4.2地基处理技术
4.2.1换填法当软弱土地基的承载力和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底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为换填法.它还包括低洼地域筑高（平整场地）或堆填筑高（道路路基）。
机械碾压、重锤夯实、平板振动可作为压（夯、振）实垫层的不同机具对待，这些施工方法不但可处理分层回填土，又可加固地基表层土。
按回填材料不同，垫层可分为：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中规定：换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。
虽然不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但从试验结果分析其极限承载力还是比较接近的；通过沉降观测资料发现，不同材料垫层的特点基本相似，故可将各种材料的垫层设计都近似的按砂垫层的计算方法进行计算。但对湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等某些特殊土采用换土垫层处理时，因其主要处理目的是为了消除地基土的湿陷性、膨胀性和冻胀性，所以在设计时需考虑的解决问题的关键也应有所不同。
1、压实原理当粘性土的土样含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，如还不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好。但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，结合水膜的扩大作用就不大了，因而引力的减少就显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，因而设计时要选择一个”最优含水量”，这就是土的压实机理。
在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度,其最大干密度可用室内击实试验确定。在标准的击实方法的条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，从而绘制干密度和制备含水量的关系曲线，在曲线上的峰值，即为最大干密度与之相应的制备含水量为最优含水量。
垫层的作用主要有：
(1)提高地基承载力 大家知道，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它填筑材料代替软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。
(2)减少沉降量 一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50%左右。如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它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相接触时，在荷载的作用下，软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出，因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透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以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，避免地基土塑性破坏。
(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。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。
(5)消除膨胀土的胀缩作用 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确定，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。
2、垫层设计对垫层的设计，即要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。
(1)垫层厚度的确定 垫层厚度应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：
(4.2.1-1)
式中 ——垫层底面处的附加应力设计值（kPa）;
——垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
——经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）。
垫层底面处的附加压力值可按压力扩散角 进行简化计算：
条形基础： (4.2.1-2)
矩形基础： (4.2.1-3)
式中 ——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；
