優化承載力換填深度的設計與應用

陽祝

[摘要]從計算分層地基承載力來分析極限換填深度，從而達到優化換填深度的目的。此設計適用于優化大方量基礎及軟基砂墊層等需計算承載力方案的換填深度，從而達到加快施工進度控制施工成本的最終目的。

[關鍵詞]優化深度承載力施工進度成本控制

1工程概況

成都至上海高速公路武漢至荊門六標段，原設計有一公里路基處于軟基路段。軟基段地基條件較差，為達到承載力要求，處于軟基段的小型結構物地基設計為濕噴樁處理。后來，由于當地地方政府要求，設計部門變更了原設計，在此地段又新增多處小型結構物，但此時我部已經完成濕噴樁施工，且施工隊伍已經退場。新增結構物地基如果還要按原計劃通過實驗實測，結論必然需進行濕噴樁處理，如果要進行濕噴樁施工的話，要求在施工后保留2個月觀察期才能進行結構物施工。由此，如不進行基礎變更設計，將延誤此地段路基施工3個月，嚴重影響我部整體路基的施工進度。

我部從多方面考慮，開始進行優化承載力換填深度的設計，以加快施工進度并節約開支。

2設計構思

（1） 所有結構物地基基礎都需要達到承載力設計要求。如果基礎的承載力不夠，那么就需要設計方案對結構物基礎進行處理，常用的設計方案大致有：各類樁處理、強夯實、預壓、換填等等。

（2） 在以上的處理方案中，基礎換填適用性材料在現場施工過程中最為普遍。換填方案有著處理時間短，施工便利等優點。但一般施工單位的承載力實驗只能做出符合承載力要求的換填土層，簡單的講就是只能做出承載力完全由土層單獨提供的換填深度。這樣的結論完全未考慮應力的發散問題及換填尺寸對承載力的影響，得出的結論往往大于實際要求。

（3） 優化承載力換填深度的設計，一方面可以大大的優化換填深度，加快施工進度，節約施工材料，另一方面可以控制換填深度，規避大于規范要求所帶來的延長工期等麻煩。

（4） 主要設計參數

砂礫墊層底面處軟土地基的容許承載力 >150KP(設計)

砂礫墊層底面的計算壓應力

應力擴散角 取35~45

3 計算設計過程

3.1、換填墊層的計算

為方便計算，結構物基礎可全設置為矩形基礎，通過公式計算換填層的厚度。換填層材料可設置為碎石或沙礫。計算過程如下：

砂礫墊層的厚度 可由下式所示條件決定。(1)

式中 ： 為砂礫墊層底面處軟土地基的容許承載力（kPa）；

為砂礫墊層底面的計算壓應力（kPa）。

矩形基礎：可按下式計算：

（2）

擴散角 可假定為 ～ 。 為由荷載引起的基礎底面的平均壓應力（kPa）； 為砂礫墊層的厚度，一般為1～3 m。 、 為基礎的長邊和寬度（m）； 為基礎底面的埋置深度（m）；其中系數完全參照<<公路橋涵地基與基礎設計規范>> JTJ 024?-85

3.2、承載力的計算

武荊高速公路K36+400暗涵的設計基底承載力為σ設計>150 kPa。基礎尺寸 =30m， =2.0 m。基礎底面的埋深 =2.904取3米 m。砂礫容重結果取平均值為 =2.3 kN/m3。臺背回填灰土，要求達到96%的壓實度 ，取 。原設計給出砂礫墊層厚30cm。實驗部打地基承載力每30cm深度的實測承載力值見（表1-1）。

基礎底部土層承載力實測值（kPa）表1-1

測點 0-30cm 30-60cm 60-90cm 90-120cm 120-150cm

1 52 36 68 76 92

2 108 76 100 84 76

3 60 28 76 92 100

4 92 60 84 92 92

5 68 44 76 84 108

6 84 68 76 100 76

測點 150-180 180-210 210-240 240-270 270-300

1 108 84 116 124 196

2 100 116 108 124 204

3 108 100 132 140 204

4 108 92 116 132 196

5 116 108 108 116 188

6 100 100 124 140 204

因為地基承載力是在設計標高1.8M下打的，由此可知在270cm深處有：=80(kPa)(3)

假定砂礫墊層厚度2.7m, 取Ф=45°, 設計給出σ=150 kPa

=70.7579（kPa）.

比較：考慮到2.7cm深處 =80kPa。有。

對照式（1）知，換填2.7m厚的砂礫墊層滿足地基承載力的設計要求。

矩形基礎的砂礫墊層底面尺寸：

A=30+2*2.7*tan45=35(m)

B=2+2*2.7*tan45=5(m)

即：砂礫墊層取長35m， 寬5m。

4 結語

4.1從上面的計算過程中，我們不僅可以明確得出最優化的承載力換填深度，并且還可以計算出應該開挖的基礎尺寸。我們規避了大于3米換填深度需要進行樁基處理的不利因素，大大節約施工周期。此方案還可以使用在軟基換填，計算優化沙礫層厚度，從而達到節約施工成本的目的。

4.2 原設計的地基承載力為由荷載引起的基礎底面的平均壓應力。設計給出0.3m厚的砂礫墊層兼有找平層與加固地基的作用。實際增加的2.5m厚的砂石墊層為變更工程量。

4.3 實際施工中，往往是直接將基坑開挖至設計砂礫墊層底面，將實測的地基承載力按設計值要求，增大了軟土地基的容許承載力儲備值。同時增加了砂礫墊層的厚度，雖然有利于提高基礎的工程質量。但是費用有所增加。如果按計算的砂礫墊層厚度施工，則既能保證橋涵、擋土墻基礎的工程質量又能節省費用。

參考文獻：

[1] JTJ 024-85，公路橋涵地基與基礎設計規范［Ｓ］

[2] 《路基路面工程》 人民交通出版社

[3] 《地基處理》同濟大學出版社

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。