垫层设计及相关施工技术

施工必备知识点

各种不同材料的垫层，虽然其应力分布有所差异，但从试验结果分析，其极限承载力还是比较接近；通过沉降观测资料，发现不同材料垫层上的建筑物沉降的特点也基本相似，所以各种材料的垫层都可近似的按砂垫层的计算方法进行计算。

1.垫层的分类按换填材料的不同，将垫层分为砂垫层、素土垫层、矿渣垫层、粉煤灰垫层和褥垫层等。

2.垫层的适用范围（1）砂垫层。多用于中小型建筑工程的浜、塘、沟等的局部处理。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

基础和动力基础的软土地基处理。砂垫层不宜用于有地下水流流速快、流量大的地基处理。（2）素土垫层。素土垫层（简称土垫层）和灰土垫层（石灰与土的体积配合比一般为

2∶8或3∶7）在湿陷性黄土地区使用较广泛，处理厚度一般为1～3m。通过处理基底下的部

分湿陷性土层，可达到减小地基的总湿陷量，并控制未处理土层湿陷量的处理效果。素土垫层或灰土垫层可分局部垫层和整片垫层。当仅要求消除基底下处理土层的湿陷性

时，宜采用素土垫层；除上述要求外，还要求提高土的承载力或水稳性时，宜采用灰土垫层。局部垫层一般设置在矩形（或方形）基础或条形基础底面下，主要用于消除地基的部

分湿陷量，并可提高地基的承载力。根据工程实践经验，局部垫层的平面处理范围，每边超

出基础底边的宽度不应小于其厚度的一半，即使地基处理后，地面水仍可从垫层侧向渗入下

部未经处理的湿陷性土层而引起湿陷，故对有防水要求的建筑物不得采用。整片垫层一般设置在整个建（构）筑物（跨度大的工业厂房除外）的平面范围内，每

边超出建筑物墙基础外缘的宽度不应小于垫层的厚度，并不得小于2m。整片垫层的作用是

消除被处理土层的湿陷量，以及防止生产和生活用水从垫层上部或侧向渗入下部未经处理的

湿陷性土层。素土垫层适用于中小型工程及大面积回填、湿陷性黄土地基的处理。（3）砂渣垫层。适用于中小型建筑工程，尤其适用于地坪、堆场等工程大面积的地基

处理和场地平整。但对于受酸性或碱性废水影响的地基不得采用矿渣垫层。（4）粉煤灰垫层。适用于厂房、机场、港区陆域和堆场等大、中、小型工程的大面积

填筑。

实践技能知识点

1.砂和砂石垫层设计

砂垫层设计的主要内容是确定垫层断面的合理厚度和宽度。对于垫层，既要求有足够的厚度来置换可能被剪切破坏的软弱土层，又要求有足够的宽度以防止垫层向两侧挤出。

施工小经验

（1）用砂石料作垫层填料时，宜选用颗粒级配良好、质地坚硬的中砂、粗砂、砾砂、圆砾、卵石或碎石等，填料中不得含有植物残体、垃圾等杂质，且含泥量不应超过5%。

（2）用粉细砂作填筑料时，应掺入不少于30%的碎石或卵石，且应分布均匀，最大粒径均不得大于50mm。

（3）当碾压（或夯、振）功能较大时，最大粒径亦不宜大于80mm。用于排水固结地基垫层的砂石料，含泥量不宜超过3%。

（4）对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。砂垫层材料应选用级配良好的中粗砂，含泥量不超过3%，并应除去树皮、草皮等杂质。

（5）用细砂作垫层填料时，应掺入30%～50%的碎石，碎石最大粒径不宜大于50mm，并应通过试验确定铺填厚度、振捣遍数、振捣器功率等技术参数。

对于排水砂垫层来说，除要求有一定的厚度和密度满足上述要求外，还要求形成一个排水面，促进软弱土层的固结，提高其强度，以满足上部结构的要求。

（1）砂垫层厚度的确定。砂垫层的厚度应根据垫层底部软弱土层的地基承载力设计值来确定，即作用在垫层底面处的总应力（自重应力和附加应力之和）不超过垫层底部软弱土层的地基承载力设计值（图6-49），满足式（6-4）。

