換填法在軟土路基處理設(shè)計中的應(yīng)用與研究

畢小勇，高 玲，陳 波

（荊州市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 荊州 434000）

換填法在軟土路基處理設(shè)計中的應(yīng)用與研究

畢小勇，高 玲，陳 波

（荊州市城市規(guī)劃設(shè)計研究院，湖北 荊州 434000）

道路設(shè)計過程中，將軟路基土全部挖除換填或者加固設(shè)計路段范圍內(nèi)所涉及到的所有軟土層無疑是避免軟土路基失穩(wěn)和沉降過大最為理想狀態(tài)下的處理設(shè)計方案，然實際應(yīng)結(jié)合工程特性及地質(zhì)條件綜合比對分析，合理選取處理設(shè)計方案。通過某城市次干路軟路基處理設(shè)計實例，不僅較為詳細(xì)介紹了換填法處理軟路基的設(shè)計過程，同時顯示了在淺層軟路基處理過程中，換填法相對復(fù)合地基法來說更為經(jīng)濟(jì)，并且也指出了換填路基分層施工質(zhì)量控制及路基整體強度驗收標(biāo)準(zhǔn)，在一定程度上，可以為今后類似工程提供參考。

換填法；軟土；路基；處理；設(shè)計

0 引言

道路設(shè)計過程中，經(jīng)常會碰到各種不良地質(zhì)條件的路基需要進(jìn)行處理設(shè)計，尤以軟土路基最為常見。軟土路基是指天然狀態(tài)下路基所處土層為淤泥、淤泥質(zhì)土以及天然強度低、壓縮性高、透水性小的一般黏土等軟土層。軟土的主要特性為天然含水量35%～80%；孔隙比1～2；壓縮系數(shù)a1-2在0.5～1.5 MPa-1之間，部分高達(dá)4.5 Ma-1；壓縮模量一般小于4 MPa;抗剪強度很低，天然不排水狀態(tài)下一般小于20 kPa,其變化范圍在5～25 MPa，故軟土低強度、高壓縮、含水量高的工程特性決定了其巖土力學(xué)性質(zhì)不佳且不穩(wěn)定，易導(dǎo)致路堤失穩(wěn)以及路面沉降過大而破壞[1,2]。故為了保證軟路基不至于失穩(wěn)以及發(fā)生過大沉降，對軟土路基進(jìn)行科學(xué)合理的處理設(shè)計是很有必要的。

1 換土墊層法

換土墊層法也稱換填法，為處理軟土路基常用的一種土的置換方式。其原理主要是將軟土層的一部分或者全部挖除，回填強度較高的砂、石、素土、灰土或者其它性能穩(wěn)定、無侵蝕性等材料，并夯至密實，從而提高路基土的抗剪強度以及承載力，繼而確保路基整體穩(wěn)定性以及減少土路基沉降[3,4]。

換土墊層法是一種淺層軟土路基處理方法，其處理深度一般在0.5～3 m,且采用此法時應(yīng)與其它處理方法進(jìn)行經(jīng)濟(jì)比較擇優(yōu)選用[5,6]。

2 工程概況

某城市道路屬于城市路網(wǎng)骨架中東西向次干路，全長753.2 m,結(jié)構(gòu)層厚81 cm,為瀝青混凝土土路面，道路全段無橋涵構(gòu)筑物。道路規(guī)劃斷面見圖1，紅線寬25 m,其中車行道寬15 m，兩邊人行道（含2.5 m綠化）5 m。道路設(shè)計高程28.12～28.95 m,所在地區(qū)現(xiàn)狀地面自然高27.42～28.89 m。

圖1 道路規(guī)劃橫斷面（單位：m）

巖土工程地質(zhì)條件如下：

①素填土，頂板埋深0.00～0.00 m，厚度0.70～1.80 m，全場分布，重度γ=18.2 kN/m3，結(jié)構(gòu)松散，力學(xué)性質(zhì)變異大；

②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，頂板埋深0.70～1.40 m，厚度0.60～2.60 m，局部分布，重度γ=16.7 kN/m3，[fao]=40 kPa，Es1-2=2.0 MPa,承載力低,壓縮性高;

③粉質(zhì)黏土，頂板埋深0.90～3.30 m，厚度0.60～1.90，全場分布,重度γ=19.0 kN/m3，[fao]= 100 kPa，Es1-2=5.0 MPa，承載力中等，壓縮性中等；

