换填垫层地基处理方法设计研究

王 琪 兰州煤矿设计研究院有限公司工程师

换填垫层法是一种非常重要的地基处理方式，广泛应用在建筑工程中。该方法的主要运用原理是挖除地表浅层中的软弱土层和不均匀土层，完成后向其中填入硬度较大的材料并压实，以形成垫层地基。其中，材料类型不同，地基垫层也会不同，通常可以分为砂垫层、碎石垫层、粉煤灰和灰土垫层等。换填施工流程较为简便，在小型和中型工程的地基处理中应用较多。

1 换填垫层法的重要性

首先，在地基土层承载力的提高方面，运用该方法所产生的最为直接和关键的作用就是在原有地基土层基础上全面提高土层的承载力，改变原有的土层特性和结构，针对性增强土层的强度。在土层强度增强的前提下，后续施工流程也能够更加顺利的开展，减少施工安全隐患，提高施工效率和质量。

其次，在建筑物沉降方面，开展换填垫层法能够有效降低建筑的沉降量，在地基处理换填法的应用下，软土层内部的土体、土质都进行了更换，原本的土层结构有效转变，土层硬度明显增强，建筑物在建设过程中所产生的沉降问题可以得到有效改善。在建筑地基更为牢固的基础上，建筑物的使用寿命也会进一步提高。

再次，在冰冻气温下对土层造成的损害方面，地基处理换填方法的应用能够及时清理软土，填入硬度较大的砂石材料起到类似疏水层的作用，促使水体不在土层停留。这种情况下的地基含水量可以得到有效控制，整体含水量较低，只有这样才能有效避免冬天中地基由于含水量过高而产生冰冻现象，减少破坏。

最后，开展换填方法对周边环境造成的污染相对较低。该方法从本质上来看是对地基表面的土层进行更换，将原本不具备高承载力的土体置换成硬度较大的材料，整个流程并不涉及化学反应等情况，因此不会对周边环境造成影响。

2 换填垫层法常用设计方法

换填垫层法的设计内容主要是科学选择垫层的具体材料，并明确施工方法，计算垫层的厚度z以及宽度b、b'。通常，此类数据必须根据土层的实际情况和设计需求进行换填深度的确定，若土质为浅层软土，且厚度不大，则此类工程需提前置换软土，在软弱土层的厚度进一步加大时结合下卧层土的实际承载力计算垫层厚度。当前应用较为普遍的一种计算方式需提前假定z的厚度，验算后若不能满足实际需求，则必须进行厚度调整。但这种方式存在一定缺陷，一旦z的厚度不适合，整个实验过程会涉及到大量的计算，耗费时间长，整体效率较低[1]。

3 换填垫层法的高效简明设计方法

换填垫层法在小型、中型建筑工程中的应用比较多，针对浅层地基做出相应处理，其计算参数主要有基础底面尺寸、垫层底面尺寸、垫层厚度尺寸等。

3.1 基础底面各尺寸参数的简化计算

原有的基础底面尺寸计算公式为：

简化后的公式为：

式中：A 为基础底面积，单位m2；Fk为荷载效应基础上建筑上部结构到达基础顶面所产生的垂直方向力值，单位kN；Fa为调整后垫层承载力相关特征值，单位kPa；γG为基底以上的基层及基层回填土的平均重度，通常取20 kN/m3。

从工程实践内容上看，各类指标的常用值，如基底以上的基层及基层回填土的平均重度取值可控制在20 kN/m3左右，垫层厚度可为1 ～2 m，位于基础底面之上的地基土加权平均重度也需控制在16 ～18 kN/m3。

3.2 垫层的底面尺寸计算

从地基处理设计规范中能够看出，垫层底面部分的下卧层自重应力pcz需和附加应力pz的总和小于或等于下卧层地基承载力paz，通过这种方式来明确垫层的厚度。但pcz、pz、faz都会随着厚度z的变化而发生改变，当z增大后，faz、pcz会相应增大，而pz减小。关于条形基础、矩形基础的计算分别为：

式中：pk为标准荷载组合下基础地面所承受的平均压力值，单位kPa；pc为基础底面部分的土体自重压力值，单位kPa；θ为压力扩散角，该数值由换填材料的类型和z、b值进行确定。