图6-49 砂垫层内应力的分布

1—砂垫层 2—回填土 3—基础

σ=σ_cz+σ_z≤f_az （6-4）

式中 f_az———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）；

σ———垫层底面处得总应力（kPa）；

σ_cz———垫层底面处土的自重应力值（kPa）；

σ_z———相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处土的附加应力值（kPa）。

垫层底面处土的附加应力值σ_z可按应力扩散角θ进行简化计算，按式（6-5），式（6-6）计算。

对于条形基础

对于矩形基础

式中 p_k———相应于荷载效应标准组合时，基底压力平均值（kPa）；

σ_cd———基础底面处土的自重应力值（kPa）；

l———矩形基础底面的长度（m）；

b———矩形基础或条形基础底面的宽度（m）；

z———垫层的厚度（m）；

θ———垫层的压力扩散角（°），见表6-6。

表6-6 压力扩散角θ

注：1.当z/b<0.25时，除灰土的θ仍取28°外，其余材料均取θ=33°。

2.当0.25<z/b<0.5时，θ值可以直线内插求得。

设计时，先根据砂垫层的承载力特征值确定基础宽度b，再根据垫层底面软弱土层的承载力特征值定出砂垫层的厚度z。砂垫层的承载力特征值要合理拟定，如果定得过高，则换砂厚度将很深，对施工不利，也不经济。根据载荷试验资料表明：当垫层底面软弱土层的承载力特征值为60～80kPa、压缩模量为3MPa左右、换土厚度为（0.5～1）b时，砂垫层的承载力特征值为100～200kPa，平均变形模量为14MPa。各种材料垫层的承载力特征值宜通过现场载荷试验确定，当无试验资料时，可按表6-7选用，并验算下卧层的承载力。

表6-7 各种垫层的承载力

计算时，先假定一个砂垫层厚度z，然后用式（6-4）校核。如果不满足要求，则需要加大厚度，重新校核，直到满足为止。一般砂垫层的厚度为1～2m，过薄的砂垫层（<0.5m）和太厚的砂垫层（>3m），施工较困难，经济上不合理。

（2）砂垫层宽度的确定。砂垫层的宽度除要满足应力扩散的要求外，还要根据垫层侧面土的承载力特征值来确定，防止垫层向两边挤出。如果垫层的宽度不足，四周侧面土质又比较软弱时，垫层就有可能部分挤入侧面土中，使基础沉降增大。砂垫层的底宽b′可按应力扩散角θ从基础底面扩散到砂垫层底面的宽度确定，可按式（6-7）计算

b′≥b+2ztanθ （6-7）

应力扩散角θ仍按表6-6确定。

整片垫层的铺设宽度可根据施工的要求适当加宽。垫层顶面每边宜超出基础底边不小于0.3m，或从垫层底面两侧向上，按当地开挖基坑经验和要求放坡。

底宽确定后，再根据开挖基坑所要求的坡度延伸到地面，即得砂垫层的设计断面。

砂垫层的剖面确定后，对于比较重要的建筑物还要求验算基础的沉降，要求最终沉降量小于设计建筑物的容许沉降值。验算时不考虑垫层的压缩变形，仅考虑按常规的沉降计算公式计算下卧软弱土引起的基础沉降量即可。

施工小经验

指出：应用此法确定的垫层厚度，往往比实际需要的偏厚，比较保守。不难看出：由式（6-4）确定的砂垫层厚度，仅考虑了应力扩散的作用，而忽略了约束作用和排水固结对地基承载力的提高的影响，所以实际的承载力要比考虑深度修正后天然地基的承载力要大。因此，对于重要的工程，建议通过现场试验来确定。

