換填法在軟土路基處理設計中的應用與研究

畢小勇，高 玲，陳 波

（荊州市城市規劃設計研究院，湖北 荊州 434000）

換填法在軟土路基處理設計中的應用與研究

畢小勇，高 玲，陳 波

（荊州市城市規劃設計研究院，湖北 荊州 434000）

道路設計過程中，將軟路基土全部挖除換填或者加固設計路段范圍內所涉及到的所有軟土層無疑是避免軟土路基失穩和沉降過大最為理想狀態下的處理設計方案，然實際應結合工程特性及地質條件綜合比對分析，合理選取處理設計方案。通過某城市次干路軟路基處理設計實例，不僅較為詳細介紹了換填法處理軟路基的設計過程，同時顯示了在淺層軟路基處理過程中，換填法相對復合地基法來說更為經濟，并且也指出了換填路基分層施工質量控制及路基整體強度驗收標準，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；設計

0 引言

道路設計過程中，經常會碰到各種不良地質條件的路基需要進行處理設計，尤以軟土路基最為常見。軟土路基是指天然狀態下路基所處土層為淤泥、淤泥質土以及天然強度低、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a1-2在0.5～1.5 MPa-1之間，部分高達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性質不佳且不穩定，易導致路堤失穩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以及發生過大沉降，對軟土路基進行科學合理的處理設計是很有必要的。

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,且采用此法時應與其它處理方法進行經濟比較擇優選用[5,6]。

2 工程概況

某城市道路屬于城市路網骨架中東西向次干路，全長753.2 m,結構層厚81 cm,為瀝青混凝土土路面，道路全段無橋涵構筑物。道路規劃斷面見圖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。道路設計高程28.12～28.95 m,所在地區現狀地面自然高27.42～28.89 m。

圖1 道路規劃橫斷面（單位：m）

巖土工程地質條件如下：

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，結構松散，力學性質變異大；

②淤泥質粉質黏土，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淤泥質粉質黏土，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 軟土路基處理設計

3.1 技術方案比選

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，從設計經驗角度認為該軟路基處理建議偏保守。

軟土路基處理設計原則應該是：不處理情況下，計算分析路基的沉降與穩定性→淺層處理后，計算分析路基的沉降與穩定性→深層處理后，計算分析路基的沉降與穩定性[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,小于規范規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。筆者認為，本道路軟路基已滿足沉降要求，只需要進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

道路紅線范圍內雖有兩層淤泥質粉質黏土層，然厚度均不厚，并且第二層淤泥質粉質黏土層頂板埋深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，應考慮到該層土對上部應力有擴散作用，它能使下部軟土層受到的附加應力降低，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，再加上該道路普遍范圍內為填方，填方在1.64～1.72 m，填方不大，故上部應力傳遞下來已經很小了，其應力由換填強度較高的土質和中間硬殼層承受，工后沉降會更小。

3.1.2 經濟比對

如果采用粉噴樁復合地基處理方案，粉噴樁樁徑一般不小于0.5 m，取0.5 m；樁長結合地勘資料初步取5.5 m,；樁距不應大于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淤泥質粉質黏土層挖除，換填素土，依據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，且經計算路基穩定性滿足要求，沉降也大大小于規范規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濟的，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計

本次素土換填軟路基處理設計見圖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，故墊層應力擴散角為6°[9]，如果是其它回填材料應力擴散角可參照表1選取。

表1 墊層應力擴散角θ

換填法處理軟路基墊層寬度B應滿足式（1）要求:

式中：B為墊層底面寬度，kPa；bz為左側路基底面寬度，kPa；by為右側路基底面寬度，kPa；H為換填厚度，m；θ為應力擴散角，（°），按表1取值，當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墊層底面處土的自重應力和附加應力之和不大于同一標高處軟弱土層的容許承載力才確定[10]，其表達式見式（2）、式（3）：

式中：Pz為墊層底面處土的附加應力，kPa；Pcz為墊層底面處土的自重應力，kPa；fak為墊層底面處經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力，kPa；Pc為路基底面處土的自重應力，kPa；b為路基底面寬度，m;z為路基底面墊層厚度，m；θ為應力擴散角，（°），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計路段范圍內第一層軟土層即②淤泥質粉質黏土層（厚度0.60～2.60 m）全部挖除換填，換填處理深度1.8～3.3 m，相關地勘數據代入理正巖土軟件計算，路基沉降及穩定性滿足規范要求，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地勘資料而來，然設計中應強調，實際處理的范圍以及深度應該以施工實際揭露的地質情況為準。需注意的是換填素土施工時，應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%；之后換填材料應分層壓實且每一層壓實度應滿足墊層壓實度（重型標準）的規范要求。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，因為它能反應路基頂部的整體強度，其值應不大于設計路基頂面允許彎沉值[11,12]。

前文已經分析④淤泥質粉質黏土暫不處理，實際施工過程中若路基土出現“橡皮土”或壓實達不到設計要求等情況，再根據施工現場情況進行處理。

4 結論

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

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

（3）軟土路基處理設計過程中，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，若是穩定性滿足要求，但沉降偏大卻仍在規范允許的范圍內，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生“橡皮土”或壓實達不到設計要求等情況，再根據現場情況進行處理。

（4）換填墊層法施工時，應注意換填填料的分層施工質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，從事道路設計工作。