蔡长彬
海南省农垦设计院有限公司 海南海口570226
摘要：换填垫层法主要用于浅层软土地基的换填处理，以起到提高地基承载力和减少不均匀沉降的作用。本文结合工程实例，对换填垫层法的换填材料选择、下卧层承载力验算、施工质量要求及质量检测进行分析讨论，以供参考。
关键字：换填垫层；地基处理；软土地基
换填垫层法，就是挖除基础底面下一定范围的较软弱土层，用质地稳定、压缩性低、强度高的材料进行人工回填，并逐层夯实压实形成密实垫层的地基处理方法。回填材料根据现场土层情况进行选择，一般可选用级配良好的砂石、粉质黏土、灰土、粉煤灰、矿渣、土工合成材料等。
换填垫层适用于浅层软弱土层或不均匀土层的地基处理，换填厚度应根据置换软土的深度及下卧层的承载力确定，根据施工经验，换填厚度宜为0.5m~3.0m。换填垫层法设计理论简单，施工工艺便捷，工期短，质量可直观控制，地基检测方便快捷，换填材料来源丰富，在处理浅层软弱地基中应用广泛，是较为常用的地基处理方法。
1、工程概况
拟建住宅楼位于三亚市南田农场，拟建住宅楼为6层，无地下室，尺寸为55m×10m，现场勘察时为荒地，场地平缓，周边有住宅区。场地地貌单元为丘陵，场地位于乐罗—三才东西向大断裂的南侧，区内无大断裂通过，主要地质构造为岩浆侵入。
2、工程地质条件
根据拟建住宅楼特点，共布置6个勘探孔。在场地钻探深度范围内，地层由上而下共划分3个岩土层：①杂填土、第四纪冲积层②粉质粘土及第四纪花岗岩风化残积土③砂质粘性土。其岩性特征及工程性质如下：
①层杂填土（Qml）：分布于整个场地，褐色、灰褐色，主要成分为粘性土和砂，混有砖瓦等建筑垃圾，局部有生活垃圾，结构松散，欠固结，欠压密，干~湿，新近堆填。层厚为1.60~2.10m。
②层粉质粘土（Q4al）：分布于整个场地，冲积沉积。灰色，棕黄色，软塑~可塑，摇振反应中等，无光泽反应，干强度低，韧性低，含有中粗砂，层厚为1.50~2.00m，天然含水量平均值为36.6%，天然孔隙比平均值为0.968，液性指数IL=0.47~0.86，压缩系数a1-2为0.41~0.78MPa-1，属于中~高压缩性土，均匀性差，工程性质差。
③层砂质粘性土（Q4el）：分布于整个场地。褐黄色，灰褐色，可塑~硬塑，干强度中等，低韧性，无光泽，无摇振反应，含有砂，属花岗岩风化残积土。揭露层厚14.70~16.30m，未揭穿。天然含水量平均值为22.8%，天然孔隙比平均值为0.874，压缩系数a1-2为0.30~0.48MPa-1，属于中压缩性土，标准贯入试验标准值为12.6击，承载力特征值建议为170 KPa，工程性质一般。
场地土层物理、力学性质指标统计表
层序 土层名称 厚度 重度 压缩模量 内聚力 内摩擦角 承载力
/m γ/kN·m-3 Es1-2/MPa c/kPa φ/(°) fak/kPa
① 杂填土 1.60~2.10 18.20 -- -- -- --
② 粉质粘土 1.50~2.00 17.58 4.06 21.5 10.1 110
③ 砂质粘性土 14.70~16.30 18.96 6.90 41.0 18.7 170
经24小时稳定水位观测，场地地下水主要赋存于②层粉质粘土中的孔隙潜水。地下水位埋深基本位于②层粉质粘土层顶，埋深为1.80~2.10m。潜水主要接受大气降水补给和地下径流补给，经蒸发和地下径流排泄。粉质粘土含水层富水性、透水性差，属弱透水层。
3、地基处理方案
经勘察查明，场地中存在软弱土层②粉质粘土，属冲沟形成的冲积层，承载力较低，均匀性差，不适合用作天然地基基础持力层。若将①杂填土、②粉质粘土全部挖除，以③砂质粘性土作为基础持力层，则基础埋深达到4.1m左右，在结构上需要增加基础梁和加大柱截面，造成工程造价增加，且基础埋深过大存在不安全因素。
综上，考虑选用换填垫层法进行地基处理，将①杂填土、②粉质粘土全部挖除，用级配良好的砂石进行分层碾压夯实回填至设计标高，再进行基础施工。该项目中选用级配良好的砂石进行回填，主要出于几点考虑：⑴地基基础没有抗渗要求；⑵砂石储量丰富，就地取材，来源丰富；⑶性能稳定，压缩变形小，能轻易达到设计要求的承载力。