——矩形基础底面的长度（m）；
——基础底面压力的设计值（kPa）；
——基础底面处土的自重压力值（kPa）；
——基础底面下垫层的厚度（m）；
——垫层的压力扩散角（°），可按表4.2.1-1采用。
具体计算时，一般可根据垫层的承载力确定出基础宽度，再根据下卧土层的承载力确定出垫层的厚度。可先假设一个垫层的厚度，然后按式(4.2.1-1)进行验算，直至满足要求为止。
表4.2.1-1 压力扩散角（°）
换填材料
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾卵石、碎石
粘性土和粉土
(8<<14)
灰土
0.25
20
6
28
30
23
注：当<0.25时，除灰土仍取＝外，其余材料均取＝；
当0.25<<0.5时，值可内插求得。
(2)垫层宽度的确定 垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。关于宽度计算，目前还缺乏可靠的方法。一般可按下式计算或根据当地经验确定。
(4.2.1-4)
式中 ——垫层底面宽度(m)；
——垫层的压力扩散角（°），可按表4.2.1-1采用；当<0.25时，仍按=0.25
取值。
垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
(3)垫层承载力的确定 垫层的承载力宜通过现场试验确定，并应验算下卧层的承载力。
(4)沉降计算 对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形计算。建筑物基础沉降等于垫层自身的变形量与下卧土层的变形量之和。
对超出原地面标高的垫层或换填材料的密度高于天然土层密度的垫层，宜早换填并考虑其附加的荷载对建造的建筑物及邻近建筑物的影响。
2、垫层施工
(1)机械碾压法 机械碾压法是采用各种压实机械来压实地基土。此法常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程。
工程实践中，对垫层碾压质量的检验，要求获得填土最大干密度。其关键在于施工时控制每层的铺设厚度和最优含水量，其最大干密度和最优含水量宜采用击实试验确定。所有施工参数（如施工机械、铺填厚度、碾压遍数、与填筑含水量等）都必须由工地试验确定。在施工现场相应的压实功能下，由于现场条件终究与室内试验不同，因而对现场应以压实系数与施工含水量进行控制。
(2)重锤夯实法 重锤夯实法是用起重机将夯锤提升到某一高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。重锤夯实法一般适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土。
重锤夯实法的主要设备为起重机械、夯锤、钢丝绳和吊钩等。
当直接用钢丝绳悬吊夯锤时，吊车的起重能力一般应大于锤重的三倍。采用脱钩夯锤时，起重能力应大于夯锤重量的1.5倍。
夯锤宜采用圆台形，锤重宜大于2t，锤底面单位静压力宜为15～20kPa。夯锤落距宜大于4m。
(3)平板振动法 平板振动法是使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好的松散杂填土地基的一种方法。
振动压实的效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，效果越好，但振动时间超过某一值后，振动引起的下沉基本稳定，再继续振动就不能起到进一步压实的作用。为此，需要施工前进行试振，得出稳定下沉量和时间的关系。对主要由炉渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾，振动时间约在1mim以上；对含炉灰等细粒填土，振动时间约为3～5mim，有效振实深度为1.2～1.5m。
振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两边，后振中间，其振动的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格，并辅以轻便触探试验检验其均匀性及影响深度。振实后地基承载力宜通过现场载荷试验确定。一般经振实的杂填土地基承载力可达100～120kPa。
(4)垫层材料选择
1)砂石 应选用级配良好的中粗砂，含泥量不超过3％，并应除去树皮、草皮等杂质。若用细砂，应掺入30％～50％的碎石，碎石最大粒径不宜大于50mm。
2)粘土(均质土) 土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。
3)灰土 体积比宜为2：8或3：7。土料宜用粘性土及塑性指数大于4的粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。
4)素土 素土土料中有机质含量不得超过5％，亦不得含有冻土或膨胀土，不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料，碎石粒径不得大于50mm。
5)粉煤灰 可分为湿排灰和调湿灰。可用于道路、堆场和中、小型建筑、构筑物换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土30～0cm。
