1、完整版浅论用换土垫层处理软弱土地基地质毕业论文设计优秀论文 审核通过未经允许 切勿外传河南工程学院毕业论文浅论用换土垫层处理软弱土地基姓 名 系 部 资源与环境工程系 专 业 工程地质勘查 指导教师 2011年6月7日摘 要随着现代化建设进程的加快,中国工程建设规模日益扩大、难度不断提高,对地基提出更高的要求。人们常将不断满足建筑物对地基要求的天然地基称为软弱地基或不良地基。软弱地基通常要经过人工处理后再建造基础,这种地基加固称为地基处理,建造物的地基问题包括以下三类:(1)地基承载力及稳定性问题;(2)沉降、水平位移及不均匀沉降问题;(3)渗流问题。当天然地基存在上述三类问题之一或其中几个问
2、题时,需要采取各种地基处理措施,形成人工地基以满足建筑物对地基的各项要求,保证其安全和正常使用。随着土木工程的不断发展，越来越多的土木工程向高、大方向发展，而采用天然地基又不经济（超深），所以往往采用对天然地基进行处理的方法，以满足建（构）筑物对地基的要求。各种各样的建（构）筑物对地基的要求是不同的，各地区天然地基的情况差别也是很大的，这就决定了地基处理问题的复杂性。而换土垫层法是土木工程常用地基处理方法，换土垫层法适用于浅层软弱地基及不均匀地基的处理。软弱地基的处理，在水利工程建设中会经常碰到。在投资少，又能达到设计规范要求的前提下，如何处理好软弱地基，是我们每一工程技术人员需要探讨和研究的
3、问题。这里介绍了软弱地基处理的方法换土垫层法的实际设计应用情况。关键词：换土垫层法 结构设计 施工技术 Abstract前 言 1第一章 绪论 2第一节 概述 2第二节 软弱土地基的分类和特征 3第三节 垫层的作用及适用范围 4第四节 压实原理及压实系数 错误！未定义书签。第二章 垫层的设计和施工 5第一节 垫层材料要求 5第二节 换土垫层法的一般规定 6第三节 砂垫层设计 7第四节 砂垫层施工要点和质量控制 12第三章 换填法施工工艺标准 15第一节 适用范围 15第二节 施工准备 15第三节 操作工艺 17第四节 质量标准 20参考文献 25致 谢 26前 言软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分
4、冲填土、杂填土及其他高压缩性土，由软弱土组成的地基称为软弱土地基。软弱土地基一般含水量较高，孔隙大，有明显的结构性、流变形。处理软弱土地基一般有几种方法：碾压及夯实法、换土垫层法、排水固结法、振密挤密法、置换及拌入法、加筋锚固法等等。 换土垫层法是将基础下一定深度内的土层挖去，然后回填以强度较高的砂、碎石或灰土等并夯至密实。适用于荷载不大的建筑物地基处理。砂和砂石地基（垫层）采用砂或砂砾石（碎石）混合物，经分层夯实，作为地基的持力层，提高基础下部地基强度，并通过垫层的压力扩散作用，降低地基的压实力，减少变形量，同时垫层可起排水作用，地基土中孔隙水可通过垫层快速地排出，能加速下部土层的沉降和固结
5、。第一章 绪论第一节 概述 一、概述软弱土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土，由软弱土组成的地基称为软弱土地基。软弱土地基一般含水量较高，孔隙大，有明显的结构性、流变形。处理软弱土地基一般有几种方法：碾压及夯实法、换土垫层法、排水固结法、振密挤密法、置换及拌入法、加筋锚固法等等。当软弱土地基的承载力或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，将基础地面下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、矿渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实质要求的密度为止，这种地基处理方法称为换填垫层法，简称换填法。换土垫层