④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，頂板埋深2.10～3.50 m，厚度0.50～1.50 m；全場分布，重度γ=17.6 kN/m3，[fao]=60 kPa,Es1-2=3.0 MPa，承載力低，壓縮性高；

⑤粉砂夾粉土，頂板埋深3.20～4.90 m，厚度1.60～3.40 m，全場分布，重度γ=19.5 kN/m3，[fao]= 100 kPa,Es1-2=8.0 MPa，承載力一般，壓縮性中等；

⑥粉砂，頂板埋深5.00～7.60 m，厚度5.00～14.40 m，全場分布，重度γ=19.8 kN/m3，[fao]=170 kPa, Es1-2=15.0 MPa，全場分布，承載力較高，壓縮性較低。

3 軟土路基處理設(shè)計

3.1 技術(shù)方案比選

巖土工程勘察報告中給出的路基處理意見是采用粉噴樁復(fù)合地基法加固處理，處理深度5.0～6.0 m,以第⑤粉砂夾粉土層作為下臥持力層，從設(shè)計經(jīng)驗角度認(rèn)為該軟路基處理建議偏保守。

軟土路基處理設(shè)計原則應(yīng)該是：不處理情況下，計算分析路基的沉降與穩(wěn)定性→淺層處理后，計算分析路基的沉降與穩(wěn)定性→深層處理后，計算分析路基的沉降與穩(wěn)定性[7]。本軟路基在不處理情況下，計算路段最不利位置工后沉降約23 cm,小于規(guī)范規(guī)定的一般路段最大工后沉降30 cm，然沉降偏大可能會影響底下管道。筆者認(rèn)為，本道路軟路基已滿足沉降要求，只需要進(jìn)行淺層換填處理即可，而且主要是為了避免過大沉降對路基底下管道造成不利影響。

3.1.1 定性分析

道路紅線范圍內(nèi)雖有兩層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，然厚度均不厚，并且第二層淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層頂板埋深2.10～3.50 m，埋深較深，且它上面還有一層壓縮強度相對較高的粉質(zhì)黏土層，其頂板埋深0.90～3.30 m，普遍分布厚度在1.20～1.90 m之間，應(yīng)考慮到該層土對上部應(yīng)力有擴(kuò)散作用，它能使下部軟土層受到的附加應(yīng)力降低，減小軟路基沉降[8]。因此，若是考慮充分利用中間粉質(zhì)黏土層，而不去擾動和破壞它，只是考慮將第一層軟土挖除，換填強度更高的土質(zhì)，再加上該道路普遍范圍內(nèi)為填方，填方在1.64～1.72 m，填方不大，故上部應(yīng)力傳遞下來已經(jīng)很小了，其應(yīng)力由換填強度較高的土質(zhì)和中間硬殼層承受，工后沉降會更小。

3.1.2 經(jīng)濟(jì)比對

如果采用粉噴樁復(fù)合地基處理方案，粉噴樁樁徑一般不小于0.5 m，取0.5 m；樁長結(jié)合地勘資料初步取5.5 m,；樁距不應(yīng)大于4倍樁徑，間距較大的話加固效果不明顯，暫取1.2 m,按照等邊三角形布置,則置換率,處理范圍約20 660.3 m2，通過計算在滿足路基穩(wěn)定性及沉降要求前提下，需要粉噴樁16 529根，費用約364萬。

如果將②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層挖除，換填素土，依據(jù)地勘資料知處理深度為1.8～3.3 m,則挖除及換填土總量約41 321 m3,費用約124萬元，且經(jīng)計算路基穩(wěn)定性滿足要求，沉降也大大小于規(guī)范規(guī)定的一般路段最大工后沉降30 cm。

可見初步估算，采用粉噴樁處理該軟路基是極其不經(jīng)濟(jì)的，換填法處理此軟土路基是合理的選擇。

3.2 換填法軟路基處理設(shè)計

本次素土換填軟路基處理設(shè)計見圖2。

圖2 換填法處理淺層軟土地基橫斷面（單位：m）

本次換填材料采用素土，主要是因為素土具有一定的承載力，壓縮模量在14.0～30.5 MPa之間，施工簡便，能降低工程造價，加快建設(shè)速度，它比較適用于本次淺層軟路基換填加固。由于是采用素土換填，故墊層應(yīng)力擴(kuò)散角為6°[9]，如果是其它回填材料應(yīng)力擴(kuò)散角可參照表1選取。

