城市道路非自重濕陷性黃土換填深度計算方法的探討

張 義王 力/ .濟南市政工程設計研究院（集團）有限責任公司新疆分院 .中鐵十四局集團有限公司第四工程有限公司

城市道路非自重濕陷性黃土換填深度計算方法的探討

張 義1王 力2/ 1.濟南市政工程設計研究院（集團）有限責任公司新疆分院 2.中鐵十四局集團有限公司第四工程有限公司

非自重濕陷性黃土由于其固有的特性，對城市道路的危害較大，是道路設計人員不愿意遇見的土質。大部分的設計人員由于各種各樣的原因，多數采用換填的處理方式。然而，對其實際需要換填的深度僅憑經驗確定，不能根據地勘報告進行計算。因此本文以工程實例為基礎，通過對非自重濕陷性黃土換填深度的計算，對其計算方法進行了闡釋，希望能對今后的設計有所幫助。

非自重濕陷性黃土；換填深度；城市道路

非自重濕陷性黃土在我國西北地區大面積存在。在自重壓力與附加壓力共同作用下，受水浸濕后黃土的結構迅速破壞而發生顯著下沉。濕陷性黃土具有濕陷性和易溶蝕、易沖刷、各向異性等工程特點，導致黃土地區的路基易產生多種問題及病害。然而，濕陷性黃土對城市道路的危害并未引起設計人員的足夠重視。若是采用換填的處理方案，設計人員僅僅憑經驗確定換填深度。甚至差異很大的起始壓力，最終的換填深度竟然是一樣的，造成了整個工程造價的大幅提高。本文針對此類現象，對非自重濕陷性黃土換填深度的計算進行了深入地闡釋及說明，并以工程實例求解換填深度。希望此計算方法能被設計人員掌握，對以后的設計工作起到一定的借鑒作用。

1.工程實例

某市政道路工程全長約為2km，道路紅線寬度為56米，等級為主干路。根據其詳細勘察報告顯示，擬建線路在K0+000～K1+700m段分布的粉土，具有濕陷性，屬Ⅰ級非自重濕陷性土，濕陷起始壓力在48～205kPa之間。

2.換填深度的計算及結果分析

2.1計算思路

非自重濕陷性黃土，顧名思義，是指黃土浸水后在飽和自重壓力下不發生濕陷，只有在附加一定壓力后浸水才發生濕陷的濕陷性黃土。而自重濕陷性黃土，是指黃土浸水后在飽和自重壓力下就發生濕陷。根據其定義，可以輕而易舉地知道，它的濕陷性跟本身的自重是沒有關系的，只要保證非自重濕陷性黃土層的附加壓力不大于起始壓力，哪怕受水浸濕后也不會濕陷。若采用換填的處理方式，那我們的任務就是確定換填深度，保證黃土層上的壓力不大于起始壓力即可。

2.2城市道路設計中換填深度計算

通過以上的分析發現，既然非自重濕陷性黃土的濕陷性跟自重沒關系，那就可以只考慮附加壓力。而對于城市道路，附加壓力基本上全部來自于車輛荷載。簡言之，只要保證車輛荷載在黃土層產生的壓力不大于起始壓力即可。那接下來的任務就是計算車輛荷載在黃土層產生的壓力。

車輛荷載在不同深度土層產生的壓力：

根據現行的《城市道路工程設計規范》（CJJ 37-2012），道路設計應以雙輪組單軸載100kN為標準軸載進行設計，單輪重為50kN，此荷載值保持不變。

圖1　車輛荷載產生的土層壓力計算圖式

從公式以及車輛荷載計算圖式可以看出，車輛荷載對土層產生的壓力，隨著土層深度的增加，會越來越小。這是由于擴散角的存在，車輛荷載的擴散面積越來越大。

下文就以塔勒奇路的工程實例，分別根據起始壓力的極限值，計算換填深度。

（1）初始壓力下限值：48 kPa。

根據現行的《城市道路工程設計規范》（CJJ 37-2012），單軸輪跡當量圓半徑r為10.65cm，雙輪中心間距為3r，車輛荷載的擴散角按照30°角進行計算。假設換填深度為h，則R1=0.1065m，R2=0.1065+0.63/=0.47m，R3=（0.1065+(0.63+h)/）m。

代入上述公式；求得h≥0.03m

（2）初始壓力上限值：205 kPa。

根據現行的《城市道路工程設計規范》（CJJ 37-2012），單軸輪跡當量圓半徑r為10.65cm，雙輪中心間距為3r，車輛荷載的擴散角按照30°角進行計算。假設換填深度為h，則R1=0.1065m，R2=0.1065+0.63/3=0.47m，R3=（0.1065+(0.63+h)/）m。

代入上述公式；求得h≥0 m

（3）路面結構層底的車輛荷載壓力

代入公式：P=50.6kPa

2.3計算結果分析

從以上計算結果可以看出，對于本工程的非自重濕陷性黃土，基本上不需要換填！極限情況下（起始壓力48 kPa），換填深度只有0.03m。本文還特意對路面結構層底的車輛荷載壓力進行了計算，達到了50.6 kPa。這就表明，非自重濕陷性黃土的起始壓力大于50.6 kPa的路段，即可不進行處理。然而，設計人員設計時，全線換填深度均按照1.5m來進行設計。同時，計算中選取的一些參數，比如擴散角，本文選取的為30°，可根據換填的實際材料來確定；路面結構層厚度，本工程為主干路，路面結構厚度為0.63m，實際計算時，根據實際選用的路面結構厚度來確定。本文僅起到拋磚引玉的作用，但計算方法是完全一樣的。

3.結語

通過本文論述發現，城市道路中非自重濕陷性黃土換填深度的計算并不復雜，甚至可以說比較簡單。只要按照本文中的計算圖式，然后利用CAD軟件，即可輕松得到換填深度。然而，由于現在設計人員的技術能力參差不齊，以及從業態度等各種各樣的原因，很多設計人員根本就不去計算，只是根據經驗拍腦袋確定換填深度。當然，由于市政工程本身的特點，以及地質鉆探的局限性和土工試驗的差異，對工程預留一定的富余量是必須而且是應該的，但也不能盲目的一味的去追求富余量和安全度。本工程只是該區域眾多道路中的一條，本道路地基處理的造價約為800萬！若經過仔細核實計算，地基處理的造價將大大降低。同時，由于計算是工程設計系統的重要組成部分之一，因此，掌握正確的計算方法是很有必要的。希望本文能對以后的設計工作起到一定的借鑒作用。

[1]林鋼，李永前.濕陷性黃土路基處理淺談〔J〕，科技情報開發及經濟，2006,16(6).

[2]羅宇生. 濕陷性黃土地基評價，巖土工程學報，1998,04.

[3]劉保健，謝定義，郭增玉.黃土地基增濕變形的實用算法，巖土力學，2004,02.

[4]苗天德 ,劉忠玉,任九生.濕陷性黃土的變形機理與本構關系, 巖土工程學報，1999,04.

[5]劉祖典，黨發寧，胡再強.黃土濕陷變形量計算方法的改進,巖土工程技術，2001,03.

張義（1981-），男，碩士研究生，工程師，主要從事橋梁、道路工程的設計研究工作。