濱海新區(qū)低填土路基工作區(qū)深度確定及處理方法研究

王新岐

（天津市市政工程設(shè)計(jì)研究院，天津市 300051）

0 前言

濱海新區(qū)瀕臨渤海，地下水位高、含水量大，地下有著深厚的軟弱土層，這些土質(zhì)含水量大、塑性指數(shù)高（26以上）、強(qiáng)度低、對(duì)水敏感，往往很難滿足工程需要，特別對(duì)于填土高度較低路基（0.5～4.5 m），雖然路基工后沉降滿足工程需要（一般路段工后沉降要求小于0.3 m），但由于地基沉載力低，路床或路基工作區(qū)范圍內(nèi)路基不經(jīng)處理，強(qiáng)度及壓實(shí)度很難滿足工程的需求。因此，需要研究低填土路基淺層換填方式及換填厚度，以便選取適合濱海新區(qū)軟土、重載要求的淺層處理方案。

本文針對(duì)濱海新區(qū)軟土特點(diǎn)，根據(jù)道路路床強(qiáng)度要求將濱海新區(qū)道路路基分為高填土路基和低填土路基，并對(duì)不同交通荷載下的低填土路基工作區(qū)深度進(jìn)行分析，對(duì)濱海新區(qū)道路淺層處理厚度及處理形式進(jìn)行研究，提出相應(yīng)的處理措施，并在濱海新區(qū)天津大道等工程中推廣使用。

1 不同填土高度下淺層處理的區(qū)別

為了確定濱海新區(qū)軟基淺層處理厚度及結(jié)構(gòu)組成，首先應(yīng)從道路所應(yīng)滿足的地基承載力要求入手，結(jié)合濱海新區(qū)的土質(zhì)特點(diǎn)，提出淺層換填的厚度及強(qiáng)度要求，并進(jìn)一步提出濱海新區(qū)各種交通荷載的路基工作區(qū)深度及處理措施。

《公路路基施工技術(shù)規(guī)范》（JTG F10-2006）對(duì)于一般道路要求路床頂以下0.8～1.5 m范圍路基需要加強(qiáng)，壓實(shí)度及填料需要控制，為此，可將填土高度大于2.5 m路基定義為高填土路基，小于2.5 m路基定義為低填和就地開挖路基。該種定義充分考慮了路面結(jié)構(gòu)及路床下壓實(shí)區(qū)域的要求：對(duì)于高填土路基考慮一般路面結(jié)構(gòu)厚度為0.7～0.9 m，路床頂下要求壓實(shí)區(qū)域深度1.5 m，使得要求壓實(shí)區(qū)域一般不進(jìn)入天然地基范圍；而低填土路基和就地開挖路基要求壓實(shí)區(qū)域?qū)⑦M(jìn)入天然地基。這樣根據(jù)填土高度的不同，將淺層處理分為兩種情況：高填土路基下軟弱地基淺層處理、低填土路基下淺層處理（就地開挖路基也劃入該范圍內(nèi)），這兩種淺層處理根據(jù)所處位置距路面結(jié)構(gòu)頂距離的不同而有所不同，本文僅對(duì)低填土和就地開挖路基淺層處理進(jìn)行分析論述。

2 各種交通量等級(jí)下低填土路基工作區(qū)深度的確定

從低填土路基所處的填土高度可看出，路床或下路基均在現(xiàn)狀地面以下，因此，即使從滿足路床范圍內(nèi)壓實(shí)度要求出發(fā)，現(xiàn)狀地基也應(yīng)進(jìn)行淺層換填，因此，該種填土路基淺層處理必須從分析路基工作區(qū)深度入手。

2.1 濱海新區(qū)不同車輛荷載作用下路基工作區(qū)深度確定

假定路基荷載為條形荷載，路基土按深度的應(yīng)力分布見圖1。

圖1 路基下應(yīng)力分布

在條形荷載作用下地基中任意點(diǎn)的豎向應(yīng)力，是根據(jù)均質(zhì)、各向同性彈性半空間體上點(diǎn)荷載作用下土中應(yīng)力解析解（J.Boussinesq）積分得到的，車輛動(dòng)荷載σ動(dòng)可以用式（1）定義：式中：P——作用在路基上的車輪荷重（kN）；

