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摘要：软弱地基的浅层处理方法有很多，对于中小型水利工程，换填垫层法是一种经济、简便、快捷的处理方法。本文介绍了换填垫层法的分类、使用范围及设计、施工过程中需要注意的几个问题。
關键词：换填垫层法；地基处理；中小型水利工程
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
进入新世纪以来，伴随着经济的快速发展和国家惠农政策的不断落实，我国农村的中小型水利工程如雨后春笋，迅速地发展起来，这一类工程多建设在农村的软土地基上，而软土的地基承载力普遍偏较低，不能满足建（构）筑物的基础设计要求。因此，可通过对软土做适当的浅层处理，使地基达到设计要求。作为多建设在农村的中小型水利工程，换填垫层法是一种便于施工，经济实用，快捷有效的处理方法。
2适用范围和作用
换填垫层法适用于浅层分布有淤泥、淤泥质土、湿限性黄土、松砂、素填土、杂填土等局部高压缩性土层及河沟、暗塘等工程场地的浅层地基处理。
换填垫层法处理地基的主要作用有以下四点：一是提高地基承载力。地基的承载力和地基下土层的抗剪强度有关，通过用高抗剪强度的材料来替换比较软弱的土的办法，可以提高地基的承载力，达到设计需要的强度，避免地基破坏。二是减少地基沉降量。一般浅层地基部分的沉降量在总沉降量中所占的比例较大，通过用被碾压密实的压缩性低的材料替换压缩性高的土的办法，可以减少浅层地基一大部分的沉降量；另外，由于换填垫层的应力扩散作用，使得垫层下下卧层上的应力变小，这样也减小了下卧层的沉降量，为建（构）筑物的稳定提供有利条件。三是垫层可作为排水面，用砂石等透水性大的材料换填的垫层，可作为良好的排水面，使在下部软弱土层受压后产生的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和强度提高，避免地基土塑性破坏。四是可防止在寒冷地区结冰冻胀，消除膨胀土地区膨胀土的胀缩所用等。
2 设计
2.1 常用的换填材料
砂石：应采用级配良好，不含草根、腐植土及有机质等杂质，质地坚硬、抗风化、抗浸水软化的中、粗砂，砾石、卵石、碎石。对细砂应掺入不少于总重30％的碎石和卵石。卵石、碎石的粒径不宜大于50mm，对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。
灰土：宜采用过筛的原开挖土和过筛新鲜消石灰以体积比3：7或2：8拌合。土料宜用不含有机杂质的粘性土或塑性不大于4的粉土。
素土：土料中有机质含量不大于5％，不得还有冻土、膨胀土，含碎石时，粒径小于等于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。
2.2 垫层厚度的确定
垫层厚度z一般不超过3m，应根据需置换软弱土层的深度或下卧土层的承载力确定并符合下式要求：
式中：－垫层底面处的附加压力值（kPa）；
－垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
－垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。
对条形基础
对矩形基础
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）；
－基础底面处的平均压力值（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1选取。
表 1压力扩散角（°）表
注：1.当＜0.25，除灰土取＝28°外，其余材料均取＝0°，必要时，宜由试验定；2.当0.25＜＜0.5 时，值可内插求得。
2.3 垫层厚度的确定
垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定：
式中：－垫层底面宽度（m）；
－压力扩散角，可按表1采用；当＜0.25 时，仍按表中＝0.25 取值。
整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
垫层顶面宜超出基础底面四边不小于300mm，也可从垫层底面两侧向上，按当地基坑开挖经验放坡。
2.4 垫层的承载力确定
垫层的承载力宜通过现场试验确定，对于一般的中小型工程，当无现场试验条件时，可参照当地经验取值，也可通过施工控制的干容重或压实系数指标，按表2选用，并应验算下卧层的承载力。
表 2几种垫层的承载力参考表
2.5 垫层的变形验算
垫层地基的变形包括两部分。一是附加应力下垫层本身的压缩变形，一是卧层地基的压缩变形。应按分层总合法计算，总的变形值应小于允许变形值。对超出原地面标高的垫层或密度高于天然图层密度的垫层，宜早换填并考虑附加荷载对邻近建（构）筑物的影响。
2.6 垫层施工的技术