6、法是将基础下一定深度内的土层挖去，然后回填以强度较高的砂、碎石或灰土等并夯至密实。适用于荷载不大的建筑物地基处理。砂和砂石地基（垫层）采用砂或砂砾石（碎石）混合物，经分层夯实，作为地基的持力层，提高基础下部地基强度，并通过垫层的压力扩散作用，降低地基的压实力，减少变形量，同时垫层可起排水作用，地基土中孔隙水可通过垫层快速地排出，能加速下部土层的沉降和固结。虽然不同的材料的垫层，其应力分布稍有差异，但从试验分析，其极限承载力的结果还是比较接近的；通过实际沉降观测资料发现，不同垫层的特点基本相似，故可将各种垫层设计都近似的按砂垫层计算方法进行计算。通常基坑开挖后，利用分层回填压实，按理也可以处理较
7、深的软弱土层，但经常会遇到底下水位高而需要降水措施；对坑壁放坡占地面积大或需要采取支护措施；施工放量大，弃土多等因素，从而使处理费用高、工期延长，因此换填法的处理深度通常宜控制在3m内，但也不宜小于0.5m，如果垫层太薄，则换填法的处理效果就不显著。第二节 软弱土地基的分类和特征质土、冲填土、杂填土或其它高压缩性土层构成的地基。在建筑地基的局部范围内有高压缩性土层时，亦应按局部软弱土层考虑。以下简述这些软弱土的特性：1、淤泥及淤泥质土它是在净水或缓慢流水环境中沉积的、经生物化学作用形成的、天然含水量高的、承载力（抗剪强度）低的、软塑到流塑状态的饱和粘性土。其含水量一般大于液限（40&90%）；
8、天然孔隙比一般大于1.0或等于1.0；当土由生物化学作用形成，并含有机质，其天然孔隙比e大于1.5时为淤泥；天然孔隙比小于1.5而大于1.0时称为淤泥质土，淤泥和淤泥质土总成软（粘）土。广泛分布在我国东南沿海，如天津、上海、杭州、宁波、温州、福州、厦门、广州等地区及内陆、湖泊、平原和地区。其工程特性主要是具有触变性、高压缩性、低透水性、不均匀性以及流变性等。在荷载作用下，地基承载能力低，地基沉降变形大，不均匀沉降也大，而且沉降稳定时间比较长。2、冲填土系由水力冲填泥沙沉积形成的填土。常见于沿海地带和江河两岸。冲填土的特性与其颗粒组成有关，此类土含水量较大，压缩性较高，强度低，具有软土性质。它的
9、工程性质随土的颗粒组成、均匀性和排水固结条件不同而异，当含砂量较多时，其性质基本上合粉细砂相同或类似，就不属于软弱土；当粘土颗粒含量较多时，往往欠固结，其强度和压缩性指标都比天然沉积土差，则应进行地基处理。3、杂填土系含有大量建筑垃圾、工业废料及生活垃圾等杂物的填土。常见于一些较古老城市和工矿区。它的成因没有规律，成分复杂，分布极不均匀，厚度变化大，有机质含量较多，性质也不相同，且无规律性。它的主要特性是土质结构比较松散，均匀性差，变形大，承载力低，压缩性高，有浸水湿陷性，就是在同一建筑物场地的不同位置，地基承载力和压缩性也有较大的差异，一般需要经处理才能作建筑物地基。对有机质含量较多的生活垃
10、圾和对基础油侵蚀性的工业废料等杂填土地基，未经处理，不宜做持力层。4、其他高压缩性土饱和的松散粉细沙（含部分粉质粘土），亦属于软弱地基的范畴。当受到机械振动和地震荷载重复作用时，将产生液化现象；基坑开挖时会产生流砂或管涌，再由于建筑物的荷重及地下水的下降，也会促使砂土下沉。其它特殊土如湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、红粘土以及季节性冻土等特殊土的不良地基现象，亦属于需要地基处理的软弱地基范畴。对建在软弱地基上的建筑物，在工程设计和地基处理方案确定前，应进行工程地质和水文地质勘察，查明软弱土层的组成、地质成因、分布范围、均匀性、软弱土层厚度、持力层位置及状况以及地基土的物理和化学性质等。对冲填土还应
11、了解均匀性和排水固结条件；对杂填土尚应查明堆载历史年代，明确自重下稳定性和湿陷性等基本因素；对其它特殊土应查明其特征、工程性质、成层情况等，以作为工程设计和选用地基处理方案的依据。 第三节 垫层的作用及适用范围 筑物的地基土为软弱土或湿陷性土、膨胀土、冻胀土等不能满足上部结构对地基强度和变形的要求，而软弱土层的厚度又不很大时(如不大于3m)，常采用垫层法处理、可得到较好的处理效果，与其它地基处理方法相比，用垫层法处理能取得良好的经济效益。换填法适用于处理淤泥、淤泥质土、湿陷性土、膨胀土、冻胀土、素填土、杂填1：地基及暗沟、暗塘的浅层处理。 垫层处理就是将基础下的软弱、湿陷性冻土、膨胀土、冻胀土