K——應(yīng)力系數(shù)，可近似取0.5；Z——荷重下的垂直深度（m）。

路基包括路面結(jié)構(gòu)引起的靜載可采用下式計(jì)算：

式中：γ——路基土的單位重力密度（kN/m3）。

這樣當(dāng)Z到達(dá)路基土的某一深度處，其應(yīng)力σ動(dòng)=K·與σ靜=γ·Z的比值很小（=～），在此深度以下的路基土受動(dòng)力荷載的影響很小，可略去不計(jì)。該深度稱為路基工作區(qū)深度Za，其近似計(jì)算式如下：

這樣，可以根據(jù)對(duì)濱海新區(qū)各種車型最大軸重調(diào)查結(jié)果，取路面結(jié)構(gòu)及路床范圍灰土平均單位重力密度 γ=23（kN/m3），應(yīng)力比系數(shù) n取 5，即可利用式（3）計(jì)算各種荷載下路基工作區(qū)深度，見表1及表2。

從表1及表2中可看出不同軸型車輛對(duì)應(yīng)的路基工作區(qū)深度是不同的，各種車輛中雙聯(lián)軸及三聯(lián)軸車輛對(duì)應(yīng)的工作區(qū)深度最大，除少量車輛由于超載而使得路基工作區(qū)深度在3 m以上外，其它車輛所對(duì)應(yīng)的路基工作區(qū)深度一般在1～3 m之間，以此確定濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度是合適的，超過該范圍以上的車輛應(yīng)嚴(yán)令禁止。

我國(guó)交通部2000年2月所頒布的《超限運(yùn)輸車輛行駛公路管理規(guī)定》對(duì)車輛軸載質(zhì)量進(jìn)行了新的規(guī)定:“單軸單輪組軸載質(zhì)量6 t；單軸雙輪組軸載質(zhì)量10 t；雙聯(lián)軸雙輪組軸載質(zhì)量18 t；三聯(lián)軸雙輪組軸載質(zhì)量22 t。”所對(duì)應(yīng)的路基工作區(qū)見表3。

可見滿足規(guī)定軸限范圍內(nèi)車輛對(duì)應(yīng)的路基工作區(qū)深度一般在1.5～2.5 m之間，如考慮部分超載，使軸重增加至30 t，則路基工作區(qū)深度可增加至2.5～3.0 m。

2.2 不同交通量等級(jí)下低填土路基淺層處理厚度確定

由上一節(jié)分析可看出，濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度在1.5～2.5m之間，對(duì)于重載交通濱海新區(qū)路基工作區(qū)深度達(dá)2.5～3.0m，可參照《濱海新區(qū)瀝青路面典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》根據(jù)不同交通等級(jí)提出不同路基工作區(qū)深度要求，表4、表5為濱海新區(qū)道路交通等級(jí)劃分表。

表1 各軸型車輛單軸最大軸重對(duì)應(yīng)路基工作區(qū)

《濱海新區(qū)瀝青路面典型結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)指南》給出不同道路交通等級(jí)路面結(jié)構(gòu)形式和厚度，據(jù)此可推出濱海新區(qū)不同道路交通等級(jí)下路基工作區(qū)深度、對(duì)應(yīng)路面結(jié)構(gòu)厚度及路基需處理厚度，見表6。

表2 各軸型車輛單軸最大軸重對(duì)應(yīng)路基工作區(qū)一覽表

表3 貨車各種軸、輪型的軸限及對(duì)應(yīng)路基工作區(qū)深度

表4 濱海新區(qū)一般道路交通量等級(jí)劃分表

表5 濱海新區(qū)重載道路交通量等級(jí)劃分表

3 軟基淺層處理承載力等級(jí)劃分及處理形式確定

對(duì)于淺層處理，地基的強(qiáng)弱影響其處理的深度（厚度）及處理形式，因此，應(yīng)根據(jù)其承載力的強(qiáng)軟進(jìn)行等級(jí)劃分。