垫层底面宜设置统一的标高，如深度不同时，底面应开挖成阶梯或斜坡状，按先深后浅顺序依次施工，搭接处碾压、夯实密实。
垫层施工应根据换填材料的不同选择适宜的施工机具，砂石类材料宜选用振动碾、振动压实机，素土宜选用羊足碾、平碾。
垫层施工时应分层摊铺，逐层压实，分层摊铺厚度和每层压实次数宜通过试验确定。一般分层摊铺厚度可取200～300mm。
垫层施工时严禁扰动下卧层的淤泥或淤泥质土层。碎石或卵石垫层底部宜设150mm～300mm厚的砂垫层或铺设土工织物作为保护层。
垫层施工应注意基坑排水，除采用水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采用有效措施降低地下水位。
当夯实或碾压振动对邻近建（构）筑物产生有害影响时，必须采取有效措施加以预防。如设置防振沟、隔振带、改用重锤低落距等。
3 工程实例
某提排站位于黄河下游开阔的冲积平原上，一般地势平坦。其出水流道出口挡土墙座落在黄河大堤迎水面堤脚，第②层－alQ42粘土层，属于黄河淤积河漫滩。承载力特征值为110kPa，采用碎石加土换填1.5m深，换填范围为基础四周放宽0.6m，回填碎石土的压实度不小于0.95，干密度不小于18.0kg/m3。严格按照上述方法、原则设计、施工，处理后地基承载力经检测为150 kPa，经建成近两年的观察，该挡土墙未见明显不均匀沉降。
4 总结
换填垫层法与其它浅层地基处理相比，具有换填资源丰富，施工方法简单、快速，工艺易于掌握，工程造价低廉，效果可靠等优点，但也常因基坑放坡占地面积大、基坑需要降水、开挖弃土多等因素，使地基处理的时间变长和费用增加。所以，换填垫层法浅层处理的深度一般不超过3m。
总之，在实际的应用中，注意考虑现场条件，控制好施工要点和工艺流程，在合理的深度和范围内采用换填垫层法处理软弱地基，对中小型水利工程来说，不失为一个经济、快速、有效的好办法。
参考文献：
[1] 中国建筑科学研究院. JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 龚晓南.地基处理手册(第二版) [M ].北京: 中国建筑工业出版社, 2000.
[3] 李印.换填发在软弱地基基础工程中的应用[J].林业科技情报，2001，33(2)：24-29.
[4] 软弱地基处理中换填法的应用[J].河南水利与南水北调，2009，7：106-108.
[5] 换填垫层法在水利工程浅层软基处理中的应用探讨[J].岩土工程界，2007，01期：47-48.
作者简介：
蔡勇，男；出生年月：1981年11月；工作单位：深圳市水务规划设计院，从事水利水电工程设计工作6年，工程师；学历：硕士研究生。
關键词：换填垫层法；地基处理；中小型水利工程
中图分类号：TU984 文献标识码：A 文章编号：
1 概述
进入新世纪以来，伴随着经济的快速发展和国家惠农政策的不断落实，我国农村的中小型水利工程如雨后春笋，迅速地发展起来，这一类工程多建设在农村的软土地基上，而软土的地基承载力普遍偏较低，不能满足建（构）筑物的基础设计要求。因此，可通过对软土做适当的浅层处理，使地基达到设计要求。作为多建设在农村的中小型水利工程，换填垫层法是一种便于施工，经济实用，快捷有效的处理方法。
2适用范围和作用
换填垫层法适用于浅层分布有淤泥、淤泥质土、湿限性黄土、松砂、素填土、杂填土等局部高压缩性土层及河沟、暗塘等工程场地的浅层地基处理。
换填垫层法处理地基的主要作用有以下四点：一是提高地基承载力。地基的承载力和地基下土层的抗剪强度有关，通过用高抗剪强度的材料来替换比较软弱的土的办法，可以提高地基的承载力，达到设计需要的强度，避免地基破坏。二是减少地基沉降量。一般浅层地基部分的沉降量在总沉降量中所占的比例较大，通过用被碾压密实的压缩性低的材料替换压缩性高的土的办法，可以减少浅层地基一大部分的沉降量；另外，由于换填垫层的应力扩散作用，使得垫层下下卧层上的应力变小，这样也减小了下卧层的沉降量，为建（构）筑物的稳定提供有利条件。三是垫层可作为排水面，用砂石等透水性大的材料换填的垫层，可作为良好的排水面，使在下部软弱土层受压后产生的孔隙水压力迅速消散，加速垫层下软弱土层的固结和强度提高，避免地基土塑性破坏。四是可防止在寒冷地区结冰冻胀，消除膨胀土地区膨胀土的胀缩所用等。
2 设计
2.1 常用的换填材料
砂石：应采用级配良好，不含草根、腐植土及有机质等杂质，质地坚硬、抗风化、抗浸水软化的中、粗砂，砾石、卵石、碎石。对细砂应掺入不少于总重30％的碎石和卵石。卵石、碎石的粒径不宜大于50mm，对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等透水材料。
灰土：宜采用过筛的原开挖土和过筛新鲜消石灰以体积比3：7或2：8拌合。土料宜用不含有机杂质的粘性土或塑性不大于4的粉土。
