土工合成材料加筋垫层

任务描述

某厂房为钢筋混凝土框架结构，柱下条形基础，基础埋深为 2.5 m，混凝土强度等级为C15。该厂房位于河漫滩地，自然标高为126.000 m，地形平坦。土层分布及物理力学性质见表4-2，地基承载力设计中fa=150k Pa。根据抗洪、防洪需要，厂区设计地面标高定位为132.800 m。试简要说出垫层施工要点。

表4-2 土层分布及物理力学性质

任务分析

换填垫层法的换填材料有砂石、灰土、土工合成材料等，不同材料的垫层，施工工艺及质量验收与控制也有所不同。

相关知识

一、换填垫层法概述

1．定义

换填垫层法是将基础底面下要求范围内的软弱土层挖去或部分挖去，分层回填强度较高的砂、碎石或灰土等材料，夯实或压实后作为地基持力层。

2．作用

换填垫层法的作用主要体现在以下几个方面：

（1）提高浅层地基承载力。以抗剪强度较高的砂或其他填筑材料置换基础下较弱的土层，可提高浅层地基承载力，避免地基的破坏。

（2）减少地基沉降量。一般浅层地基的沉降量占总沉降量比例较大。如以密实砂或其他填筑材料代替上层软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂层或其他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。

（3）加速软弱土层的排水固结。砂垫层和砂石垫层等垫层材料透水性强，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，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。

（4）防止冻胀。粗颗粒的垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此，可以防止寒冷地区土中结冰所造成的冻胀。

在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的，如房屋建筑物基础下的砂垫层主要起换土的作用，而在路堤及土坝等工程中，往往以排水固结为主要作用。

3．适用范围

适用于处理浅层地基，如多层建筑的条形基础、独立基础。当浅层地基土为淤泥、淤泥质土、松散的素填土、杂填土或地域性特殊土（膨胀土、湿陷性黄土等），或是遇到土层中有暗沟、古井、古墓需要处理时，均可采用换填垫层法。该方法可就地取材，施工方便，不需特殊的机械设备，既能缩短工期又能降低造价。

二、垫层的设计要点

在进行换填地基施工前，需进行垫层设计。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。

垫层的设计内容主要有：垫层的厚度、宽度和承载力等。

1．垫层厚度的确定

垫层厚度应根据需要置换软弱土的深度或下卧土层的承载力确定，即垫层底面处的附加应力与自重压力之和不大于软弱下卧层的地基承载力，即

p z+pcz≤faz （4-1）

式中 pz——相应于荷载效应标准组合时垫层底面处的附加压力值（k Pa）；

pcz ——垫层底面处土的自重压力值（k Pa）；

faz——垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（k Pa）。

垫层底面处的附加压力值 zp可根据基础不同形式按压力扩散角法进行简化计算，如图4-1所示。

条形基础：

矩形基础：式中 b——矩形基础或条形基础底面宽度（m）；

l——矩形基础底面的长度（m）；

pk——相应于荷载效应标准组合时，基础底面处的平均压力值（k Pa）；

pc——基础底面处土的自重压力值（k Pa）；

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，当无试验资料时，可按表4-3采用。

图4-1 垫层内压力分布

表4-3 压力扩散角 （°）

垫层的厚度通常不小于0.5 m，且不大于3 m。垫层太薄，作用不显著、效果差；垫层太厚，则工程量大，不经济、施工难。一般垫层厚度以1～2 m为宜。

2．垫层宽度的确定

垫层的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，即

b′≥b+2ztanθ （4-4）

垫层顶面宽度要求：垫层顶面每边宜超出基础底边不小于 300 mm，或从基础底面两侧向上，按要求放坡。

3．垫层承载力的确定

经换填垫层处理的地基，其承载力宜通过试验确定，尤其是通过现场原位试验确定。中砂、粗砂、砾砂垫层应控制密实度在中密以上。在无试验资料或经验时，可按表4-4采用。

表4-4 各种垫层承载力

4．垫层材料

（1）砂石。宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、砾砂、粗砂、中砂或石屑，并应级配良好，不含植物残体、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石粉时，应掺入不少于总重30%的碎石或卵石。砂石的最大粒径不宜大于50 mm。对湿陷性黄土，不得选用砂石等透水材料。

（2）粉质黏土。土料中有机质含量不得超过 5%，且不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其最大粒径不宜大于50 mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的粉质黏土垫层，土料中不得夹有砖、瓦或石块等。

（3）灰土。体积配合比宜为2∶8或3∶7。石灰宜选用新鲜的消石灰，其最大粒径不得大于 5 mm。土料宜选用粉质黏土，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15 mm。

（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。粉煤灰垫层上宜覆土0.3～0.5 m。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、管网应采取防腐措施。大量填筑粉煤灰时，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。