6)干渣 干渣垫层材料可根据工程的具体条件选用分级干渣、混合干渣或原状干渣。小面积垫层一般用8～40mm与40～60mm的分级干渣，或0～60mm的混合干渣；大面积铺垫时，可采用混合干渣或原状干渣，原状干渣最大粒径不大于200mm或不大于碾压分层虚铺厚度的2/3。
用于垫层的干渣技术条件应符合下列规定：稳定性合格；松散密度不小于1.1t/m3；泥土与有机质含量不大于5％。对于一般场地平整，干渣质量可不受上述指标限制。
4.2.1换填法当软弱土地基的承载力和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底面以下处理范围内的软弱土层的部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂（碎石、素土、灰土、高炉干渣、粉煤灰）或其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并压（夯、振）实至要求的密实度为止，这种地基处理的方法称为换填法.它还包括低洼地域筑高（平整场地）或堆填筑高（道路路基）。
机械碾压、重锤夯实、平板振动可作为压（夯、振）实垫层的不同机具对待，这些施工方法不但可处理分层回填土，又可加固地基表层土。
按回填材料不同，垫层可分为：砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、二灰垫层、干渣垫层和粉煤灰垫层等。
《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2002)中规定：换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。
虽然不同材料的垫层，其应力分布稍有差异，但从试验结果分析其极限承载力还是比较接近的；通过沉降观测资料发现，不同材料垫层的特点基本相似，故可将各种材料的垫层设计都近似的按砂垫层的计算方法进行计算。但对湿陷性黄土、膨胀土、季节性冻土等某些特殊土采用换土垫层处理时，因其主要处理目的是为了消除地基土的湿陷性、膨胀性和冻胀性，所以在设计时需考虑的解决问题的关键也应有所不同。
1、压实原理当粘性土的土样含水量较小时，其粒间引力较大，在一定的外部压实功能作用下，如还不能有效地克服引力而使土粒相对移动，这时压实效果就比较差。当增大土样含水量时，结合水膜逐渐增厚，减小了引力，土粒在相同压实功能条件下易于移动而挤密，所以压实效果较好。但当土样含水量增大到一定程度后，孔隙中就出现了自由水，结合水膜的扩大作用就不大了，因而引力的减少就显著，此时自由水填充在孔隙中，从而产生了阻止土粒移动的作用，所以压实效果又趋下降，因而设计时要选择一个”最优含水量”，这就是土的压实机理。
在工程实践中，对垫层的碾压质量的检验，要求能获得填土的最大干密度,其最大干密度可用室内击实试验确定。在标准的击实方法的条件下，对于不同含水量的土样，可得到不同的干密度，从而绘制干密度和制备含水量的关系曲线，在曲线上的峰值，即为最大干密度与之相应的制备含水量为最优含水量。
垫层的作用主要有：
(1)提高地基承载力 大家知道，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它填筑材料代替软弱的土，可提高地基的承载力，避免地基破坏。
(2)减少沉降量 一般地基浅层部分沉降量在总沉降量中所占的比例是比较大的。以条形基础为例，在相当于基础宽度的深度范围内的沉降量约占总沉降量50%左右。如以密实砂或其它填筑材料代替上部软弱土层，就可以减少这部分的沉降量。由于砂垫层或其它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相接触时，在荷载的作用下，软弱土层地基中的水被迫绕基础两侧排出，因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透水性大，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，可以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，避免地基土塑性破坏。
(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。这时，砂垫层的底面应满足当地冻结深度的要求。
(5)消除膨胀土的胀缩作用 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确定，一般不少于0.3m，且垫层宽度应大于基础宽度，而基础的两侧宜用与垫层相同的材料回填。
2、垫层设计对垫层的设计，即要求有足够的厚度以置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够大宽度以防止砂垫层向两侧挤出。
(1)垫层厚度的确定 垫层厚度应根据垫层底部下卧土层的承载力确定，并符合下式要求：
(4.2.1-1)
式中 ——垫层底面处的附加应力设计值（kPa）;
——垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
——经深度修正后垫层底面处土层的地基承载力特征值（kPa）。