在当前阶段，普遍采取的设计方式是提前假设垫层的厚度，若不满足计算要求，则需对其厚度进行不断的试验和调整。因此，简明设计方式应运而生，通过科学的简化方式能够优化换填垫层的设计程序，从根本上减少计算程序，提高计算效率的基础上大大降低误差，确保计算结果符合设计需求[2]。

3.3 矩形基础的简化计算

在矩形基础的计算过程中，各指标取常用值后，基底以上的基层及基层回填土的平均重度取值为20 kN/m3，位于基础底面之上的地基土加权平均重度可控制在16 ～18 N/m3，基础底面积控制在2 ～6 m2，经计算矩形基础为20 kN。

3.4 条形基础的简化计算

在修正深度后，地基的承载力特征会收到垫层的底面卧层承载力、下卧层的承载力修正系数的具体数值而影响，其中下卧层承载力修成系数的具体参数通常选作1.0。

3.5 垫层厚度z 的简化计算

计算条形基础时，在求得b和b'后，根据b'=b+2ztg可以确定z的数值。由于z和θ都属于非常复杂的分段函数，必须经过反复的核算和测试才能明确z的最终数值，确保其符合工程设计需求。为达到计算的简化需求，z值的求解必须通过相应的编制程序得出。通过这种方式可以准确控制垫层的厚度，避免误差过大。矩形基础可以按照等面积的方式对z值进行确定，通过验算即可。

4 换填法的适用范围和地基处理方式

4.1 适用范围

换填法一般适合在整体荷载力且施工规模较小的建筑物中运用，如堆料场、道路工程或地坪等。需要置换土体，土体的类型主要为湿陷性黄土、淤泥质土、素填土和暗沟等，最佳置换深度通常控制在0.5 ～3 m[3]。

4.2 地基处理方式

4.2.1 机械碾压法

在运用机械碾压法时，施工人员需充分挖除建筑范围中的软土，完成后碾压基坑的底层。在开展碾压法的施工期间，必须有效控制机械装置的运作速度，避免破坏土层结构。机械碾压速度需控制在2 km/h 以内，振动压实机装置的运行速度需控制在0.5 km/h 以内，碾压装置的运行速度需控制在3 km/h 以内[4]。

4.2.2 重锤夯实法

起重机械装置将夯锤提高距离地面一段距离后自由下落，通过重力加速度和势能转化对地基进行反复夯实。在运用重锤夯击法施工期间，需有效控制土体内部的含水量，确保土体材料中的水分能够得到一定的润滑效果，便于土粒的挤压、密实[5]。

4.2.3 平板振冲法

平板振冲法的开展原理是通过振动压实机装置，对无粘性土体以及粘度较低、透水性能较好的松散土进行压实来实现。施工过程中，施工人员可以先对基槽的两边进行振冲，再振中间区域。具体的施工效果和填土的成分、作业时间等方面有关，因此在开展此方法时相关人员需及时观察土层情况，避免效果不明显或对地基土造成过度影响的情况。

4.3 施工要点

4.3.1 素土垫土层

在开展地基处理换填方法的施工过程中，相关技术人员需根据换填土层材料的主要类型进行分析，不同类型的土层所涉及到的施工要点不尽相同。当换填土类型为素土时，相关技术人员需对素土层的承载力进行计算，使其符合建筑建设的承载力需求，减少安全隐患的出现。压缩模量的起重环节非常重要，压缩模量需控制在14.0～30.5 MPa以内，同时需有效控制素土层的含水量，确保含水量范围为19%～21%。

4.3.2 灰土垫土层

若换填土类型为灰土，灰土垫由土体和石灰在一定比例下混合而成，其中石灰和土体的比例为3 ∶7。在达到该比例后，需要有效控制土层的含水量，确保分层回填以及压实环节的有序执行，避免灰土材料被水浸泡[6]。

5 换填垫层地基处理法的应用实例

随着人们对出行速度、舒适度等方面要求的不断提高，选择乘坐飞机出行的人越来越多，这种情况的出现使得部分地区机场机坪的面积已经无法切实满足人们的需要，开设新的机场或对原有机坪进行扩容处理成为了极为必要的工作。

