢驗1處。

檢驗方法：尺量、測量儀器測量。

4、換填深度範圍內的土層應挖除乾淨，坑底應按設計要求整平。

檢驗數量：施工單位、監理單位全部檢驗。

檢驗方法：觀察。

5、換填基底開挖處理後的基底壓實質量應符合設計要求。

檢驗數量：施工單位沿線路縱向每100m抽樣檢驗3點，其中線路中間1點，兩側距換填邊緣2m處各1點。監理單位按施工單位抽樣檢驗數量的10%平行檢驗。

檢驗方法：按《鐵路工程土工試驗規程》（TB10102）規定的試驗方法進行檢驗。

6、換填基坑坡腳線位置的允許偏差為-50 mm。

檢驗數量：施工單位每換填基坑沿線路縱向及橫向各抽樣檢驗4處。

檢驗方法：經緯儀測量。

7、換填頂面高程、橫坡的允許偏差、檢驗數量及檢驗方法應符合下表的規定。

換填頂面高程、橫坡的允許偏差、檢驗數量及檢驗方法

序號	檢驗項目	允許偏差	施工單位檢驗數量	檢驗方法
1	頂面高程	±50mm	沿線路縱向每100m抽樣檢驗5處	測量儀器測
2	橫 坡	±0.5%	沿線路縱向每100m抽樣檢驗5個斷面	坡度尺量