换填地基处理
一、换填地基处理机理及技术要求
1、换填地基处理机理
当软弱土地基的承载力、稳定或沉降变形不能满足上部荷载对地基的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，常采用换填土垫层来处理软弱地基，即将基础下一定范围的土层挖去，回填以质地坚硬，强度较高，水稳性好，具有抗侵蚀性的砂、碎石、卵石、水泥土或灰土等，并分层压（夯、振）实至设计要求的密实度，作为地基的持力层，主要使用于淤泥、淤泥质土、湿陷性黄土、素填土、杂填土地基及暗沟、暗塘等浅层软弱地基及不均匀地基的处理，但在用于消除黄土湿陷性时，应符合《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025）中的有关规定。
换填地基加固机理为：
（1）、置换作用：将基底以下软弱土全部或部分挖出，换填为较密实材料，可提高地基承载力，增强地基稳定。
（2）、应力扩散作用：基础底面下一定厚度垫层的应力扩散作用，可减小垫层下天然土层所受的压力和附加压力，从而减小基础沉降量，并使下卧层满足承载力的要求。
（3）、加速固结作用：用透水性大的材料作垫层时，软土中的孔隙自由水因静水压力差和毛细水的作用可部分通过它排除，在建筑物施工过程中，可加速软土的固结，减小建筑物建成后的工后沉降。
（4）、防止冻胀：由于垫层材料是非冻胀材料，采用换土垫层对基础底面以下可冻胀土层全部或部分置换后，可防止土的冻胀作用。
（5）、均匀地基反力与沉降作用：对石芽出露的山区地基，将石芽间软弱土层挖出，换填压缩性低的涂料，并在石芽以上也设置垫层；或对于建筑物范围内局部存在松填土、暗沟、暗塘、古井、古墓或拆除旧基础后的坑穴，可进行局部换填，保证基础底面范围内土层压缩性和反力趋于均匀。
换填的目的是增强地基强度、提高地基承载力，减少地基沉降，当垫层采用透水材料时可加速地基土体的排水固结。
2、换填地基技术要求
（1）、垫层材料主要技术要求
砂石：宜选用碎石、卵石、角砾、圆砾、粗砂、中砂或石屑（粒径小于2mm的部分不应超过总重的45%），应级配良好，不含植物残枝、垃圾等杂质。当使用粉细砂或石粉（粒径小于0.075mm的部分不应超过总重的9%）时，应掺入不少于总重30%的碎石或卵石。最大粒径不宜大于50mm。对湿陷性黄土地基，不得选用砂石等渗水材料。
粉质黏土：土料中有机质含量不得超过5%，亦不得含有冻土或膨胀土。当含有碎石时，其粒径不宜大于50mm。用于湿陷性黄土地基或膨胀土地基的粉质黏土垫层，土料中不得夹有砖、瓦和石块。
灰土：体积配合比宜为2:8或3:7。土料宜用粉质黏土，不得使用块状黏土和砂质黏土，不得含有松软杂质，并应过筛，其颗粒不得大于15mm。石灰宜用新鲜的消石灰，其颗粒不得大于5mm。
土工合成材料：由分层铺设的土工合成材料与地基土构成加筋垫层。所用土工合成材料的品种与性能及填料的土类应根据工程特性和地基条件，按现行国家标准《土工合成材料应用技术规范》（GB50290）的要求，通过设计并进行现场试验后确定。
作为加筋用的土工合成材料应采用抗拉强度较高、延伸率小、耐久性好、抗腐蚀的土工格栅、土工格室、土工网垫或土工织物等。土工合成材料一般与褥垫层结合使用，褥垫层填料宜用碎石、角砾、砾砂、粗砂、中砂或粉质黏土等材料，如工程要求垫层具有排水功能，垫层材料应具有良好的渗水性。
在软土地基上使用加筋垫层，应保证结构稳定并满足允许变形的要求。
（2）、换填地基处理主要技术参数
换填垫层的厚度：应根据需置换软土的深度或下卧土层的承载力确定，一般情况下不宜小于0.5m，也不宜大于3m。
设计宽度：垫层底面的宽度应满足基础底面应力扩散的要求，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。
垫层材料和土工合成材料应满足要求。
换填垫层的压实标准应符合要求。
质量检验数量和方法见《铁路路基工程施工质量验收标准》（TB10414—2003）。
（3）、换填地基处理主要事项
换填施工之前，应核对换填施工现场的地形与地质情况，如与设计不符应及时与设计方取得联系。
在正式换填施工之前，应对换填所使用的填料进行相关项目的复核与检验，达不到设计要求的，应及时提出变更申请。
换填料在正式进行填筑压实之前，应进行填筑压实试验，确定合理的压实参数。
二、换填地基处理施工
1、换填地基施工工艺
（1）、换填地基加固施工工艺流程见下图
换填地基施工工艺流程
（2）、工艺要点