5.1 工程概况

某国际机场位于黄土地区，在进行机场机坪扩建现场地质检查时，发现施工区域地基土按照自上而下的方式主要可以被分成4 层：第1 层为填土，主要由素填土与杂填土共同组成；第2 层为粉质黏土，与粉土呈现混合状态；第3 层为粉土，并含有一定量的黄土状粉土；第4 层为粉质黏土，有着良好的可塑性。尽管经过勘查后发现该区域地基整体为湿陷性黄土地基，有相对稳定的力学性质，但由于附近区域的生活污水被排放到施工场地附近的废弃田地内，导致近年来该区域的地下水位在自然地面以下1.5 ～3.5 m，使得该区域内的天然软土地基湿陷性越发严重，若实际施工过程中未对地基进行合理的处理，那么在机坪建成后会出现地基沉陷的问题，影响机场整体的使用安全。

5.2 地基处理

现阶段，为切实实现扩建机坪地基密度满足后续工程施工建设的需要，在进行地基施工时采用了换填垫层配合冲击碾压的方式，提升地基的承载力。

5.2.1 施工方法

本次工程施工过程中，由于道面结构厚度在5 m 以下，因此开展地基处理时可以按照浅基础处理方式进行施工，并且在设计处理方案时，应当在保证工程施工质量能够满足工程施工需要的基础上尽量节约工程施工所需的时间，降低工程施工对机场正常运作产生的影响。在明确上述要求后，本次工程地基施工时综合应用了换填垫层法与碾压法，将垫层配片的石粒径控制在60 cm 以内，不均匀系数大于5，石料的抗压系数也需控制在2.0 MPa 以上，保证垫层密度能够满足工程施工的需要，避免施工活动对周边旧道面产生的扰动。

5.2.2 换填试验

首先，需要采用现场试验的方式，确定需要进行换填处理的地基厚度。具体来说，在换填施工前，可以先设置3 个试验区，其中第1 个试验区为水稳层下挖1.0 m，试验区的面积共700 m2；第2个试验区为水稳层下挖1.2 m，试验区的面积共570 m2；第3 个试验区为水稳层下挖1.5 m，试验区的面积共570 m2。并且在各试验区下挖到设计标高后，按照预设的试验区换填厚度对其进行分层填筑压实处理，然后用冲击压路机对试验区域地基进行冲击碾压处理。

其次，在碾压工作完成后，分别用灌水法、平板荷载实验、静载试验等方法测定3 个试验区地基土的固体体积率、地基承载力等。并且为保证测试结果的准确性，在进行地基土性质测试时需要在每个试验区设置一个固体体积率测定点，两个地基承载力测试点。

再次，在测得3 个试验区具体地基数据后，可以将数据信息与《民用机场水泥混凝土道面设计规范》（MH/T 5004—2010）的相关规定进行比对，经过比较分析后可以发现，二类E 级飞行区基层顶面反应模量应大于80 MN/m3。在对测得的数据进行计算分析后可以发现，上述3 种换填厚度下基层顶面的反应模量都符合这一要求，但对3 种换填厚度下地基土的固体体积率进行实验数据分析后发现，只有换填厚度1.2 m 与1.5 m 的试验区域固体体积率大于83%，因此在对地基进行换填垫层处理时，垫层的厚度可以为1.2 m 或1.5 m。

最后，考虑到工程施工成本与施工进度要求，在进行地基换填垫层时，可以将换填的厚度控制为1.2 m，以便在满足工程施工质量要求的基础上实现工程施工成本与进度的有效管控。

5.2.3 效果分析

为进一步了解地基换填垫层的施工方法及对软土地基湿陷性改良的效果，在该机场地基施工完成后对3 个试验区域进行自然沉降观测，可发现：第一，3 个试验区经过地基处理后的起始观测高程越高，换填深度越深；第二，第2 个和第3 个试验区的观测点在第6 d 达到了最大沉降值，而第1 个试验区在第7 d 才达到最大沉降值，从中可以了解到，第1个试验区消除软土地基湿陷性的效果相对较弱；第三，对扩建后的机坪使用效果进行分析后可了解到，地基换填垫层方法使用效果较好。

6 结论

在建设期间，地基换填垫层方法的应用效果受到广泛认可，但现阶段还存在计算工作量较大、错误率较高的情况，而简化设计方法、能妥善解决此类问题。简化设计方法有效结合了计算曲线，能更加准确地计算地基底层的尺寸和垫层的面积、厚度等数据，为建设人员提供更加充分的技术支持和数据支持。