换土垫层是一种直接置换地基持力层软弱土的处理方法。施工时将基底下一定深度的软弱土层挖除，分层回填砂、碎石等强度较大的材料，并加以夯实振密。回填材料有多种，但其作用和计算原理基本相同。换土垫层是一种较简易的浅层地基处理方法，并已得到广泛的应用，处理地基时，宜优先考虑此法。换土可用于单独的基坑、基槽，也可用以满堂整体置换。下面以软弱地基下进行砂石垫换填地基处理进行浅述。
砂石垫层的作用明确，设计方便，但其承载力在相当程度上取决于施工质量，因此必须精心施工。如设计要求合适，施工质量保证，地基承载力标准值可达150~180Kpa，甚至更高；而当设计不当或施工质量不理想时，则只能达到120Kpa左右。
一、砂石垫层的作用
砂石垫层的承载力比原来的软弱地基高，其原因是：
1、用于置换软弱土层的材料，其抗剪强度指标较高；
2、垫层的压缩性较低，即压缩模量较大，故可减少基础的沉降量。一般来说，直接位于基础底面以下的土层的压缩性对基础沉降量的大小影响较大，如条形基础，在相当于基底宽度大小的深度范围内土的压缩量约占基础总沉降量的一半左右。此外，由于垫层的应力扩散作用，传递到垫层下方下卧层的压力减少，也会使下卧层的压缩量减少。
3、砂石垫层的透水性较大，可成为下卧饱和软土的排水面，使软土上部的孔隙水压力消散，从而加速软土的固结和软土抗剪强度的提高。
4、砂石垫层可以防止冻胀和消除膨胀土地基的胀缩作用。在季节性土地区，砂土一般没有冻胀性；而用砂垫层置换膨胀土，可以有效地避免土的胀缩。必须指出，砂垫层不宜用于处理湿陷性黄土地基，因为砂垫层的良好透水性反而容易引起黄土产生湿陷。
二、砂石垫层的设计
砂石垫层的设计应满足建筑物对地基承载力和变形的要求。具体来说，设计内容包括选择垫层截面的厚度和宽度以及垫层的密实度。
1、垫层厚度的确定
根据《砂石垫层受力示意图》可知，其厚度Z应根据地基承载力确定，即作用在垫层底面处土的自重压力(标准值)与附加压力(设计值)之和不能超过经修正后超挖深度处的地基承载能力。并符合式(1)的要求。
Pz+Pcz≤Faz(1)
式中：Pz——相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处土的附加压力设计值（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）。垫层厚度不宜小于0.5米，也不宜大于3米。
垫层底面处土的附加压力值可按简化的压力扩散角法计算即假定压力按某一扩散角向下扩散，在作用范围内假定为均匀分布，则可按下式计算：
条形基础时：Pz=b(P-Pc)/(b+2ztanθ)(2)
矩形基础时：Pz=bl(P-Pc)/((b+2ztanθ)(1+2ztanθ))(3)
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）；
p——相应于荷载效应的标准组合时，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，宜通过试验确定，也可查《建筑地基处理技术规范》。
备注：当z/b<0.25时，除灰土仍取θ=30°外，其余材料均取θ=0°；
计算时，一般先初步拟定一个垫层厚度，再用式（1）验算。如不能满足要求，则重新假定一个厚度进行验算，直至满足要求为止。垫层厚度不宜大于3m，太厚工程量大、不经济、施工较困难，而太薄（<0.5m）则换土垫层的作用不显著、效果差。一般垫层厚度为1~2m左右。
2、垫层宽度的确定
垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外，还应根据垫层侧面土的承载力，防止垫层向两边挤出。如果垫层宽度不足，四周侧面土质又软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中，使基础沉降增大。垫层宽度的计算，目前还缺乏可靠的理论方法，在工程实践中常按照地区的经验确定或按扩散角法计算。
根据《砂石垫层受力示意图》可知：基础垫层的宽度b'=b+2ztanθ，基础垫层的长度l'=l+2ztanθ，而根据所在土质情况，施工时作业面最好超出基底300～500mm。机械开挖深度大于2m时还考虑宽度b'、l'长度上的放坡系数。
式中：
b'——砂石垫层的设计宽度；
b——钢筋混凝土筏板基础的设计宽度；
l'——砂石垫层的设计长度；
l——钢筋混凝土筏板基础的设计长度；
z——砂石垫层的厚度；
θ——压力扩散角
整片垫层底面的宽度可根据施工的要求适当加宽。
垫层顶面宽度可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不宜小于300mm。
垫层底面宽度确定后，再根据基坑开挖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，对比较重要的建筑物还要验算基础的沉降，沉降值应小于建筑物的允许值。建筑物基础的沉降包括：一部分是垫层的沉降；另一部分是垫层底下压缩层范围内软弱土层的沉降。垫层厚度变化的处理方法，由于土质的变化或为了调整沉降差时，各基础底部的垫层厚度并不相同，当垫层厚度的高差h≤1m时，可做成梯形，其水平长度l与垂直高差h的比值为2：1，当相邻的基础一个采用天然基础，另一个采用砂石垫层时，仍应按上述比例做成阶梯形，或者在此两地基之间做一道砖砌或混凝土的隔墙。
三、砂石垫层的施工要点
1、砂垫层的材料必须具有良好的振实加密性能。其颗粒级配的不均匀系数不能小于5，且宜采用在砾砂、粗砂和中砂。若只用细砂时，宜同时均匀掺入一定数量的碎石或卵石（粒径不宜大于50mm）。人工级配的砂石垫层，应先将砂石按比例拌和均匀后，再行铺填加密。砂和砂石垫层材料的含泥量不应超过5%。作为提供排水边界作用的砂垫层，其含泥量不宜超过3%。
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