施工准备工作包括岗前培训，安全、技术交底，现场图纸核对，材料、设备资源准备，开工申请等工作。
测量放线包括平面、高程控制桩点设置，换填范围界桩、高程测量与控制桩的设置等工作。
排水疏干：根据现场地形情况，采用挖沟排放或抽水设备抽排疏干地表。
挖除软土：采用挖装设备将需要换填的范围、深度内的非适应性填料挖除，并用自卸车将非适应性填料运输到指定弃土场。
基底碾压：采用合适的平整、碾压设备对换填基底进行整平、压实。
填料选择：根据设计或如无设计时就近选择可作为换填地基的填料，初步评估其适应性。
填料品质检验：根据《铁路工程土工试验规程》（TB10102—2004）、《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设【2005】160号）的要求，对拟作为换填材料的各项指标进行试验检测。
填料运输与摊铺：根据工点换填数量、填料运距，合理组合挖装、运输、摊铺、碾压设备。对大型设备无法到位的边角，应组织人工摊铺，采用小型压实设备碾压。
质量检测：根据《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》的要求，逐层对碾压完工的地基密实度、承载力、变形指标进行检测。
下层填筑：上层换填地基各项指标检测合格，进入下层填料施工。
2、换填地基施工的劳动力、设备及材料
（1）、每个施工作业面所需劳动力组织见下表：
人员配备表
序号 人员 数量 职责 1 工点负责人 1 负责施工现场指挥、资源组织与协调 2 现场技术人员 1～2 掌握施工技术及质量，填写工程日志 3 领工员 2～3 安排各个作业班组按照施工组织设计、操作规程、技术措施等进行施工 4 安全员 2 负责检查施工现场安全控制措施落实的情况，及时反映安全的动态情况 5 测量人员 3 负责换填阶段的放线、验线等工作，并同时做好测量记录 6 试验检测人员 2～3 负责试验检测和控制 7 机械作业及维修人员 10～15 机械的操作、维修保养喝排除故障 8 辅助杂工 10～15 抽水、画线、做标志物等 （2）、根据工程数量、填料压实的施工方法（碾压、振密或夯实），并结合现场地形条件及道路情况，合理配置一定数量的机械设备，每个施工作业面机械设备配置见下表：
施工机械设备配置表
序号 设备名称 单位 数量 性能 1 挖掘机 台 1～2 1.0m3以上 2 推土机 台 2 150马力以上 3 平地机 台 1 视换填的规模而定，较小的换填可不配 4 振动压路机 台 2 20t 5 自卸汽车 台 8～12 15t以上 6 装载机 台 1 7 洒水车 台 1～2 （3）、换填材料选用质地坚硬、强度较高、性能稳定、具有抗侵蚀性的砂砾石、碎石、素土、灰土和土工合成材料等，填料种类及其技术条件应符合设计要求。（见文前：换填地基技术要求）
3、换填地基施工要点
换填施工以前进行施工调查，对需换填的软土层范围及深度（包括地基中的孔洞、沟、井和墓穴）应仔细调查核实并处理。对填料进行选择和确认，对弃土场进行确认，对弃土场进行确认，自选弃土场应选择洼地，并根据地形条件设置挡土墙。
根据现场实际情况和工期要求划分施工段落，对施工作业先后顺序以及机械走行路线进行合理安排。
根据设计施工图纸测定换填的范围和深度。开挖深度在2.0m以内时，可用推土机、挖掘机清除至路基范围以外堆放或运至取土坑还田。开挖深度大于2.0m时，应由端部向中央分层挖除，同时修筑临时运输便道由汽车等运输工具将软土运至路基以外。
准备临时排水机械，疏干地表水，换填基坑内若有渗水应及时抽水排除。
换填地基面积大、软土底部起伏大于5%的应设置台阶，基坑开挖完成以后及时申请验收。
换填垫层铺筑前，应对软土表面进行修整，可采用人工配合机械对换填基坑修整成形，用压路机碾压密实，对大型设备无法碾压到位的边角，采用小型设备补充碾压。
在开展施工前，应选择不小于100m的换填地基段进行填筑、压实工艺性试验，确定合理的工艺参数和施工方法，其内容包括：
换填材料的松铺系数。
标准施工方法：
填料摊铺方法和适用机具；
填料的最佳含水量；
整平和整形的合适机具和方法；
压实机械的参数，压实的顺序、速度和遍数；
挖掘、运输、摊铺和碾压机械的协调和配合；
压实质量的检测方法。
最大松铺厚度。
换填基坑成形后，报请驻地监理检查验收，合格后根据工艺性试验确定的工艺参数，采用横向全断面，纵向分段，水平分层由低向高处逐层填筑。
