任务2.2 垫层的设计
垫层的设计不但要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，而且应符合经济合理的原则。垫层设计前应根据建筑体型、结构特点、荷载性质、场地土条件、施工机械设备和填料性质和来源等进行综合分析。垫层的设计内容主要包括垫层厚度和宽度的确定两个方面，要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出；对于有排水作用的砂（石）垫层，除有一定的厚度和宽度满足上述要求外，还要在基底形成一个排水面，以保证地基土排水路径的畅通，促进地基土的固结，从而提高地基强度。
垫层按回填材料可分为：砂垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层、矿渣垫层和土工合成材料垫层等。不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但根据试验结果和实测资料，垫层地基的强度和变形特性基本相似，因此可将各种材料的垫层设计近似的按砂垫层的设计方法进行计算。
2.2.1 垫层厚度设计
合理确定垫层厚度是垫层设计的主要内容。如图2.6所示，垫层的厚度z一般根据需要置换土层的深度或下卧土层的承载力确定，要求作用在垫层底面软弱土层顶部的自重压力与附加压力之和不大于该高程处软弱土层的承载力值，即符合式（2.1）的要求。对于浅层软土厚度不大的工程，应置换掉全部软弱土。
图2.6 垫层内应力分布
式中 pz——垫层底面处的附加压力值，kPa；
pcz——垫层底面处土的自重压力值，kPa；
faz——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa。
垫层底面处的附加压力pz，可按应力扩散角θ根据式（2.2）和式（2.3）进行简化计算：
条形基础：
矩形基础：
式中 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；
pk——基础底面处的平均压力值，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；
θ——垫层的压力扩散角，（°），宜通过试验确定。无试验资料时，各种换填材料的压力扩散角θ值见表2.3。
表2.3 压力扩散角θ 单位：（°）
注 当z／b<0.25时，除灰土取θ=28°外，其余材料均取θ=0°，必要时宜由试验确定。
当0.25<z/b<0.5时，θ值可内插求得；土工合成材料加筋垫层应力扩散角宜由现场静载荷试验确定。
垫层厚度计算时，一般是先根据初步拟定的厚度，再用式（2.1）进行复核。一般情况下，换填垫层的厚度不宜小于0.5m，也不宜大于3m。太薄则换填垫层的作用不明显；垫层太厚，成本高且施工比较困难，垫层效用并不随厚度线性增加。
2.2.2 垫层宽度的设计
垫层的宽度一方面要满足压力扩散的要求，另一方面应根据垫层侧面土的强度条件。当其侧面土质较好时，垫层宽度略大于基底宽度即可，当其侧面土质较差时，如果垫层宽度不足，垫层就有可能被挤入四周软弱土层中，促使侧面软土的变形和地基沉降的增大。垫层顶面每边超出基础底边应大于ztanθ，不得小于300mm，且从垫层底面两侧向上，按基坑开挖期间保持边坡稳定性的当地经验放坡确定。整片垫层底面的宽度可根据施工要求适当加宽。
砂垫层底面宽度b′（以m计）应满足基础底面压力扩散的要求，可以按式（2.4）确定。
式中 b′——垫层底面宽度，m；
θ——压力扩散角，根据表2.3取值，当z/b<0.25时，按表2.3中z/b=0.25取值。
2.2.3 换填垫层承载力的确定
经换填处理后的地基，由于理论计算方法尚不够完善，或由于较难选取有代表性的计算参数等原因，因而难于通过计算准确确定地基承载力。垫层的承载力宜通过现场静载荷试验确定。对于现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）设计等级为丙级的建筑物及一般的小型、轻型或对沉降要求不高的工程，在无试验资料或经验时，当施工达到要求的压实标准后，在进行垫层设计时，可根据表2.4确定。
表2.4 各种垫层的压实标准及承载力
注 1.压实系数小的垫层，承载力特征值取低值，反之取高值；原状矿渣垫层取低值，分级矿渣或混合矿渣垫层取高值。
2.压实系数λc为土的控制干密度ρd与最大干密度ρdmax比值，土的最大干密度宜采用击实试验确定，碎石或卵石的最大干密度可取2.0～2.2t／m3。