素土：土料中有机质含量不大于5％，不得还有冻土、膨胀土，含碎石时，粒径小于等于50mm。用于湿陷性黄土或膨胀土地基的垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。
2.2 垫层厚度的确定
垫层厚度z一般不超过3m，应根据需置换软弱土层的深度或下卧土层的承载力确定并符合下式要求：
式中：－垫层底面处的附加压力值（kPa）；
－垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
－垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）。
对条形基础
对矩形基础
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）；
－基础底面处的平均压力值（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1选取。
表 1压力扩散角（°）表
注：1.当＜0.25，除灰土取＝28°外，其余材料均取＝0°，必要时，宜由试验定；2.当0.25＜＜0.5 时，值可内插求得。
2.3 垫层厚度的确定
垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，可按下式确定：
式中：－垫层底面宽度（m）；
－压力扩散角，可按表1采用；当＜0.25 时，仍按表中＝0.25 取值。
整片垫层的宽度可根据施工的要求适当加宽。
垫层顶面宜超出基础底面四边不小于300mm，也可从垫层底面两侧向上，按当地基坑开挖经验放坡。
2.4 垫层的承载力确定
垫层的承载力宜通过现场试验确定，对于一般的中小型工程，当无现场试验条件时，可参照当地经验取值，也可通过施工控制的干容重或压实系数指标，按表2选用，并应验算下卧层的承载力。
表 2几种垫层的承载力参考表
2.5 垫层的变形验算
垫层地基的变形包括两部分。一是附加应力下垫层本身的压缩变形，一是卧层地基的压缩变形。应按分层总合法计算，总的变形值应小于允许变形值。对超出原地面标高的垫层或密度高于天然图层密度的垫层，宜早换填并考虑附加荷载对邻近建（构）筑物的影响。
2.6 垫层施工的技术
垫层底面宜设置统一的标高，如深度不同时，底面应开挖成阶梯或斜坡状，按先深后浅顺序依次施工，搭接处碾压、夯实密实。
垫层施工应根据换填材料的不同选择适宜的施工机具，砂石类材料宜选用振动碾、振动压实机，素土宜选用羊足碾、平碾。
垫层施工时应分层摊铺，逐层压实，分层摊铺厚度和每层压实次数宜通过试验确定。一般分层摊铺厚度可取200～300mm。
垫层施工时严禁扰动下卧层的淤泥或淤泥质土层。碎石或卵石垫层底部宜设150mm～300mm厚的砂垫层或铺设土工织物作为保护层。
垫层施工应注意基坑排水，除采用水撼法施工砂垫层外，不得在浸水条件下施工，必要时应采用有效措施降低地下水位。
当夯实或碾压振动对邻近建（构）筑物产生有害影响时，必须采取有效措施加以预防。如设置防振沟、隔振带、改用重锤低落距等。
3 工程实例
某提排站位于黄河下游开阔的冲积平原上，一般地势平坦。其出水流道出口挡土墙座落在黄河大堤迎水面堤脚，第②层－alQ42粘土层，属于黄河淤积河漫滩。承载力特征值为110kPa，采用碎石加土换填1.5m深，换填范围为基础四周放宽0.6m，回填碎石土的压实度不小于0.95，干密度不小于18.0kg/m3。严格按照上述方法、原则设计、施工，处理后地基承载力经检测为150 kPa，经建成近两年的观察，该挡土墙未见明显不均匀沉降。
4 总结
换填垫层法与其它浅层地基处理相比，具有换填资源丰富，施工方法简单、快速，工艺易于掌握，工程造价低廉，效果可靠等优点，但也常因基坑放坡占地面积大、基坑需要降水、开挖弃土多等因素，使地基处理的时间变长和费用增加。所以，换填垫层法浅层处理的深度一般不超过3m。
总之，在实际的应用中，注意考虑现场条件，控制好施工要点和工艺流程，在合理的深度和范围内采用换填垫层法处理软弱地基，对中小型水利工程来说，不失为一个经济、快速、有效的好办法。
参考文献：
[1] 中国建筑科学研究院. JGJ 79-2002建筑地基处理技术规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
[2] 龚晓南.地基处理手册(第二版) [M ].北京: 中国建筑工业出版社, 2000.
[3] 李印.换填发在软弱地基基础工程中的应用[J].林业科技情报，2001，33(2)：24-29.
[4] 软弱地基处理中换填法的应用[J].河南水利与南水北调，2009，7：106-108.
[5] 换填垫层法在水利工程浅层软基处理中的应用探讨[J].岩土工程界，2007，01期：47-48.
作者简介：
蔡勇，男；出生年月：1981年11月；工作单位：深圳市水务规划设计院，从事水利水电工程设计工作6年，工程师；学历：硕士研究生。