垫层底面处的附加压力值可按压力扩散角 进行简化计算：
条形基础： (4.2.1-2)
矩形基础： (4.2.1-3)
式中 ——矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；
——矩形基础底面的长度（m）；
——基础底面压力的设计值（kPa）；
——基础底面处土的自重压力值（kPa）；
——基础底面下垫层的厚度（m）；
——垫层的压力扩散角（°），可按表4.2.1-1采用。
具体计算时，一般可根据垫层的承载力确定出基础宽度，再根据下卧土层的承载力确定出垫层的厚度。可先假设一个垫层的厚度，然后按式(4.2.1-1)进行验算，直至满足要求为止。
表4.2.1-1 压力扩散角（°）
换填材料
中砂、粗砂、砾砂、圆砾、角砾卵石、碎石
粘性土和粉土
(8<<14)
灰土
0.25
20
6
28
30
23
注：当<0.25时，除灰土仍取＝外，其余材料均取＝；
当0.25<<0.5时，值可内插求得。
(2)垫层宽度的确定 垫层的底面宽度应以满足基础底面应力扩散和防止垫层向两侧挤出为原则进行设计。关于宽度计算，目前还缺乏可靠的方法。一般可按下式计算或根据当地经验确定。
(4.2.1-4)
式中 ——垫层底面宽度(m)；
——垫层的压力扩散角（°），可按表4.2.1-1采用；当<0.25时，仍按=0.25
取值。
垫层顶面每边宜比基础底面大0.3m，或从垫层底面两侧向上按当地开挖基坑经验的要求放坡，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
(3)垫层承载力的确定 垫层的承载力宜通过现场试验确定，并应验算下卧层的承载力。
(4)沉降计算 对于重要的建筑或垫层下存在软弱下卧层的建筑，还应进行地基变形计算。建筑物基础沉降等于垫层自身的变形量与下卧土层的变形量之和。
对超出原地面标高的垫层或换填材料的密度高于天然土层密度的垫层，宜早换填并考虑其附加的荷载对建造的建筑物及邻近建筑物的影响。
2、垫层施工
(1)机械碾压法 机械碾压法是采用各种压实机械来压实地基土。此法常用于基坑底面积宽大开挖土方量较大的工程。
工程实践中，对垫层碾压质量的检验，要求获得填土最大干密度。其关键在于施工时控制每层的铺设厚度和最优含水量，其最大干密度和最优含水量宜采用击实试验确定。所有施工参数（如施工机械、铺填厚度、碾压遍数、与填筑含水量等）都必须由工地试验确定。在施工现场相应的压实功能下，由于现场条件终究与室内试验不同，因而对现场应以压实系数与施工含水量进行控制。
(2)重锤夯实法 重锤夯实法是用起重机将夯锤提升到某一高度，然后自由落锤，不断重复夯击以加固地基。重锤夯实法一般适用于地下水位距地表0.8m以上稍湿的粘性土、砂土、湿陷性黄土、杂填土和分层填土。
重锤夯实法的主要设备为起重机械、夯锤、钢丝绳和吊钩等。
当直接用钢丝绳悬吊夯锤时，吊车的起重能力一般应大于锤重的三倍。采用脱钩夯锤时，起重能力应大于夯锤重量的1.5倍。
夯锤宜采用圆台形，锤重宜大于2t，锤底面单位静压力宜为15～20kPa。夯锤落距宜大于4m。
(3)平板振动法 平板振动法是使用振动压实机来处理无粘性土或粘粒含量少、透水性较好的松散杂填土地基的一种方法。
振动压实的效果与填土成分、振动时间等因素有关，一般振动时间越长，效果越好，但振动时间超过某一值后，振动引起的下沉基本稳定，再继续振动就不能起到进一步压实的作用。为此，需要施工前进行试振，得出稳定下沉量和时间的关系。对主要由炉渣、碎砖、瓦块组成的建筑垃圾，振动时间约在1mim以上；对含炉灰等细粒填土，振动时间约为3～5mim，有效振实深度为1.2～1.5m。
振实范围应从基础边缘放出0.6m左右，先振基槽两边，后振中间，其振动的标准是以振动机原地振实不再继续下沉为合格，并辅以轻便触探试验检验其均匀性及影响深度。振实后地基承载力宜通过现场载荷试验确定。一般经振实的杂填土地基承载力可达100～120kPa。
(4)垫层材料选择
1)砂石 应选用级配良好的中粗砂，含泥量不超过3％，并应除去树皮、草皮等杂质。若用细砂，应掺入30％～50％的碎石，碎石最大粒径不宜大于50mm。
2)粘土(均质土) 土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。
3)灰土 体积比宜为2：8或3：7。土料宜用粘性土及塑性指数大于4的粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。
4)素土 素土土料中有机质含量不得超过5％，亦不得含有冻土或膨胀土，不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料，碎石粒径不得大于50mm。
5)粉煤灰 可分为湿排灰和调湿灰。可用于道路、堆场和中、小型建筑、构筑物换填垫层。粉煤灰垫层上宜覆土30～0cm。
6)干渣 干渣垫层材料可根据工程的具体条件选用分级干渣、混合干渣或原状干渣。小面积垫层一般用8～40mm与40～60mm的分级干渣，或0～60mm的混合干渣；大面积铺垫时，可采用混合干渣或原状干渣，原状干渣最大粒径不大于200mm或不大于碾压分层虚铺厚度的2/3。
用于垫层的干渣技术条件应符合下列规定：稳定性合格；松散密度不小于1.1t/m3；泥土与有机质含量不大于5％。对于一般场地平整，干渣质量可不受上述指标限制。
