第2章换土垫层法课件.ppt
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1、第二章 换 填,第二章 换 填,本章主要内容1换填法的概念 2换填法分类与适用条件3换填法作用4换填法设计5换填法的施工要点6换填法的质量检验方法本章重点与难点:重点掌握换填法的概念、适用条件及其五个作用;对砂垫层厚度、宽度的设计;换填法的质量检验方法。,2.1 概 述,一、基本概念 当软弱土地基的承载力和变形满足不了建筑物的要求,而软弱土层的厚度又不很大时将基础底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去,然后分层换填强度较大的砂(碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰)或其它性能稳定、无侵蚀性等材料,并压(夯、振)实至要求的密实度为止,这种地基处理的方法称为换填法,也叫换填垫层法。二、基本原理
2、 换填法是浅层软土地基的处理方法,是将基础底面以下不太深的处理范围内的软弱土层挖去,然后以质地坚硬,强度较高,性能稳定好,具有抗侵蚀性的砂,卵石,素土等去分层换填,同时用人工或机械方法进行表层压,夯,振动等处理至满足工程要求的全过程。,2.1 概述,三、适用范围(1)常用于基坑面积宽大和开挖土方量较大的回填土方工程,一般适用于处理浅层软弱土层(淤泥质土、松散素填土、杂填土、浜填土以及已完成自重固结的冲填土等)与低洼区域的填筑。(2)一般处理深度为23m,最大小于3m,不小于0.5m。适用于处理浅层非饱和软弱土层、素填土和杂填土等。开挖基坑后,利用分层回填夯压,也可处理较深的软弱土层。但换填基坑
3、开挖过深,常因地下水位高,需要采用降水措施;坑壁放坡占地面积大或边坡需要支护;及因此易引起邻近地面、管网、道路与建筑的沉降变形破坏;再则施工土方量大、弃土多等因素,常使处理工程费用增高、工期拖长、对环境的影响增大等。因此,换填法的处理深度通常控制在3m以内较为经济合理。处理深度也要大于0.5m,如果垫层太薄,则换土垫层的作用不明显(3)换填垫层法常用于处理轻型建筑、地坪、堆料场及道路工程等,三、适用范围(4)换填垫层法适用于处理各类浅层软弱地基。当在建筑范围内上层软弱土较薄,则可采用全部置换处理。对于较深厚的软弱上层,当仅用垫层局部置换上层软弱土时,下卧软弱上层在荷载下的长期变形可能依然很大。
4、例如,对较深厚的淤泥或淤泥质土类软弱地基,采用垫层仅置换上层软土后,通常可提高持力层的承载力,但不能解决由于深层土质软弱而造成地基变形量大对上部建筑物产生的有害影响;或者对于体型复杂、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。(5)大面积填土产生的大范围地面负荷影响深度较深,地基压缩变形量大,变形延续时间长,与换填垫层法浅层处理地基的特点不同,因而大面积填土地基的设计施工应另行按国家现行有关规范执行。(6)不同材料垫层的使用范围见表2-1(p19),2.1概述,2.1 概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),垫层分类,回填材料,砂垫层,粉煤灰垫层,粉质粘土垫层,
5、灰土垫层,矿渣垫层,其他工业废渣垫层,土工合成材料垫层,2.1概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),1.砂垫层(材料要求)(1)宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑(粒径小于2mm的部分不应超过总重的45%),应级配良好,不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石粉(粒径小于0.075mm的部分不超过总重的9%)时,应掺入不少于总重30%的碎石或卵石。(2)砂石的最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄上地基,不得选用砂石等透水材料。(3)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%;(4)采用粉细砂作为换填材料时,应改善材料的级配状况,在掺加碎石或卵
6、石使其颗粒不均匀系数不小于5并拌合均匀后,方可用于铺填垫层。,2.1概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),2.粉质粘土垫层(材料要求)(1)土料中有机质含量不得超过5%,亦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、瓦和石块。(2)粘土及粉土均难以夯压密实,故换填时均应避免采用作为换填材料,在不得己选用上述土料回填时,也应掺入不少于30%的砂石并拌合均匀后,方可使用。(3)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。,2.1概述四