3.表中压实系数λc系使用轻型击实试验测定土的最大干密度ρdmax时给出的压实控制标准，采用重型击实试验时，对于粉质黏土、灰土、粉煤灰及其他材料压实标准应为压实系数λc≥0.94。
4.矿渣垫层的压实指标在采用8t的平碾或振动碾施工时按最后两遍压实的压陷差小于2mm控制。
2.2.4 沉降量计算
垫层的变形由垫层自身变形和下卧层变形组成，在满足前述设计要求的基础上可只考虑下卧层的变形。对于沉降有严格限制的建筑，应计算垫层自身变形。垫层下卧层的变形量可按现行国家标准《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）的规定进行计算。
对于垫层下存在软弱下卧层的建筑，在进行地基变形计算时应考虑邻近建筑物基础荷载对软弱下卧层顶面应力叠加的影响。当超出原地面标高的垫层或换填材料的重度高于天然土层重度时，应及时换填，并应考虑其附加载荷的不利影响。
2.2.5 垫层材料的选用
1.砂石
砂石垫层宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不超过总重的45%），且级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质，其含泥量不超过5%。若用做排水固结的砂垫层，其含泥量不应超过3%。若用粉细砂作为换填材料时，不容易压实，而且强度也不高，使用时应掺入不少于总重量30%的碎石或卵石，使其分布均匀，最大粒径不得超过50mm。对于湿陷性黄土地基的垫层，不得选用砂石等透水性材料。
2.粉质黏土
土料中有机质含量不得超过5%，且不得含有冻土和膨胀土。当含有碎石时粒径不得大于50mm。对湿陷性黄土和膨胀土地基的粉质黏土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。换填时尽量避免采用黏土作为换填材料，在不得已选用时，应掺入不少于30%的砂石并拌和均匀后方可使用。当采用粉质黏土大面积换填并使用大型机械夯压时，土料中碎石粒径可稍大于50mm，但不宜大于100mm，否则影响垫层的夯压效果。
3.灰土
灰土体积配合比宜为2：8或3：7。石灰用新鲜的消石灰，其最大粒径不得大于5mm，石灰应消解3～4d并筛除生石灰块后使用。土料宜用粉质黏土，不宜使用块状黏土且不得含有松软杂质，土料应过筛且最大粒径不得大于15mm。
4.粉煤灰
选用的粉煤灰应满足相关标准对腐蚀性和放射性的要求。粉煤灰垫层上宜覆盖0.3～0.5m厚的黏性土，以防干灰飞扬，同时减少碱性对植物生长的不利影响，有利于环境绿化。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。
5.矿渣
垫层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。矿渣的松散重度不小于11kN／m3，有机质和含泥量不超过5%。设计、施工前必须对所选的矿渣进行试验，在确认其性能稳定并满足腐蚀性和放射性安全的要求后方可使用。易受酸、碱影响的基础或地下管网不得采用矿渣垫层。大量填筑矿渣时应经场地地下水和土壤环境的不良影响评价合格后，方可使用。对中、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或大于分层铺筑厚度的2/3。
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、透水性强无腐蚀性和放射性危害的工业废渣等亦可用于填筑换填垫层，但应经过现场试验证明其经济技术效果良好且施工措施完善后方可使用。
7.土工合成材料
由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。土工合成材料的品种、性能及填料的土类应根据工程特性和地基土条件，按照《土工合成材料应用技术规范》（GB 50290—1998）的要求，通过设计并进行现场试验后确定。作为加筋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、中砂等材料，且不含氯化钙、碳酸钠、硫化物等化学物质。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。在软土地基上使用加筋垫层时，应保证建筑物稳定并满足允许变形的要求。