12、等的一部分双全部挖去然后换填密度大、强度高、水稳性好的砂砾土、碎(卯)石土、灰土、素土、矿渣以及其它性能稳定、无侵蚀性的材料，并分层夯(振、压)实至要求的密实度。换土垫层与原土相比，具有承载力高、刚度大、变形小的优点。砂石垫层还可提商地基排水固结速度，防止季节性冻土的冻胀，消除膨胀土地基的胀缩性及湿陷性土层的湿陷性，还灯用于瞄沃和暗沟的建筑场地。另外，灰土垫层还具有促使其下土层含水量均衡转移的功能，从而减小土层的差异。 如：换土垫层和排水垫层。一般房屋建筑基础下的砂垫层主要起换土作用，而在路堤或土坝等工程中，砂垫尼主要是起排水固结作用。换土垫层视工程具体情况而异，软弱土层较簿时、常采用全部换土
13、，换土垫层的处理深度应根据建筑物的要求，由基坑开挖深度的可能性等因素综合确定。 般多用于上部荷载不大、基础埋深较浅的中、低层民用建筑的地基处理工程中一般开挖深度不超过3m。近年来，一些重大的建（构)筑物，如高层建筑、大型博物馆等也开始使用换土垫层。开挖深度有的已达3m以上，甚至更深，但在这种情况下，一定要注意边坡的稳定性，有时还需采取加固或锚固边坡的措施。在场地土质较好或湿陷性黄土地区，地下水位以上坑壁可直立稳定或边披稳定时，一般限制垫层厚度在5m以内。 垫层的设计与施工应根据上部建筑物的结构特点、荷载特性、基础形式及埋深、场地土质、地下水条件和当地施工队伍的技术装备、施工经验、材料来源以及工
14、程造价等技术、经济分析论证后确定。 根据换填材料的不同，将垫层分为砂石(砂砾、碎卵石)垫层、土垫层(素土、灰土、二灰土垫层)、粉煤灰垫层、矿渣垫层、加筋砂石垫层等. 第四节 压实原理及压实系数压实原理换土垫层的主要作用是改善原地基土的承载力并减少其沉降量。这一目的通常是通过外界的压(夯、振)实功来实现的。土的压实程度与土的特性尤其是土的含水量、土的颗粒组成和压(夯、振)实能量密切相关。在一定的压实能量作用下，不论是粘性土还是砂性土，其压(夯、振)实结果都与含水量有关。对过湿的土进行压(夯、振)实时，会出现“橡皮土”现象。此时土的密实度并不增大；对很干的土进行压(夯、振)实，也不能把土充分压实，
15、这是因为在一定的压(分、振)实能量作用下，对粘性土，当含水量很小时，土粒表面仅存在结合水膜，土粒相互间的引力很大，由土粒间引力(可能还存在毛细压力)使土保持着比较松散的状态或凝聚状态，土中孔隙大多都相互连通水少而气多，在一定的外部压(夯、振)实功作用下，虽然土孔隙中的气体易被排出，密度可增大，但由于水膜润滑作用不明显以致外部功能也不足以克服粒间引力。此时土颗粒相对移动较为困难土的干密度增加很小，达不到理想的压(夯、振)实效果。随着含水量的增加。土粒表面水膜逐渐变厚土块变软、土粒间的引力逐渐减小土粒在外力作用下夸易改变其原来的位置而移动，达到更密实的结构。此时，土的孔隙相对减少，土的干密度相对增
16、加。当土的含水量在最佳含水量附近时，虽然土中孔隙连通得更少甚至不连通。孔隙中的水和气体处于封闭状态而不能排出，并且击实时土内产生的孔隙水压力与孔隙气压力也会降低击实功的作用，试验结果却证明，这时土中所含的水量最利于土粒受击实时发生相对移动使土变密。以致被击实至最大干密度，或者说，在最优含水量时，土的密度达到了该压实功能的极限值，干密度不再提高。当土中的含水量继续增加，超过某一数值时(即后述的最优含水量)，土粒孔隙中充满了自由水，饱和度达到85以上时，孔隙中过多的水分不容易立即排出，阻止了土颗粒的靠拢压实效果反而下降。同时也因为在饱和土中的气体大多是封闭气泡，完全被水包围，外界压力越来越难将这些