7、、垫层的分类(根据回填材料进行分类),3.灰土垫层(材料要求)(1)体积配合比宜为28或37。土料宜用粉质粘土,不宜使用块状粘土和砂质粉土,不得含有松软杂质,并应过筛,其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰,其颗粒不得大于5mm。(2)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)灰土所用的消石灰应符合级以上标准,贮存期不超过3个月,所含活性CaO和MgO越高则胶结力越强。通常灰土的最佳含灰率为CaO+MgO约达总量的8%。石灰应消解34d并筛除生石灰块后使用。,2.1概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分
8、类)+,4.粉煤灰垫层(材料要求)(1)可用于道路,堆场和小型建筑,构筑物等的换填垫层。(2)粉煤灰垫层上宜覆土0.30.5m。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。(3)作为建筑物垫层的粉煤灰应符合有关放射性安全标准的要求。粉煤灰垫层中的金属构件、管网宜采取适当防腐措施。大量填筑粉煤灰时应考虑对地下水和土壤的环境影响。,4.粉煤灰垫层(材料要求)+=(4)粉煤灰可分为湿排灰和调湿灰。(5)按其燃烧后形成玻璃体的粒经分析,应属粉土的范畴。但由于含有CaO、SO3等成分,具有一定的活性,当与水作用时,因具有胶凝作用的火山灰反应,使粉煤灰垫层逐渐获得(6)一定的强度与刚度,有效
9、地改善了垫层地基的承载能力及减小变形的能力。(7)不同于抗地震液化能力较低的粉土或粉砂,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。,2.1概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),2.1概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),5.矿渣垫层(材料要求)(1)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小于11kN/m3,有机质及含泥总量不超过5%。(2)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。作为建筑物垫层的矿
10、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。大量填筑矿渣时,应考虑对地下水和土壤的环境影响。,5.矿渣垫层(3)矿渣的稳定性是其是否适用于做换填垫层材料的最主要性能指标。当矿渣中CaO的含量小于45%及FeS与MnS的含量1%时,矿渣不会产生硅酸盐分解和铁锰分解,排渣时不浇石灰水,矿渣也就不会产生石灰分解,则该类矿渣性能稳定,可用于换填。(4)中、小型垫层可选用840mm与4060mm的分级矿渣或060mm的混合矿渣;较大面积换填时,矿渣最大粒径不宜大于200mm或大于分层铺填厚度的2/3。,2.1概述四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),四、垫层的分类(
11、根据回填材料进行分类),6.其他工业废渣垫层(1)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。(2)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。,四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),7.土工合成材料垫层由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。作为加筋的上工合成材料应采用抗拉强度较高、受力时伸长率不大于4%5%、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工垫或土工织物等土工合成材料;垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质粘土等材料。当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。在软土地基上使用