4、下卧层承载力验算
选取受力最大的基础底面进行验算，根据结构计算，基础底面的最大压力为167kPa，基础尺寸为3.0m×3.0m，换填砂石的重度取19.00kN·m-3，根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79—2012）第4.2.2条验算下卧层承载力：
pz+pcz≤faz
pz=
式中：pz— 相应于作用的标准组合时，垫层底面处的附加压力值（kPa）；
pcz— 垫层底面处土的自重压力值（kPa）；
faz— 垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值（kPa）；
b— 矩形基础底面的宽度（m），取3.0m；
l— 矩形基础底面的长度（m），取3.0m；
pk— 相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值（kPa）；
pc— 基础底面处土的自重压力值（kPa）；
z— 基础底面下垫层的厚度（m），取2.0m；
θ— 垫层（材料）的压力扩散角（°），取30°。
将各参数值带入公式计算得：
pz=41.11kPa；pcz=56.22kPa；faz=216.87kPa
满足pz+pcz=97.33kPa≤faz=216.87kPa，下卧层承载力满足要求。
5、施工质量要求
换填垫层地基处理施工要严格按照施工技术标准按序进行，每道工序都要严格把控，施工要结合现场的实际情况，因地制宜，采取相应的施工手段。
⑴挖除①杂填土、②粉质粘土时，应该预留20cm以上的土层用人工清除，避免扰动下卧层。开挖深度较大，土量较多，开挖土方应清理运走，不能堆积的基坑边，避免造成边坡失稳。根据勘察报告，在开挖深度范围内存在地下水，在基坑底应设置排水沟及集水坑，采用明沟排水方式降低地下水位；
⑵该项目属于大面积换填，换填材料选择砂石，砂石宜选用粗砂、中砂、碎石、卵石，并应级配良好，含泥量不超过5%。可以采用重型碾压机械、平板振动器完成碾压工作，根据相关施工经验，先用碾压机械静压2遍，再用平板振动器振动碾压10遍，最后再进行静压2遍，这样换填砂石可以达到较好的压实度；
⑶应分层进行碾压，每层厚度控制在30cm，边碾压边浇水，保持砂土湿润，以达到最佳压实效果。
6、换填垫层质量检验
⑴分层质量检验
根据《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2012），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。对砂石垫层的施工质量可选用环刀取样、静力触探、标准贯入试验或轻型动力触探等方法进行检验，该项目采用环刀取样法进行垫层质量检验，取样点按技术要求选择在每层垫层厚度的2/3深度处，检验点数量为每个独立基础下2个点。根据检验结果，每层垫层的压实系数λc≥0.97，满足规范要求。
⑵竣工验收
换填垫层的承载力应通过现场静载荷试验确定。该项目在完成换填垫层施工后选取3个点进行浅层平板载荷试验，试验数据如下：
根据浅层平板载荷试验结果，换填垫层后的地基承载力可达到180kPa，满足设计要求，且地基沉降也满足规范要求。
7、结束语
换填垫层是一种比较简便的地基处理方法，其施工过程简单，工期短，工程造价低，施工质量便于控制，具有一定的推广价值。
换填材料要根据现场土层情况及项目情况进行比选，要充分考虑换填材料的适用性、经济性及稳定性。在海南地区选用较多的换填材料是级配良好的砂石，砂石稳定性好，易压实，承载力高，沉降少，且来源丰富，在海南多个区域都有较好的换填效果。
进行换填施工时一定要严格按照相关技术规范要求进行，严把质量关，在完成施工后按照要求进行质量检测。
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