表1 墊層應(yīng)力擴(kuò)散角θ

換填法處理軟路基墊層寬度B應(yīng)滿足式（1）要求:

式中：B為墊層底面寬度，kPa；bz為左側(cè)路基底面寬度，kPa；by為右側(cè)路基底面寬度，kPa；H為換填厚度，m；θ為應(yīng)力擴(kuò)散角，（°），按表1取值，當(dāng)z/b＜0.25時，按表1中z/b=0.25取值。

理論換填最小厚度一般根據(jù)墊層底面處土的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力之和不大于同一標(biāo)高處軟弱土層的容許承載力才確定[10]，其表達(dá)式見式（2）、式（3）：

式中：Pz為墊層底面處土的附加應(yīng)力，kPa；Pcz為墊層底面處土的自重應(yīng)力，kPa；fak為墊層底面處經(jīng)深度和寬度修正后的地基承載力特征值，kPa；Pk為路基底面處土的平均應(yīng)力，kPa；Pc為路基底面處土的自重應(yīng)力，kPa；b為路基底面寬度，m;z為路基底面墊層厚度，m；θ為應(yīng)力擴(kuò)散角，（°），宜通過試驗確定，無試驗資料時，可按表1采用。

淺層換填一般結(jié)合地勘初步確定需要換填的軟土層厚度，前文已提到此次軟路基換填是將設(shè)計路段范圍內(nèi)第一層軟土層即②淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層（厚度0.60～2.60 m）全部挖除換填，換填處理深度1.8～3.3 m，相關(guān)地勘數(shù)據(jù)代入理正巖土軟件計算，路基沉降及穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求，故換填厚度是滿足式（2）的要求，說明理論換填處理度度1.8～3.3 m是合理的。

本次軟路基處理里程范圍及深度均依據(jù)地勘資料而來，然設(shè)計中應(yīng)強調(diào)，實際處理的范圍以及深度應(yīng)該以施工實際揭露的地質(zhì)情況為準(zhǔn)。需注意的是換填素土施工時，應(yīng)將需要處理的軟土層徹底挖除，將地表碾壓密實，壓實路不小于85%；之后換填材料應(yīng)分層壓實且每一層壓實度應(yīng)滿足墊層壓實度（重型標(biāo)準(zhǔn)）的規(guī)范要求。除此，在地形起伏之處及換填素土與天然土交接處，應(yīng)修筑1∶2臺階形邊坡，每級臺階高0.5 m,寬1 m。

換填墊層法處理軟路基施工完畢后，需要檢測路基頂面彎沉值，因為它能反應(yīng)路基頂部的整體強度，其值應(yīng)不大于設(shè)計路基頂面允許彎沉值[11,12]。

前文已經(jīng)分析④淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土?xí)翰惶幚恚瑢嶋H施工過程中若路基土出現(xiàn)“橡皮土”或壓實達(dá)不到設(shè)計要求等情況，再根據(jù)施工現(xiàn)場情況進(jìn)行處理。

4 結(jié)論

（1）道路設(shè)計過程中，軟土路基處理方案有多種，對于淺層軟土路基來說，宜優(yōu)先考慮換填法。

（2）地勘資料給軟土路基處理設(shè)計提供了寶貴的參考意見，然實際處理設(shè)計方案應(yīng)從技術(shù)及經(jīng)濟(jì)角度綜合比對，最終合理選取軟路基處理設(shè)計方案。

（3）軟土路基處理設(shè)計過程中，遇多層軟土層時，不是每層軟土層都必須處理，尤其是軟土層間夾有硬層，且底下軟土層埋深較深的情況下，若是穩(wěn)定性滿足要求，但沉降偏大卻仍在規(guī)范允許的范圍內(nèi)，可以只需要先處理表層軟土層，底下軟土層暫不處理，后期施工過程中若是若發(fā)生“橡皮土”或壓實達(dá)不到設(shè)計要求等情況，再根據(jù)現(xiàn)場情況進(jìn)行處理。

（4）換填墊層法施工時，應(yīng)注意換填填料的分層施工質(zhì)量檢查以及路基頂面彎沉值驗收。

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U416.1

B

1009-7716（2017）04-0043-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.012

2017-02-1

畢小勇（1987-），男，湖北黃岡人，助理工程師，從事道路設(shè)計工作。