12、加筋垫层时,应保证建筑稳定并满足允许变形的要求。,7.土工合成材料垫层土工合成材料是近年来随着化学合成工业的发展而迅速发展起来的一种新型土工材料,主要由涤纶、尼龙、睛纶、丙纶等高分子化合物,根据工程的需要,加工成具有弹性、柔性、高抗拉强度、低伸长率、透水、隔水、反滤性、抗腐蚀性、抗老化性和耐久性的各种类型的产品。如各种土工格栅、土工格室、土工垫、土工网格、土工膜、土工织物、塑料排水带及其他土工复合材料等。用于换填垫层的土工合成材料,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、防止垫层被拉断裂和剪切破坏、保持垫层的完整性、提高垫层的抗弯刚度,因此利用土工合成材料加筋的垫层有效地改变了天
13、然地基的性状,增大了压力扩散角,降低了下卧天然地基表面的压力,约束了地基侧向变形,调整了地基不均匀变形,增大地基的稳定性并提高地基的承载力。,四、垫层的分类(根据回填材料进行分类),2.1概述,五、垫层的主要作用(5个)垫层的作用是:(1)提高地基承载力,并通过垫层的应力扩散作用,减少垫层下天然土层所承受的压力。从而使地基强度满足要求;(浅基础的地基承载力与持力层的抗剪强度有关。如果以抗剪强度较高的砂或其它填筑材料代替软弱的土,可提高地基的承载力,避免地基破坏。),垫层,基础,五、垫层的主要作用(5个)(2)垫层置换了软弱土层,从而可减少地基的变形量;减少沉降量 一般地基浅层部分沉降量在总沉降
14、量中所占的比例题是比较大的。以条形基础为例题,在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50%左右。如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层,就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它垫层对应力的扩散作用,使作用在下卧层土上的压力较小,这样也会相应减少下卧层土的沉降量。,五、垫层的主要作用(5个)(3)加速软土层的排水固结;建筑物的不透水基础直接与软弱土层相接触时,在荷载的作用下,软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出,因而使基底下的软弱土不易固结,形成较大的孔隙水压力,还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性大,软弱土层受压后,垫层可作为良好的排水
15、面,可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散,加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度,避免地基土塑性破坏。,五、垫层的主要作用(5个)(4)调整不均匀地基的刚度;(5)对湿陷性黄土、膨胀土或季节性冻土等特殊土,其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。防止冻胀 因为粗颗粒的垫层材料孔隙大,不易产生毛细管现象,因此可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。这时,砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。消除膨胀土的胀缩作用 在膨胀土地基上可选用砂、碎石、块石、煤渣、二灰或灰土等材料作为垫层以消除胀缩作用,但垫层厚度应依据变形计算确定,一般不少于0.3m,且垫层宽度应大于基础宽度,而基础的两侧
16、宜用与垫层相同的材料回填。,2.2、勘察和调查要求,(1)查明地层土性质及不良地质现象;查明沟、塘、洞等分布范围和深度;查明填土的成分、范围、厚度、均匀性、填筑年限和方法等(2)查明地下水的埋藏条件、类型、埋深等;(3)查明地下管线、防空洞及地下障碍物的分布范围和走向;(4)查明换填土的来源、种类、规格、价格等,2.3、垫层的设计(以砂垫层为例),2.3、垫层的设计,一、概述 垫层设计时,既要使建筑地基的强度和变形满足要求,还应使设计符合经济合理的原则。尽管垫层地基可以采用不同的材料,但垫层地基的变形特性则基本相似,现以砂垫层为例进行垫层的设计。对砂垫层的设计,既要求垫层有足够的厚度,以置换可
17、能被剪切破坏的软弱土层;又要求其有足够的宽度,以防止砂垫层向两侧挤出。,2.3、垫层的设计二、设计的内容与步骤,垫层厚度的确定,沉降计算,垫层宽度的确定,垫层承载力的确定,垫层设计,垫层尺寸,2.3、垫层的设计1.垫层厚度的确定(p22),(1).垫层厚度:应根据垫层底部下卧土层的承载力确定,并符合下式要求:(2-1)pz垫层底面处的附加应力设计值(kPa);(图2-3)pcz垫层底面处土的自重压力值(kPa);faz经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值(kPa),2.3、垫层的设计1.垫层厚度的确定,(2).pz、pcz、faz的确定垫层底面处的附加压力值 pz:条形基础:矩形基础:
