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2　换填垫层处理技术与应用

2.1　加固机理

2.1.1　垫层的作用

换土垫层处理软土地基，其作用主要体现在以下几个方面。

（1）提高浅层地基承载力

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他填筑材料代替软弱的土，就可提高地基承载力，并将建筑物基础压力扩散到垫层以下的软弱地基，避免地基遭到破坏。

（2）减少地基的变形量

一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的比例较大。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内其沉降量约占总沉降量的50％。若以密实砂或其他填筑材料来代替上部软弱土层，即可少这部分的沉降量。由于砂垫层或其他垫层具有应力扩散作用，使作用在下卧层土上的压力较小，所以可相应减少下卧层土的沉降量。

（3）加速软土层的排水固结

当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会被迫绕基础两侧排出，从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的透水性大，软弱土层受压以后，垫层可作为良好的排水面，能够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并提高其强度，避免地基土发生塑性破坏。

采用透水材料做垫层相当于增设了一层水平排水通道，起到排水作用。在建筑物的施工过程中，孔压消散加快，有效应力增加也相应加快，有利于提高地基承载力，增加地基的稳定性，加速施工进度以及减小建筑物建成后的工后沉降。

（4）防止土的冻胀

由于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而造成的冻胀。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。

（5）消除地基土的湿陷性、胀缩性或冻胀性

对于湿陷性黄土、膨胀土或季节性冻土等特殊土来说，处理的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。

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来确定，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填。

换土垫层法在处理一般软弱地基时，主要可起到上述前三种作用，而在某些工程中也可能几种作用同时发挥，如既起到提高地基承载力、减小沉降量的作用，又起到排水作用。

2.1.2　土的压实原理

（1）土的压实原理

①当黏性土的含水量（以质量分数计，以下同）较小时，水化膜很薄，以结合水为主，颗粒间的引力大，在一定的外部压实功的作用下，还不能克服这种引力而使土粒相对移动，压实效果差，土的干密度较小。

②当土的含水量增加时，结合水膜逐渐增厚，颗粒间的引力减弱，土粒在相同的压实功下易于移动而挤密，压实效果提高，土的干密度也随之提高。

③当土中的含水量增加到一定程度后，孔隙中开始出现自由水，此时结合水膜的扩大作用并不明显，颗粒间的引力很弱，但自由水充填在孔隙中，阻止了土粒间的移动，并随着含水量的继续增加，移动阻力也逐渐增大，压实效果反而下降，土的干密度随之减小。

（2）最优含水量

工程实践表明，要使土的压实效果达到最佳，其含水量一定要适当。对过湿的土进行碾压会出现“橡皮土”，不能增大土的密实度；而对很干的土进行碾压，也不能把土充分压实。这说明填土的压实存在着最优含水量的问题。

工程上，对垫层碾压质量的检验，要求能够获得填土的最大干密度ρdmax，一般可通过室内击实试验来确定ρdmax的大小。

在标准击实方法的条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，从而绘制出土的干密度（ρd）与制备土样含水量（w）之间的关系曲线，在该曲线上干密度ρd的峰值即为最大干密度ρdmax，与之对应的制备土样含水量就是最优含水量wop，如图2-1所示。从图中曲线分析可以看出，对于饱和土（饱和度Sr＝100％）其理论曲线高于制备土样的试验曲线，这是因为理论曲线假定了土中孔隙完全被水充满，无空气存在，但实际土样中的空气却不可能被完全排出，所以实际土样的干密度小于理论值。