表6 濱海新區(qū)各種交通荷載路基需處理厚度一覽表

可采用如下公式進(jìn)行判定：

式中：Pz——淺層處理頂面處的動(dòng)載壓力(kPa)；

Pcz——淺層處理頂面處土的自重壓力(kPa)；

fz——淺層處理頂面處地基承載力(kPa)。

淺層處理頂面處的動(dòng)載壓力可采用下式計(jì)算：

式中：P——作用在路基上的車輪荷重（kN）；

K——應(yīng)力系數(shù)，可近似取0.5；

Z——路基高度（m）。

淺層處理頂面處的自重壓力包括路面結(jié)構(gòu)及路基引起的靜載可采用下式計(jì)算：

式中：γ——路基土的單位重力密度（kN/m3）。

將式（6）代入式（4），并忽略動(dòng)荷載的影響，可得如下算式：

天然地基承載力f0一般可以根據(jù)地質(zhì)鉆探資料得到，為了計(jì)算淺層處理層頂?shù)鼗休d力，可參照日本淺層處理設(shè)計(jì)方法，采用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

式中：fk——各類淺層處理承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

參照《交通土建軟土地基工程手冊(cè)》提供的各種淺層處理的承載力標(biāo)準(zhǔn)值（見表7）。

利用式（8）可計(jì)算出各種淺層處理在不同處理厚度下對(duì)應(yīng)的處理層承載力fz，見表8。

表8給出軟弱地基（承載力40～110 kPa）通過淺層處理所達(dá)到的承載力數(shù)值，可以看到如天然地基承載力降低10 kPa，如要達(dá)到同樣的地基承載力換填厚度僅增加10 cm，因此將軟弱地基的承載力劃分間隔確定為10 kPa

表7 各種淺層處理的承載力標(biāo)準(zhǔn)值

濱海新區(qū)淺層地基天然承載力一般在20～130 kPa之間，考慮承載力小于40 kPa的地基多需進(jìn)行深層處理，而承載力大于100 kPa的地基也滿足其上填土高度的要求，則濱海新區(qū)地基承載力等級(jí)最低限取40 kPa，最高限取100 kPa,具體劃分等級(jí)見表9。

4 濱海新區(qū)低填土路基淺層處理典型結(jié)構(gòu)確定

通過前幾節(jié)分析了濱海新區(qū)低填土路基工作區(qū)深度及淺層處理厚度，這樣，可結(jié)合濱海新區(qū)淺層處理材料的來源及特性，進(jìn)一步確定濱海新區(qū)道路淺層處理結(jié)構(gòu)形式。

對(duì)比近幾年濱海新區(qū)各種淺層處理材料效果可看出，碎石、混渣、山皮土由于具有很好的隔水及承托功能，一般可放置在地下水位以下或擠淤地段；而石灰土或水泥石灰土由于板體性好，可以提高路基的強(qiáng)度，一般應(yīng)放置在上層或地下水位以上，因此，可確定濱海新區(qū)淺層處理的結(jié)構(gòu)自上而下如表10所示。

這樣根據(jù)低填土路基需要的淺層處理厚度及地質(zhì)承載力情況，并考慮交通等級(jí)影響，對(duì)各種淺層處理結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，推薦出濱海新區(qū)低填土路基淺層處理典型結(jié)構(gòu)，見表11。

5 濱海新區(qū)低填土路基淺層處理典型結(jié)構(gòu)確定

本文在對(duì)濱海新區(qū)低填土路基工作區(qū)深度研究的基礎(chǔ)上，對(duì)低填土路基淺層處理進(jìn)行分析，進(jìn)一步提出濱海新區(qū)在不同交通等級(jí)、地基承載力等級(jí)下的淺層處理典型結(jié)構(gòu)，這些結(jié)構(gòu)已在濱海新區(qū)天津大道、中央大道、西中環(huán)、海濱大道、臨港工業(yè)區(qū)、海洋高新區(qū)等道路工程中采用，取得了良好的效果，實(shí)現(xiàn)了濱海新區(qū)路基淺層處理“所看即所得”的目的。

表8 淺層處理后地基承載力值

表9 淺層處理承載力等級(jí)劃分表

表10 天津市濱海新區(qū)推薦使用淺層處理結(jié)構(gòu)

表11 濱海新區(qū)低填土道路軟基淺層處理典型結(jié)構(gòu)匯總表

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