17、封闭气泡排出土体之外，导致孔映压力却更为明显，抵消了部分击实功，因而压实效果也达不到理想状态。也就是说继续增加含水量在外力作用下，只能使孔隙水压力增加并阻止了土粒移动。对砂类土而言，粒间水的存在主要起到减少粒间摩擦力的润滑作用。在含水量增加的初期随着含水量的增加。粒间阻力减小土粒易于移动，故而外界的压(夯、振)实能量能促使土体密实。但当含水量超过某一数值时(即后述的最优含水量)，水的减阻作用不再明显，而与粘性土一样，过多的粒间水的存在阻止了颗粒的进一步挤密，并有可能在压(夯、振)实能量作用下，使砂粒处于悬浮状态，在土中形成局部液化，而使土的密实度和承载力同时降低。这样就存在个含水量界限值，即在
18、一定的压(夯、振)实能量作用下，土最容易被压(夯、振)密，并能达到最大的干密度，这时土所具有的含水量即为最优含水量，通常用w表示。当土的含水量大于或小于这一界限含水量时，都不会达到最大干密度。最佳含水量的确定通过击实实验来取得。 第二章 垫层的设计和施工第一节 垫层材料要求垫层材料要求 1）砂石。常用的碎石、卵石、中粗砂等都可以作为垫层的材料，为了保证垫层的质量，对石子的粒径和颗粒的含量有一定的要求，一般不能大于2mm的部分必须小于总重量的45%），同时颗粒级配要均匀，不能含有树皮、草根等腐败的有机质，不能含有建筑垃圾。如果必须使用较细的粉砂或者细砂，为了保证垫层整体的质量，较大粒径的石子的含
19、量必须大于总重量的30%。砂石的最大粒径不宜大于50mm。如果本地属于土质湿陷性黄土，垫层不能使用较大粒径的砂石等材料。 2）粉质粘土。规范对土料中的有机质规定有详细的说明，通常情况下其含量小于5%，冻土或膨胀土不能作为垫层的材料。如果把粉质粘土作为垫层材料用于具有湿陷性黄土的地区，不允许有碎砖、碎瓦或者较大的石块。 3）灰土。一直属于比较好的垫层材料，得到广泛的应用，使用的时候其体积配合比（体积）通常采用2：8 或3：7（28灰土或者37灰土）。其土料通常是粘土，但是规范对粒径有要求，最好使用粉质粘土，粒径较大的块状粘土和较小的砂质粉土质量较差，正式使用前，必须过筛。石灰一般选用袋装生石灰。
20、 石灰的性质决定于其活性物质的含量，即含CaO与MgO的含量百分率，含量越高，则活性越大，胶结力越强。一般常用的熟石灰粉末其质量应符合级以上的标准，活性CaO+MgO含量不低于50%，如要拌制强度较高的灰土，宜选用或级石灰。当活性氧化物含量不高时，应相应增加石灰的用量。石灰的贮存时间不宜超过三个月，长期存放将会使其活性降低。 试验表明，石灰的含量对灰土的强度有一定影响，如果使用的灰土比是1:9，则强度较低；当灰土比2:8和3:7的时候，其强度最高。除了与石灰的含量有关系外，还与石灰的等级相关，规范中要求以氧化钙和氧化镁的含量占总量的8%最好。 4）粉煤灰。是发电厂烟筒里面落下来的灰尘。粉煤灰如
21、果作为结构的垫层使用必须符合一定的技术要求。由于粉煤灰中含有很多没有过滤的的金属碎屑，所以大面积的粉煤灰垫层必须考虑对周围环境的影响。第二节 换土垫层法的一般规定(1)换土垫层法适用于处理各类浅层软弱地基及不均匀地基。当在建筑物范围内上层软弱土较薄时,则可采用全部置换处理。对于处理范围内存在的松填土、暗沟、暗塘、废坑、废井、墓穴或拆除旧基础后的坑穴,保持建筑物地基整体变形均匀是换土垫层法处理地基应遵循的基本原则。(2)采用换土垫层法全部置换厚度不大的软弱土层,可取得良好的效果。对于深厚的软弱土层,不应采用局部换土垫层法处理地基。对于不同特点的工程,还应分别考虑换填材料的强度、稳定性、压力扩散能
22、力、密度、渗透性、耐久性、对环境的影响、价格、来源与消耗等。当换土量大时,尤其应首先考虑当地材料的性能及适用条件,此外还应考虑所能获得施工机械的使用条件等综合因素。(3)当采用换土垫层法进行地基处理时,应根据建筑物体形、结构特点、荷载性质和量级、场地岩土工程条件及周围环境,并结合施工机械设备与当地材料的来源等进行综合分析,合理进行换填设计,选择适宜的换填材料和相应的施工方法,保证技术先进,经济合理。第三节 砂垫层设计 对砂垫层的设计，要求又足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度以防止砂垫层向两侧挤出。经过换填垫层法处理后，可将上部荷载传递到下面的下卧层，以满足建筑物对地基