换填施工应按照先深后浅的顺序，从最低处开始进行整片分层回填夯实（或碾压），尤应任意分段接缝，换填层底面应铺设在同一标高上，深度不同时，基坑地基图土面应挖成台阶或斜坡搭接，各分层搭接位置应错开0.5～1.0m，搭接处应注意压实。
填料运到划分好的施工地段后，用推土机初平后再用平地机整平，用振动压路机进行纵向碾压。振动压路机碾压时，应按照工艺性试验确定的施工参数进行压实，行驶速度采用慢速，最大速度不超过4km/h，先慢后快，振动频度先弱后强，采用由两侧向中间碾压，轮迹重叠为后轮宽度的1/2，前后相邻两区段纵向重叠1.0～1.5m，上、下两层填筑接头处错开3m。每层碾压完毕后，快速检测压实密度和孔隙率，下层的压实质量经检验合格后，进行上层施工。
试验人员对每层填土厚度和填土间隔时间做好施工记录。
4、换填地基施工安全保证措施
换填基坑边不应堆放弃土，确需临时性堆放的必须距离基坑边缘1.0m以上，高度不得超过1.0m。
挖基作业中如发生坑壁开裂等险情时，应立即报告施工负责人，当险情进一步加剧时，应立即组织人员、机械撤离。
基坑排水作业时，必须连续抽水，控制水面高度，避免坑壁坍塌。
施工现场临时用电应按《施工现场临时用电安全技术规程》（JGJ46—88）要求布线和设置用电器，做好安全用电管理。
在人口密集地区或交通要道旁进行挖基作业，基坑四周必须设置安全围挡及警示标识，配置必要的安全巡视员。
施工机械在作业时，应设有明显的安全警告标识，并派专人指挥。
警告标识做到规范、适用，位置明显，方便机械操作手观察。
指挥人员应熟悉业务，动作规范，指挥位置应既安全又能方便机手观察。
人、机配合作业时，须划分不同的作业区，专人指挥，交替作业，严禁人机混合作业。
5、换填地基施工质量控制措施
填筑前首先进行工艺试验，确定主要工艺参数及设备配套方案，并按试验取得的工艺参数和确定的施工方法组织施工。
根据《铁路工程土工试验规程》（TB10102—2004）、《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设【2005】160号）的要求对填料各项性能指标进行检测。
换填范围和深度必须满足设计要求，施工时应横向全断面，纵向分段、分层，逐层填筑，更根据换填范围大小划分卸料区、摊铺区、碾压区、检测区组织施工，下层检测不合格不得进入上层填筑。在无设计要求时，压实标准应符合下表要求。
各类填料压实标准
换填材料类别 压实系数K 碎石、卵石 0.94～0.97 砂夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～50%） 土夹石（其中碎石、卵石占全重的30%～51%） 中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、石屑 粉质黏土 灰土 0.95 6、换填地基施工的环境保护
挖除后的非使用材料（软土）必须运往指定的弃土场堆放、平整，并做好弃土场的防护、排水以及植被恢复工作。
取料场在施工完成后应根据当地土地利用、环保规划要求进行整治。
根据施工现场环境、气象条件，及时洒水养护施工便道，减少扬尘污染。
临时排水不得损毁农田、耕地，防止污染自然水源，也不得引起淤积和冲刷。
精心组织、合理安排。避免在人口密集地区夜间施工，以防噪声扰民。
三、换填地基处理检测
1、换填地基检测指标主要包括地基系数K30、压实系数K和孔隙率n。各类填料换填地基检测指标应满足设计要求或《客运专线铁路路基工程施工质量验收暂行标准》（铁建设【2005】160号）的要求。在施工设计图纸没有明确要求时，可以按下表中各类填料要求指标进行检验。
各类填料地基检测指标
填料 压实标准 细粒土 粗粒土 碎石土 检测频次和取样部位 A、B、C组填料及改良土（不含细粒土、粉砂及易风化软质岩） 地基系数K30（MPa/m） ≥90 ≥100 ≥130 每层、每100m范围内检测4点，距路基边2m处左右各1点，中间2点 压实系数K ≥0.90 — — 每层、每100m检测6点，距路基边1m处左右各2点，中间2点 孔隙率n — ＜31% ＜31% 每层、每100m检测6点，距路基边1m处左右各2点，中间2点 2、换填地基检测设备及方法
地基系数K30、压实系数K和孔隙率n均为常规项目检测，检测设备为通用设备，常规检测设备见下表。
常规检测设备
序号 设备名称 单位 数量 1 K30检测设备 套 1 2 土工试验仪 套 1
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