18、b-矩形基础或条形基础底面的宽度(m);l-矩形基础底面的长度(m);P-基础底面压力的设计值(kPa);Pc-基础底面处土的自重压力值(kPa);z-基础底面下垫层的厚度(m);-垫层的压力扩散角()各种换填材料的应力扩散角值见表(23)。,2.3、垫层的设计1.垫层厚度的确定,表23压力扩散角(0)(p23的表2-3),注;当zb0.25时,除灰土取=30外,其余材料均取=0o;当0.25 0.5时,值可内插求得砂垫层厚度计算时,一般是先根据初步拟定的厚度,再用公式(21)进行复核。砂垫厚度一般不宜大于3m,太厚则施工困难;也不宜小于0.5m,太薄则换土垫层的作用不明显。采用该式确定垫层厚
19、度时,需要用试算法,即预先估计一个厚度,然后按上式校核。如不满足要求,则必须增加垫层厚度,直至满足要求为止。,。,2.3、垫层的设计2.垫层宽度的确定,垫层的宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。关于宽度计算,目前还缺乏可靠的方法。一般可按下式计算或根据当地经验确定。(2-4)b垫层底面宽度(m);垫层的压力扩散角(),可按查表p23页的2-3;当z/b0.25时,仍按z/b=0.25取值。,注意!各种垫层的宽度在满足式(2-4)的前提下,在基础底面标高以下所开挖的基坑侧壁呈直立状态时,则垫层顶面每边比基础底边缘多出的宽度应不小于300mm;若按当地开挖基坑经验的要求
20、,基坑须放坡开挖时,垫层的设计断面则呈上宽下窄的梯形。整片垫层的宽度可以根据施工要求适当加宽。,第三节、垫层的设计2.垫层宽度的确定,2.3、垫层的设计3.垫层承载力的确定,(1)垫层的承载力取决于材料性质、施工机械、质量等方面。(2)垫层的承载力一般宜通过现场试验确定。(3)缺乏资料时,可以根据p23的表2-4取值。(4)下卧层的承载力应满足(2-1)的要求。,2.3、垫层的设计4.沉降计算,(一)地基变形量计算的目的 地基基础设计规范规定,对于一些地基(重要建筑或垫层下存在软弱下卧层)除了进行承载力计算外,还需进行变形量计算,计算的目的是为了保证由于地基沉降而引起的建筑物上部结构的变形不出
21、现妨碍使用的裂缝。(二)计算的对象重要的、有纪念性的大型建、构筑物;生产工艺上、使用上对地基沉降有特殊要求的建、构筑物;平面图形复杂的建、构筑物;相邻建筑物荷载和作用形式上显著不同时;因变形产生的沉降会影响正常使用,得事先计算地基变形以便设计时采取提高建筑物、构筑物低层标高的措施者;对地基不均匀沉降较敏感的建筑物或构筑物。垫层下存在软弱下卧层。,2.3、垫层的设计4.沉降计算,(三)、沉降量计算 建筑物基础沉降等于垫层自身的变形量s1与下卧土层的变形量s2之和。即:s=s1+s2 s_基础的沉降量(mm)s1_垫层自身变形量(mm)s2压缩层厚度范围内(自垫层底面算起)各个压缩变形之和(mm)
22、对超出原地面标高的垫层或换填材料的密度大于天然土层密度的垫层,宜早换填并应考虑其附加的荷载对建造的建筑物及邻近建筑物的影响。,2.3、垫层的设计4.沉降计算,(1)垫层自身的变形量s1,(2)下卧土层的变形量s2,如果在下卧层内是成层土层,有n层,则其变形量:,地面,基底,Z i-1,Zi,Z,式中s地基最终变形量(mm);s按分层总和法计算出的地基变形量;s沉降计算经验系数,根据地区沉降观测资料及经验确定,n地基变形计算深度范围内所划分的土层数;p0基础底面处的附加压力(kPa);Esi基础底面下第i层土的压缩模量(MPa),应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算;zi、z
23、i1基础底面至第i层土、第i1层土底面的距离(m);ai、ai1基础底面计算点至第i层土、第i1层土底面范围内平均附加应力系数,可按本规范附录采用。,计算例题,(1)有一座四层砖混结构的办公楼,承重墙下为条形基础,宽1.2米,埋深1.1米,上部建筑物作用于基础的荷载为120KN/m,基础的平均重度为20KN/m3。地基土表层为粉质粘土,厚1.0m,重度为17.5KN/m3;第二层为淤泥质粘土,厚15m,重度为17.8KN/m3,含水量w=65%;地基承载力特征值为45kPa;第三层为密实的砂砾石。地下水距地表为1m,因为是软弱的地基土,不能承受建筑物的荷载,经几个方案比较,决定采用直接用人工就
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