换土垫层法是指将基础底面下一定深度范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后换填强度较大的砂、碎石、素土、灰土、粉煤灰、千渣等性能稳定且无侵蚀性的材料，并分层夯压至要求的密实度。该法又称换填法。换填法可有效地处理荷载不大的建筑物地基问题，常可用作为地基浅层处理的方法。

• 中文名称 换土垫层法
• 外文名称 replacement method
• 别称 换填法

垫层材料

　　换填法处理地基时换填材料所形成的垫层，按其材料的不同，可分为砂垫层、砂石垫层、碎石垫层、素土垫层、灰土垫层、粉煤灰垫层和干渣垫层等。对于不同材料的垫层，虽然其应力分布有所差异，但测试结果表明，其极限承载力还是比较接近的，并且不同材料垫层上建筑物的沉降特点也基本相似，故各种材料垫层的设计都可近似按砂垫层方法进行。但对于湿陷性黄土、膨胀土和季节性冻土等特殊土采用换填法进行地基处理时，因其主要目的是为了消除或部分消除地基土的湿陷性、胀缩性和冻胀性，所以在设计中所考虑解决问题的关键也应有所不同。

垫层的作用

　　(1)提高持力层的承载力

　　通过扩散作用使传到垫层下软弱土层的应力减小。

　　(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沉降量的50%，如以密实砂或其他填筑材料代替上部软弱土层，就可以减小这部分的沉降量。砂垫层或其他垫层对应力的扩散作用，使作用在下卧土层压力较小，这样也会相应减少下卧土层的沉降量。

　　(3)加速软弱土层的排水固结

　　不透水基础不直接与软弱土层接触时，在荷载的作用下，软弱土层受压后，垫层可作为良好的排水面，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

　　因为粗颗粒垫层材料孔隙大，不易产生毛细现象，因此可以防止寒冷地区土中的冰所造成的冻胀。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

　　在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的，对膨胀土地基而言主要消除膨胀土的胀缩作用。

　　换填法适用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、杂填土地基及暗沟、暗塘等的浅层处理。通常基坑开挖后，利用分层回填压实，也可处理较深的软弱土层，但经常由于地下水位高而需要采取降水措施，坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护，以及施工土方量大、弃土多等因素，从而使处理费用增高、工期拖长，因此换填法的处理深度通常宜控制在3m以内。但也不宜小于0.5m，因为垫层太薄时，换土垫层的作用也不显著。

适用范围

　　砂(砂石，碎石)垫层:适用于一般饱和、非饱和的软弱土和水下黄土地基处理，不宜用于湿陷性黄土地基，也不宜用于大面积堆载、密集基础和动力基础下的软土地基处理，砂垫层不宜用于地下水流速快和流量大地区的地基处理。

　　素土垫层:适用于中小型工程及大面积回填和湿陷性黄土的地基处理。

　　灰土垫层:适用于中小型工程，尤其是适用于湿陷性黄土的地基处理。

　　粉煤灰垫层:适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等上程的大面积填筑。

　　干渣垫层:适用于中小型建筑.工程，尤其是适用于地坪、堆场等工程的大面积地基处理和场地平整。对于受酸性或碱性废水影响的地基不得采用干渣垫层。

　　对于大面积填土，由于大范围地面负荷影响较深，所以，地基压缩深度深，地基沉降量大，且沉降延续时间也较长，这与换填法浅层处理地基的特点不同，因此，若采用大面积填土作为建筑地基，还应符合GBJ7-89《建筑地基基础设计规范》中的有关设计规定。

　　在基坑开挖后，虽然采用分层回填夯实的方法，也可以处理较深的软弱土层，但是，垫层太厚不仅施工难度增大，还常常由于地下水位高需要采取降水措施、坑壁放坡占地面积大或需要基坑支护以及施工土方量大和弃土多等因素，从而使得处理费用增高、工期延长，因此，换填法的处理深度通常宜控制在3m以内较为经济合理，但也不应小于o.5 m，因为垫层太薄，则换土垫层的作用就不显著了。在湿陷性黄土地区或土质较好的场地，一般坑壁的边坡稳定性较好，处理深度也可限制在5m以内。

设计要点

　　1.处理软土或杂填土的垫层

　　换填法处理软土或杂填土的主要目的，是置换基底下可能被剪切破坏的软弱土层或杂填土层，因此，垫层厚度主要取决于剪切破坏区域的大小及工程对消除剪切区深度的要求，若基底下为杂填土层，则垫层厚度取决于杂填土层的埋藏深度。对于换填后其垫层下仍存在软弱下卧层的情况，尚应满足软弱下卧土层的承载力要求及工程对地基变形的要求。

　　对于垫层宽度的大小，则必须满足基础底面压力扩散的要求，并避免垫层材料因向侧边挤出而增加垫层的竖向变形。

　　2.处理湿陷性黄土的垫层

　　换填法处理湿陷性黄土的主要目的是为了消除或部分消除黄土的湿陷量。其中素土垫层一般用于4层以下的民用建筑物，而灰土垫层可用于6一?层的民用建筑物。

　　垫层厚度取决于工程对消除黄土湿陷量的要求。如果须全部消除湿陷量，对于非自重湿陷性黄土，应满足垫层底部总压力不大于下卧黄土层沉陷量起始压力的要求;对于白重湿陷性黄土则必须全部挖除，换填法仅适用于厚度不大的自重湿陷性黄土地基。