（5）矿渣。宜选用分级矿渣、混合矿渣及原状矿渣等高炉重矿渣。矿渣的松散重度不应小于11k N/m3，有机质及含泥总量不得超过5%。垫层设计、施工前应对所选用的矿渣进行试验，确认性能稳定并满足腐蚀性和放射性安全的要求。对易受酸、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。

（6）其他工业废渣。在有充分依据或成功经验时，可采用质地坚硬、性能稳定、透水性强、无腐蚀性和无放射性危害的其他工业废渣材料，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。土工合成材料加筋垫层所选用土工合成材料的品种与性能及填料，应根据工程特性和地基土质条件，按照现行国家标准《土工合成材料应用技术规范》（GB/T50290—2014）的要求，通过设计计算并进行现场试验后确定。

土工合成材料应采用抗拉强度较高、耐久性好、抗腐蚀性的土工带、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，且不宜含氯化钙、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。

三、垫层的施工

（1）垫层的施工应根据不同的换填材料选择施工机械。粉质黏土、灰土垫层宜采用平碾、振动碾或羊足碾，以及蛙式夯、柴油夯。砂石垫层宜采用振动碾。粉煤灰垫层宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯。矿渣垫层宜采用平板振动器或平碾，也可采用振动碾。

（2）垫层的施工方法、分层铺填厚度、每层压实遍数宜通过现场试验确定。除接触下卧软土层的垫层底部应根据施工机械设备及下卧层土质条件确定厚度外，其他垫层的分层铺填厚度宜为200～300 mm。为保证分层压实质量，应控制机械碾压速度。

垫层的每层铺填厚度及压实遍数见表4-5。

表4-5 每层铺填厚度及压实遍数

（3）粉质黏土和灰土垫层土料的施工含水量宜控制在wop ±2%范围内，粉煤灰垫层的施工含水量宜控制在wop ±4%范围内。

（4）当垫层底部存在古井、古墓、洞穴、旧基础、暗塘时，应根据建筑物对不均匀沉降的控制要求予以处理，并经检验合格后，方可铺填垫层。

（5）基坑开挖时应避免坑底土层受挠动，可保留180～220 mm厚的土层暂不挖去，待铺填垫层前再由人工挖至设计标高。严禁挠动垫层下的软弱土层，应防止软弱垫层被践踏、受冻或受水浸泡。在碎石或卵石垫层底部宜设置厚度为150～300 mm的砂垫层或铺一层土工织物，并应防止基坑边坡塌土混入垫层中。

（6）换填垫层施工时，应采取基坑排水措施。除砂垫层宜采用水撼法施工外，其余垫层施工均不得在浸水条件下进行。工程需要时应采取降低地下水位的措施。

（7）垫层底面宜设在同一标高上，如深度不同，坑底土层应挖成阶梯或斜坡搭接，并按先深后浅的顺序进行垫层施工，搭接处应夯压密实。

（8）粉质黏土、灰土垫层及粉煤灰垫层施工，应符合下列要求：粉质黏土及灰土垫层分段施工时，不得在柱基、墙角及承重窗间墙下接缝；垫层上下两层的缝距不得小于500 mm，且接缝处应夯压密实；灰土拌和均匀后，应当日铺填夯压；灰土夯压密实后， 3d内不得受水浸泡；粉煤灰垫层铺填后，宜当日压实，每层验收后应及时铺填上层或封层，并应禁止车辆碾压通行；垫层施工竣工验收合格后，应及时进行基础施工与基坑回填。

（9）土工合成材料施工，应符合下列要求：下铺地基土层顶面应平整；土工合成材料铺设顺序应先纵向后横向，且应把土工合成材料张拉平整、绷紧，严禁有皱折；土工合成材料的连接宜采用搭接法、缝接法或胶接法，接缝强度不应低于原材料抗拉强度，端部应采用有效方法固定，防止筋材拉出；应避免土工合成材料暴晒或裸露，阳光暴晒时间不应大于8 h。

四、质量检验

（1）对粉质黏土、灰土、砂石、粉煤灰垫层的施工质量可选用环刀取样、静力触探、轻型动力触探或标准贯入试验等方法进行检验；对碎石、矿渣垫层的施工质量可采用重型动力触探试验等进行检验。压实系数可采用灌砂法、灌水法或其他方法进行检验。

（2）换填垫层的施工质量检验应分层进行，并应在每层的压实系数符合设计要求后铺填上层。

（3）采用环刀法检验垫层的施工质量时，取样点应选择位于每层垫层厚度的2/3深度处。检验点数量，条形基础下垫层每10～20 m不应少于1个点，独立柱基、单个基础下垫层不应少于1个点，其他基础下垫层每50～100 m2不应少于1个点。采用标准贯入试验或动力触探法检验垫层的施工质量时，每分层平面上检验点的间距不应大于4 m。

