换土垫层法就是将基础底面以下不太深的一定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、具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、素土、灰土、煤渣、矿渣等材料分层充填，并同时以人工或者机械方法分层压、夯、振动，使之达到要求的密实度，成为良好的人工地基。
目前，常用的垫层有砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层、矿渣垫层以及用其他性能稳定、无侵蚀性的材料做的垫层等。换填垫层法按其原理可体现以下5个方面的作用：
1）提高浅层地基承载力
一般来说，地基中的剪切破坏是从基础底面开始的，并且随着应力的增大逐渐向纵深发展。因此，若以强度较大的砂代替可能产生剪切破坏的软弱土，就可以避免地基的破坏。
2）减少沉降量
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
建筑物的不透水基础直接与软弱土层接触时，在荷载的作用下，软弱土地基中的水被迫沿着基础两侧排出，因而使得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土强度降低而产生塑性破坏的危险。砂垫层提供了基底下的排水面，不但可以使基础下面的孔隙水应力迅速消散，避免地基土的塑性破坏，还可以加速砂垫层下软弱土层的固结并且提高其强度，但是固结的效果只限于表面，对其深部的影响就不显著了。
在各类工程中，砂垫层的作用是不同的，房屋建筑物基础下的砂垫层主要起置换的作用，对于路堤和土坝等，则主要起排水固结的作用。
4）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。
5）消除膨胀土的胀缩作用
在膨胀土地基上采用换土垫层法，一般可以选用砂、碎石、块石、煤渣或者灰土等作为垫层，但是垫层的厚度应该根据变形计算确定，一般不小于300mm，并且垫层的宽度应该大于基础的宽度，而基础两侧宜用与垫层相同的材料回填。
6）消除湿陷性黄土的湿陷作用
在黄土地区，常采用素土、灰土或者二灰土垫层处理湿陷性黄土，可用于消除1～3m厚黄土层的湿陷性。
换土垫层法加固地基设计包括垫层材料的选用，垫层铺设范围、厚度的确定，以及地基沉降计算等。
1）垫层材料的选用
采用换土垫层法处理地基，垫层材料可以因地制宜地根据工程的具体条件合理选用下述材料：
（1）砂、碎石或者砂石料。
（2）灰土。
（3）粉煤灰或者矿渣。
（4）土工合成材料加碎石垫层等。
2）垫层厚度的确定
垫层厚度一般根据垫层底部下卧土层的承载力确定，如图11-1所示，并符合下式要求：
pz+pcz≤faz （11-18）
图11-1 垫层内应力分布
式中：pz——垫层底面处土的附加压力值（kPa）；
pcz——垫层底面处土的自重应力值（kPa）；
faz——垫层底面处软弱土层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值pz，可按图11-1压力扩散图示计算，即
条形基础时
pz=［（pk-pc）b］/（b+2z·tanθ） （11-19a）
矩形基础时
pz=［（pk-pc）bl］/（b+2z·tanθ）（l+2z·tanθ） （11-19b）
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应力值（kPa）；
z——基础底面下垫层的厚度（m）；
θ——垫层的压力扩散角，按表11-2选取。
表11-2 垫层压力扩散角θ
注：（1）当z/b<0.25时，除灰土仍取θ=28°外，其余材料均取θ=0°，必要时，宜由试验确定；
（2）当0.25<z/b<0.50时，θ值可内插求得。
计算时，一般先初步拟定一个垫层厚度，再用式（11-18）验算。如果不合要求，则改变厚度，重新验算，直至满足要求为止。垫层厚度不宜大于3m，太厚施工较困难，而太薄（0.5m）则换填垫层的作用不显著。
3）垫层宽度的确定
垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外，还应防止垫层向两边挤动。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。关于宽度计算，通常可按扩散角法，如条形基础，垫层底宽b′应为
b′≥b+2z·tanθ （11-20）
扩散角θ仍按表11-2选取。底宽确定后，再根据开挖基坑所要求的坡度延伸至地面，即得垫层的设计断面。
垫层断面确定后，对于比较重要的建筑物还要求按分层总和法计算基础的沉降量，以使建筑物基础的最终沉降量小于相应的允许值。
4）沉降计算
砂垫层断面确定之后，对于比较重要的建筑物还要求验算基础的沉降，以便使建筑物基础的最终沉降量小于建筑物的允许沉降量。
垫层地基的沉降分两个部分：一是垫层自身的沉降；二是软弱下卧层的沉降。由于垫层材料模量远大于下卧层模量，所以在一般情况下，软弱下卧层的沉降量占整个沉降量的大部分。
【例11-1】 某砖混结构办公楼，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1.0m，承重墙传至基础荷载Fk=120kN/m，地表为1m厚的杂填土，γ=17.5kN/m3，下面为淤泥质土，其承载力特征值fak=75.0kPa。试设计基础的垫层。
【解答】 ① 垫层材料选粗砂，γ=20.0kN/m3，并设垫层厚度z=1.5m，z/b=1.5/1.2>0.5，则垫层的压力扩散角θ=30°。
② 垫层厚度的验算，根据题意，基础底面处的平均压力值为
基础底面处土的自重应力
pc=17.5×1.0=17.5kPa
垫层底面处的附加压力值由式（11-19a）得
垫层底面处土的自重应力
pcz=17.5×1.0＋20.0×1.5=47.5kPa
查表7-3得ηd=1.0，则经深度修正后淤泥质土的承载力特征值
说明满足强度要求，垫层厚度选定为1.5m合适。
③ 确定垫层底宽b′
b′=b+2z·tanθ=1.2+2×1.5×tan30°=2.93m
取b′为3m，按1∶1.5边坡开挖。
（1）垫层的砂料必须具有良好的压实性。砂料的不均匀系数不能小于5，以中粗砂为好，容许在砂中掺入一定数量的碎石，但要分布均匀。
（2）铺填垫层应根据不同的换填材料选用不同的施工机械。垫层需分层铺填，分层密实。砂石垫层宜采用振动碾压；粉煤灰垫层宜采用平碾、振动碾、平板振动器、蛙式夯等碾压方法密实；灰土垫层宜采用平碾、振动碾等方法密实。
（3）开挖基坑铺设垫层时，必须避免对软弱土层的扰动和破坏坑底土的结构。基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久或浸水，并防止践踏坑底。当采用碎石垫层时，应在坑底先铺一层砂垫底，以免碎石挤入土中。
免责声明：以上内容源自网络，版权归原作者所有，如有侵犯您的原创版权请告知，我们将尽快删除相关内容。