　　如果要求消除部分湿陷量，则应根据建筑物的重要性、基础形式和面积、基底压力大小以及黄土湿陷类型、等级等因素综合考虑。一般情况下，对于非自重湿陷性黄土，当垫层厚度等于基础宽度时，可消除湿陷量80%以上;当垫层厚度等于1.5倍基础宽度时，可基本消除湿限量;而灰土垫层的厚度宜大于1.5倍基础宽度。对于自重湿陷性黄土，应控制剩余湿陷量不大于20cm，并满足最小处理厚度的要求。

　　垫层宽度的大小取决于工程的要求。当垫层宽度超出建筑物外墙基础边缘的距离至少为垫层厚度且不小于1.5m时，可消除整个建筑范围内部分黄土层的湿陷性，防止水从室内外渗入地基，并保护垫层下未经处理的湿陷性黄土不致受水浸湿。对于直接位于基础下的垫层，为防止基底下的垫层向外挤出，垫层宽度应超出基础宽度至少为垫层厚度的40%，并不小于0.5 m。

　　3.处理膨胀土的垫层

　　换填法处理膨胀土的主要目的是为了消除或减少膨胀土的胀缩性能，适用于薄的膨胀土层或主要胀缩变形层的不厚的情况。对于垫层厚度，应使地基的剩余胀缩变形量控制在容许值范围内，如采用砂垫层，则应满足以下条件:

　　(1)垫层厚度应为1~1.2倍基础，垫层宽度应为1.8~2.2倍基础宽度。

　　(2)垫层密度应不小于1.65 t/m。

　　(3)基底压力宜选用100~200 kPa。

　　(4)基槽两边回填区的附加压力不应大于0.25p(p为基底压力)。

　　(5)当土膨胀压力大于250kPa时，垫层材料宜选用中、细砂;当土膨胀压力较小时，垫层材料可采用粗砂。

设计施工说明

　　1.材料要求

　　垫层材料可选用砂石、素土、灰土、粉煤灰、高炉干渣等性能稳定且无侵蚀性的材料。

　　(1)砂石。应选用级配良好、质地坚硬的中砂、;粗砂、砾砂、圆砂、卵石或碎石等材料，料中不得含有植物质残体、垃圾等杂物质，且含泥量不应超过5%(排水垫层不应超过3%)。当采用粉细砂时，应掺25%一30%的碎石或卵石，且其最大粒径不得大于50mm。但对于湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。

　　(2)素土。土料中的有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当素土中含有碎石时，其粒径不得大于50mm。对于湿陷性黄土地基，素土料中不得夹有砖、瓦和石块等渗水材料。

　　(3)灰土。灰土的体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粘性七及塑性指数大于4的粉土，土料中不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。灰土宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。

　　(4)粉煤灰。可选用于排、湿排或调湿的低钙灰。对于过湿的粉煤灰应沥干装运，装运时的含水量以15%~25%为宜。对于底层粉煤灰，宜选用较粗的灰，并使含水量稍低于最优含水量。

　　(5)干渣。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。对于小面积垫层，一般采用8~40mm与40~60mm的分级干渣或0~60mm的混合干渣;对于大面积垫层，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。

　　2.施工机具

　　垫层施工应根据不同的换填材料选择施工机具。素填土宜采用平碾或羊足碾;砂石等宜采有振动碾或振动压实机;当有效夯实深度内土的饱和度小于并接近0.6时，可采用重锤夯实。

　　3.含水量要求

　　为获得最佳夯压效果，宜采用垫层材料的最优含水量ωop作为施工控制含水量。对于素土和灰土垫层，含水量可控制在最优含水量ωop+士2%的范围内;当使用振动碾压时，可适当放宽至最优含水量ωop的-6%~+2%范围内。对于砂石料垫层，当使用平板振动器时，含水量可取15%~20%;当使用平碾或蛙式夯时，含水量可取8%~12%;当使用插入式振动器寸，砂石料则宜为饱和。对于粉煤灰垫层，含水量应控制在最优含水量ωop±4%的范围内。

　　4.分层厚度

　　垫层的分层铺填厚度以及每压实遍数宜根据垫层材料、施工机械设备及设计要求等通过现场试验确定。除接触下卧软土层的垫层应根据施工机械设备和下卧层土质条件的要求具有足够的厚度外，一般情况下，垫层的分层铺填厚度可取200-300mm，在不具备试验条件的场合，为保证分层压实质量，同时还应控制机械碾压速度。

　　5.质量控制要求

　　垫层的质量必须分层控制及检验，并且以满足设计要求的最小密度为控制标准。质量检验方法主要有环刀法和贯人测定法;另外，对于垫层填筑工程竣工质量验收还可用:①静载荷试验法;②N63.5标准贯人法;③N10轻便触探法;④动测法;⑤静力触探法等中的几种或一种方法进行检验。

　　各类垫层的质量控制可按下列要求进行:

　　(1)砂石垫层。对于中砂，要求最小干密度ρd≥1.6t/m;对于粗砂，要求最小干密度ρd≥1.7 t/m。;对于碎石或卵石，最小于密度ρd应根据经验适当提高。

　　(2)粉煤灰垫层。要求压实系数λ≥0.90。

　　3)素土垫层和灰土垫层。当垫层厚度不大于3m时，要求压实系数λ≥0.93;当垫层厚度大于3m时，要求达到压实系数λ≥0.95。

　　(4)干渣垫层。要求达到表面坚实、平整、无明显软陷，并且压陷差小于2mm。