（3）对材料的要求。砂垫层材料应选用级配良好（不均匀系数C_u>10）的中、粗砂为宜，可掺入一定数量的碎（卵）石，但要分布均匀，含泥量不超过3%，并要除去树皮、草根和垃圾等杂物。如果用细砂作为换填材料时，应掺入30%～50%的碎（卵）石，碎（卵）石的最大粒径不应大于50mm。若用作排水固结地基砂、石材料，含泥量也不超过3%，碎（卵）石的最大粒径也不应大于50mm。

【例1】 某四层砖混结构的住宅建筑，承重墙下为条形基础，宽1.2m，埋深1m，上部结构传至地面的中心荷载为120kN/m，基础及上覆土的平均重度为20kN/m³。地基土表层为粉质黏土，厚1m，重度为17.5kN/m³；第二层为淤泥，厚15m，饱和土重度为17.8kN/m³，地基承载力特征值，f_ak=50kPa；第三层为密实的砂砾石。地下水距地表为1m。因为地基土软弱，不能承受建筑物荷载，试设计砂垫层。

解：（1）假设砂垫层的厚度为1.5m，并要求分层碾压夯实，干密度大于1.5t/m³。

（2）砂垫层厚度的验算。

根据题意，基底平均压力为

砂垫层底面的自重应力为

σ_cd=17.5×1+（17.8-10）×1.5=29.2（kPa）

砂垫层底面的附加应力为

式中：p₀为基础底面附加压力（kPa）；θ为附加应力扩散角，粗砂θ=30°；b为基础宽度，b=1.2m；z为粗砂垫层厚度，z=1.5m。

根据砂垫层地面下卧淤泥层的地基承载力特征值f_ak=50kPa，再经深度修正后得地基承载力特征值

砂垫层底面的总应力为

σ=σ_cd+σ_cz=29.2+42.0=71.2（kPa）<73.4（kPa）

（3）确定砂垫层的底宽b′为

b′=b+2ztanθ=1.2+2×1.5×tan30°=2.93（m）

取b′=3m。

故砂垫层的底宽为2.93m。

2.灰土和素土垫层的设计

（1）灰土垫层。灰土垫层是将基础地面下一定深度范围内的软弱土挖去，用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层夯实或压实。适用于处理1～4m厚的软弱土层。

施工小经验

土的体积配合比宜为2∶8或3∶7，土料宜采用粉质黏土，不宜使用块状黏土和砂质粉土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒粒径不得大于15mm。灰土强度随土料中黏粒含量增高而加大，塑性指数小于4的粉土中的黏粒含量太少，不能达到提高灰土强度的目的，因而不能用于拌和灰土。石灰宜采用新鲜的消石灰，其颗粒粒径应小于5mm。

灰土的原材料是石灰和土，虽然材料普通，但其作用原理却较复杂。现仅对灰土垫层的设计原材料的要求硬化原理以及影响灰土强度的主要因素分述如下。

1）垫层设计。

①承载力特征值的确定。经过人工压实的（或夯实）的3∶7灰土垫层，当压实系数λ_c控制在0.97及干土重度不小于14.5～15.0kN/m³时，其承载力特征值最大可达300kPa。对于2∶8的灰土垫层，当压实系数控制在0.95～0.97及干土重度不小于14.8～15.5kN/m³时，其承载力特征值最大可达300kPa。