（4）竣工验收应采用静载荷试验检验垫层承载力，且每个单体工程不宜少于3个点；对于大型工程应按单体工程的数量或工程划分的面积确定检验点数。

任务实施

填料选用河漫滩的砂卵石，卵石粒径为20～30 mm，强度等级大于MU20。缝隙间用砂填充。

施工前整平地面，清除草皮、浮土及杂物。

铺砂前先用8 t磙子碾压两遍，然后分两次铺砂，每次铺15 cm，采用中粗砂或粗砂，分层浇水，浇至不再下沉为止。再用磙子，每层碾压4遍。再分层铺设砂卵石，每层厚40 cm，先用拖拉机碾压4或5遍，再用磙子碾压6～8遍，至基础底面位置。

进行基础施工，待基础混凝土强度达到70%后，再继续往上铺填碾压至室外地面标高。

拓展提高

一、加筋土垫层的设计

1．材料强度

加筋土垫层所选用的土工合成材料应按下式进行材料强度验算：

T P ≤Ta （4-5）

式中 TP——土工合成材料在允许延伸率下的抗拉强度（k N/m）；

Ta——相应于荷载效应标准组合时，单位宽度的土工合成材料的最大拉力（k N/m）。

2．加筋体的设置

加筋土垫层的加筋体设置应符合下列要求：

（1）一层加筋时，可设置在垫层的中部；

（2）多层加筋时，首层筋材距垫层顶面的距离宜取30%垫层厚度，筋材层间距宜取30%～50%的垫层厚度，且不应小于200 mm；

（3）加筋线密度宜为0.15～0.35。无经验时，单层加筋宜取高值，多层加筋宜取低值。垫层的边缘应有足够的锚固长度。

二、垫层设计实例

某工程地基为软弱地基，该基础为条形基础，基础宽度为2 m，基础埋深为1.5 m，上部结构作用在基础上荷载 kf=200 k N/m，自底面至6.0 m均为淤泥质土，其天然重度=17.6γ k N/m3，饱和重度γsat=19.7k N/m3，承载力特征值fak=80k Pa，地下水位在地表下2.7 m，拟采用换填垫层法处理，换填材料选用砾砂，垫层厚度为1 m。试判断其下卧层承载力是否满足要求，并确定垫层的宽度。

解：（1）基础底面处的平均压力值 kp

（2）垫层底面处的附加压力值 zp

由z/b=1/2=0.5，查表4-3得垫层的压力扩散角θ=30D

（3）垫层底面处土的自重压力值 czp

p cz=17.6×2.5=4（4k Pa）

（4）修正后淤泥质土的承载力特征值 azf

查资料得 d1.0=η ，则经深度修正后淤泥质土承载力特征值

f az=fak γ+ηd （m d−0.5）=80+1.0×17.6×（2.5−0.5）=115.（2k Pa）

（5）验算软弱下卧层承载力

pz +p cz=69.07+44=113.0（7k Pa）≤faz=115.2k Pa

满足要求。

（6）垫层宽度

b′=b+ 2ztanθ=2+2×1×tan30°=3.1（5m）

取b′=3.2m。

拓展实训

一、填空题

1．换填垫层法是指 ______________。

2．换填垫层的材料主要有 ______________、______________ 、______________ 、______________ 、______________ 、 ______________、______________ 。

3．垫层设计的主要内容有 ______________、 ______________、 ______________等。

4．垫层顶面每边宜超出基础底边不小于______________ 。

5．垫层的厚度通常不小于 ______________，且不大于 ______________。

二、简答题

1．简述换填垫层法的适用范围。

2．垫层有何作用？换填垫层法有哪些优点？

3．如何确定垫层的高度、厚度和承载力？

4．如何选用垫层的施工方法？

三、工程案例

1．某建筑物承重墙下为条形基础，基础宽度为1.5 m，埋深为1 m，相应于荷载效应标准组合时上部结构传至条形基础顶面的荷载 k=248F k N/m，底面下存在6.0m厚的淤泥层， =17.8γ k N/m3， sat=19.2γ k N/m3，淤泥层地基的承载力特征值fak=80k Pa，地下水位距地面1 m，试设计砂垫层的厚度、宽度。

2．阅读某换填垫层法施工方法，依据相关规范进行换填垫层地基施工质量控制与验收。

课外学习指要

深入了解换填垫层法的设计、施工及质量验收标准，可查阅下列资料：

（1）中华人民共和国行业标准．JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范[S]．北京：中国建筑工业出版社，2012．

（2）中华人民共和国国家标准．GB50202—2002建筑地基基础工程施工质量验收规范[S]．北京：中国计划出版社，2002．

（3）杨太生．地基与基础工程施工[M]．北京：中国建筑工业出版社，2005．

（4）刘福臣，刘光程．土力学与地基基础[M]．北京：清华大学出版社，2013．

（5）梁利生，梁新．土力学与地基基础[M]．北京：北京理工大学出版社，2012．

（6）朱艳丽，苏强．基础工程施工[M]．北京：北京理工大学出版社，2013．