23、承载力和沉降的要求；当垫层下面有较软弱土时，也可加速软弱土层的排水固结和强度的提高。1) 设计要求垫层设计应满足建筑物地基承载力的要求。首先垫层能换除基础下直接承受建筑物荷载的软弱土层,代之以能满足承力要求的垫层;其次荷载通过垫层的应力扩散,使下卧层顶面受到的压力满足小于或等于下卧层承载力的条件;再者基础持力层被低压缩性的垫层代换,能减少基础的沉降量。浅层软土厚度不大的工程,应置换掉全部软土。2) 垫层的厚度对需换填的软弱土层,首先根据垫层的承载力确定基础的宽度和基底压力,再根椐需置换软弱土的深度和垫层下卧层的承载力,设垫层的厚度。垫层的厚度一般宜控制在3m 以内(灰土14m)较为经济合理,太
24、厚(3m)施工较困难,太薄(0.5m)则换填垫层的作用不显著。各种材料的垫层都可以近似地按砂垫层的计算方法计算垫层的厚度。2.3 附加压力垫层底面处的附加压力值Pz可以根据双层地基理论进行计算,但这种方法仅限于条形基础均布荷载的计算条件,最常用的是扩散角法。压力扩散角应随垫层材料及下卧土层的力学特性差异而定,可按双层地基条件来考虑。 条形基础:Pz=b(Pk-Pc)b+2Ztg(1)矩形基础:Pz= bl(Pk-Pc)(b+2Ztg)(l+2Ztg) (2)式中:b-矩形基础或条形基础底面宽度,m;l-矩Pk-基础底面处的平均压力,kPa;Pc-基础底面处土的自重压力,kPa;Z-基础底面下垫
25、层的厚度,m;-垫层的压力扩散角(o),宜通过试验确定。Pz+Pczfaz (3)式中:Pz-垫层底面处的附加压力,kPa;Pcz-垫层底面处土的自重压力,kPa;faz-垫层底面处经深度修正的地基承载力特征值,kPa。2.4 垫层的宽度换填垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求,可按式(4)计算或据当地经验确定。垫层顶面宽度可以从垫层底面两侧向上,按基坑开挖期间保持边坡稳定的当地经验放坡确定。垫层顶面每边超出基础底边应300mm。bb+2Ztg (4)式中:b-垫层底面宽度,m;-压力扩散角,当Zb8%的土料都不得使用。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,石灰应消解34d,
26、并要筛除石灰块后使用。(2)灰土垫层施工前必须对基坑(槽)进行初步检验,如发现坑(槽)内有局部软弱土层或孔穴,应挖出后用素土或灰土分层充填夯压密实。(3)施工时,应将灰土拌均匀,控制含水率,如土料水份过多或不足时,应凉干或洒水润湿,一般可按经验在现场直接判断,其方法为手握灰土成团,两指轻捏即碎,这时灰土基本上接近最优含水率。分层虚铺厚度必须按所使用夯压机具来确定,每层灰土的夯压遍数应据设计要求的干重度在现场试验确定。为了保证土施工控制的含水率不致变化,拌合均匀后的灰土应在当天使用。灰土夯压密实后,在短时间内水稳性及硬化性均较差,易受水浸而膨胀疏松,影响灰土的夯压质量。(4)灰土筑完后,应及时修
27、建基础和回填基坑或作临时遮盖,防止日晒雨淋。刚筑完或尚未夯压密实的灰土如遭受雨淋浸泡,则应将积水及松软灰土除去,并补填夯压密实,受水浸泡的灰土,应在凉干后再夯压密实。3.4 素土垫层施工要点(1)素土垫层是先挖去基坑下的部分或全部的软弱土,然后回填素土分层夯压密实而成。常用于处理湿陷性黄土和杂填土地基。(2)当素土垫层厚度2m时,可适当加宽。整片素土垫层超出基础外缘的宽度应1.5m。4 质量检验(1)垫层的施工质量检验,对于粉质粘土、灰土可用环刀法、贯入仪、轻型动力触探或标准贯入试验;对于砂石可用重型动力触探。砂垫层使用的环刀容积不应200cm3,径高比1:1,以减少其偶然误差。在粗粒土垫层中可设置纯砂检验点,按环刀取样法检验,或用灌水法、灌砂法进行检验。(2)检验时必须先通过现场试验,在压实系数达到设计要求的垫层试验区内,利用动探、贯入试验测得的贯入深度或击数,作为控制施工压实系数的标准,进行施工质量检验。(3)用环刀法检验垫层的施工质量时,取样点应位于每层土厚度的23深度处。检验点数量,对大基坑每50100m2不少于