②垫层厚度的确定。计算方法同砂垫层。

③垫层宽度的确定。灰土垫层的宽度一般为灰土顶面基础砌体宽度加2.5倍灰土厚度之和。

2）灰土的材料。

①石灰。石灰是一种无机的（矿物的）胶结材料，它不但能在空气硬化，而且还能更好地在水中硬化，建筑工程中常用的熟石灰，其原料是石灰石，含碳酸镁的为白云石。

石灰生产时，将石灰石在煅烧窑内加热到900℃以上（常达1100～1200℃），碳酸钙分解后放出碳酸气而得氧化钙（CaO），即

CaCO₃→CaO+CO₂↑

煅烧后生成的石灰是质地轻的块状物，颜色呈白至灰或黄绿色，主要成分为氧化钙，其次为氧化镁。

石灰（指生石灰）在使用前，一般用水熟化。生石灰的熟化是碳化作用，同时也是放热反应，即

CaO+H₂O→Ca（OH）2+65.3kJ/mol

生石灰加水后放出热量，形成蒸气，同时体积膨胀。当质纯及煅烧良好时其体积增大1.5～2.0倍。体积增大是由于其相对密度减小（生石灰相对密度为3.1，熟石灰相对密度为2.1）和质地变为疏松的粉末状所致。

施工小经验

在施工现场用作灰土的熟石灰应予过筛，其粒径不得大于5mm。熟石灰中不得夹有

未熟化的生石灰块，也不得含有过多的水分。

石灰的性质取决于其活性物质的含量，即含CaO与MgO含量百分率，含量越高，则活性越大，胶接力越强。一般常用的熟石灰粉末其质量应符合Ⅲ级以上的标准，活性CaO+MgO含量不低于50%，如果要拌制强度较高的灰土，宜选用I级或Ⅱ级石灰。当活性氧化物含量不高时，应相应增加石灰的用量。石灰的储存时间不宜超过3个月，长期存放会使其活性降低。

②土料。灰土中的土不仅作为填料，而且参与化学反应，尤其是土中的黏粒（<0.005mm）或胶粒（<0.002mm），具有一定活性和胶结性，含量越多（即土的塑性指数越高），则灰土的强度越高。

施工小经验

在施工现场常采用就地基坑（槽）中挖出的黏性土和粉土（塑性指数I_p>8）拌制灰土，淤泥、耕土、冻土、膨胀土以及有机物含量超过8%的土料，都不得使用。土料应予过筛，其粒径不得大于15mm。

③石灰用量对灰土强度的影响。灰土中石灰的用量在一定的范围内，其强度随用灰量的增大而提高，但当超过一定限值后则强度增加很小，并有逐渐减小的趋势。例如，1∶9的灰土，强度很低，只能改善土的压实性能；2∶8和3∶7的灰土，一般作为最佳含灰率，但与石灰的等级有关，通常应以CaO+MgO所含总量达到8%左右为佳。

石灰应以生石灰块消解（闷透）3～4d后过筛使用。

④用石灰、粉煤灰按适当比例加水拌和，分层夯实的垫层，称“二灰垫层”。“二灰垫层”与灰土垫层相似，但强度较灰土垫层高，见表6-8，最优含水量比灰土大，干土重度较灰土小。压实系数在0.94～0.97时，干土重度为9.4～9.7kN/m，施工最优含水量为50%左右，石灰掺入量以15%～20%为宜。

表6-8 二灰垫层试件的抗压强度

（2）素土垫层。

1）垫层厚度的确定。素土垫层厚度的计算方法同砂垫层。

2）垫层宽度的确定。

①当垫层厚度小于2m时，基础外沿至垫层边沿不小于厚度的1/3，且不小于300mm；当垫层厚度大于2m时，可适当加宽且不小于700mm。

②整片素土垫层超出基础外缘的宽度不得小于1.5m。当垫层厚度大于2m时，宜适当加宽。

3.碎石和矿渣垫层设计

实践证明，碎石和矿渣有足够的强度，变形模量大，稳定性好；而且垫层本身还可起排水层的作用，并加速下部软弱土层的固结。

（1）对碎石垫层材料的要求。碎石垫层所用的碎石粒径，一般为5～40mm的自然级配碎石，含泥量不大于5%。

（2）对矿渣垫层材料的要求。矿渣是高炉冶炼生铁过程中所产生的固体废渣经自然冷却而成的垫层材料。矿渣垫层材料可根据工程的具体条件选用分级矿渣、混合矿渣（即破碎石不经筛分的不分级矿渣）或原状矿渣。小面积垫层用粒径8～40mm与40～60mm的分级矿渣；当大面积铺填时，多采用混合矿渣或原状矿渣，原状矿渣粒径最大不超过200mm或不大于碾压分层厚度的2/3。

（3）矿渣垫层材料的特性。

①松散密度。根据《混凝土用高炉重矿渣碎石》（YB/T4178—2008）的规定，重矿渣的强度可用松散密度指标表示，对分级矿渣松散密度要求不小于1.1t/m³。经测定分析，松散密度与粒径有关，粒径小则轻，粒径大则重。但粒径较小的矿渣砂（粒径在0～8mm之间），其密度可达1.4t/m³。

②变形模量。一般工程中，不论是分级矿渣或混合矿渣，压实后的变形模量都大于或等于砂、碎石等垫层材料的变形模量。当符合一定的压实标准的话，压实后的矿渣垫层（分级或混合）的变形模量E₀可达35MPa以上。

③高炉重矿渣在力学性质上的最为重要的特点。当垫层压实符合标准时，荷载与变形关系具有直线变形体的一系列特点。如果压实不佳，强度不足，会引起显著的非线性变形。因此，设计人员应首先了解矿渣的组成成分、级配、软弱颗粒含量和松散密度；其次是根据场地条件和施工现场条件，确定合理的施工方法和选择各种计算参数。综上所述，用于垫层的矿渣技术条件要符合下列规定：稳定性合格；松散密度不小于1.1t/m³；泥土与有机质含量不大于5%。但对于一般的场地平整，矿渣质量可不受上述指标的限制。

④碎石垫层和矿渣垫层的构造要求。在碎石和矿渣垫层的底部，为了防止基坑表层软弱土发生局部破坏而使建筑物基础产生附加沉降，一般应设置一层15～30mm厚的砂垫层，砂料应采用中砂、粗砂，然后再铺筑碎石或矿渣垫层，如图6-50a所示。

当软弱土层厚度不同时，垫层应做成阶梯形，如图6-50b所示，但两层垫层的高差不得小于1m，同时阶梯需符合b>2h的要求。

4.粉煤灰垫层的设计

粉煤灰是燃煤电厂的工业废弃物。每年排放量很大。根据一些地区的工程实践证明，粉煤灰是一种良好的地基处理材料，具有良好的物理力学性能，能满足工程设计的技术要求。

图6-50 碎石或矿渣垫层（单位：mm）

a）碎石或矿渣垫层 b）阶梯式碎石或矿渣垫层

1—基础 2—砂垫层 3—碎石或矿渣垫层 4—砂或混凝土挡

粉煤灰类似于砂质粉土，其垫层厚度和宽度的计算方法同砂质垫层，粉煤灰垫层的压力扩散角θ=22°。

粉煤灰的最大干土密度和最优含水量在设计和施工前应按《土工试验方法标准[2007版]》（GB/T 50123—1999）做击实试验测定。

粉煤灰的内摩擦角、黏聚力、压缩模量及渗透系数随粉煤灰的材质和压实密度而变化，应通过室内土工试验确定。当无试验资料时，可参照上海地区提出的数值：λ_c=0.90～0.95时，ϕ=23°～30°，c=5～30kPa，E_s=8～20MPa，k=2×10^-4～9×10^-5cm/s。

粉煤灰压实垫层具有遇水后强度降低的特点，上海地区提出的经验数值是：压实系数为λ_c=0.90～0.95的浸水垫层，其承载力特征值可采用120～200kPa，但仍应满足软弱下卧土层的强度与变形要求。当λ_c>0.90时，可抗7度地震液化。