關于路基換土墊層法的計算探討

■唐義仁 ■中鐵合肥建筑市政工程設計研究院，安徽 合肥 230041

1 引言

城市道路在設計中不可避免的遇到軟弱地基土，而換土墊層法由于施工方便、造價低廉，常作為軟土地基處理的首選方法。一般來說，對于軟土層厚度較薄(厚度小于3m)的地基，可以采用全部挖除換填的方法處理;而軟土層厚度較大(厚度大于3m)時，采用部分挖除換填的方法處理。

2 計算方法探討

2．1 常用計算方法

目前，工程通常采用的計算方法為《建筑地基處理技術規范》(JGJ79-2012)推薦的應力擴散法。即認為墊層以θ角向下擴散基底附加壓力，到墊層底面(下臥層頂面)處的土中附加壓應力與土中自重應力之和不超過該處下臥層頂面地基深度修正后的容許承載力。即

式中:PCZ為墊層底面處土的自重壓力值，kPa;faz為墊層底面處經深度修正后的地基承載力特征值，kPa;PZ為相應于荷載效應標準組合時，墊層底面處的附加壓力值，kPa。

對于道路路基而言，可近似的將其看成條形基礎，因此

式中:P0為墊層頂面處的附加應力值;b為條形基礎底面的寬度;z為墊層厚度;θ為墊層的壓力擴散角(參考《建筑地基處理技術規范》表4．2．2 取值)

2．2 計算參數的討論

2．2．1 基礎底面寬b值

前文所述方法為參照條形基礎墊層計算方法，而建筑地基基礎寬度一般遠小于道路路基基地寬度，由建筑地上結構產生作用于基底的附加應力近似為均布荷載，因此在墊層計算時，基地寬度可以采用基礎全寬。而由道路路基產生的基底附加應力，在道路基底全寬范圍內并非均布荷載，其為非線性分布，路中最大，而路堤坡腳處最小。

因一般道路路基寬度遠大于建筑地基基礎寬度，則其采用換填墊層法處理結果并不明顯。將公式(2)分子分母均除以b，得到:

從公式(3)看出，當基底寬度b越大，分母數值就會越小并接近于1，換填后的墊層底附加壓力值也接近換填前的地基附加應力值P0。

2．2．2 基底附加應力P0

基底附加應力P0的取值主要取決于路基填土高度及車輛荷載的分布。一般認為，當填土高度小于2．5m時，基底附加應力為填土及車輛荷載產生應力之和;當填土高度大于或等于2．5m時，車輛荷載產生的應力相對于填土產生的應力較小，可以不計，此時基底附加應力為路基填土產生的應力。由此看出，填土高度不同，基底附加應力的計算方法也不相同，明顯區別于建筑地基基底附加應力的計算方法。

2．3 計算參數的修正

2．3．1 基底附加應力P0的取值

(1)當路基填土高度小于2．5m時，基底附加應力要路基填土及車輛荷載的產生的應力之和。路基填土產生的豎向應力為γh，車輛荷載產生的應力，本文推薦采用《日本道路設計指南》中交通當量荷載與路堤高度的換算公式:P=94×exp(-0．67h)，h為路基填土高度。綜上所述，當填土高度小于2．5m時，基底附加應力的計算公式為:

(2)當路基填土高度大于或等于2．5m時，基底附加應力要路基填土產生的應力，即:

2．3．2 路基基底有效寬度b的取值

從本文前部分所述，條形基礎基底寬b的取值，對于道路路基，如果取路基底面寬，采用公式(2)計算的地基換填后的附加應力與計算前相差無幾，顯然不符合處理結果。路基基底寬一般遠大于建筑基礎基底寬，基底應力分布也不同于建筑基礎基底的應力分布，因此路基基底存在一個有效寬度b，使公式(2)的計算結果能滿足路基換填處理要求。

路基填土荷載一般可簡化為三角形疊加荷載。

圖1 線性荷載作用下路基重力分布

設路基半寬b=10m，最大荷載集度P=30kpa，則基底下z=3m、6m處豎向應力分布見下圖2、圖3:

圖2 z=3m處地基豎向應力分布圖

圖3 z=6m處地基豎向應力分布圖

從圖2、圖3可以看出由填土引起的地基豎向應力，在某一深度處，呈先增后減的趨勢;隨著深度的增加，地基應力整體呈現漸少的趨勢。

從應力分布圖來看，地基豎向應力的較大值主要集中在路中兩側各5m處，因此在進行換土墊層法計算時，有效寬度應在路中兩側一定范圍之內，而不是基底全寬。

為了探究路基基底有效寬度，本文通過圖2及圖3對比，做出兩深度范圍的應力衰減率曲線，如圖4。

圖4 不同深度處的應力衰減率曲線

從衰減率曲線可以看出，對于20m寬路基，其不同深度處的應力衰減規律為，靠近路中的地基豎向應力迅速衰減，靠近路邊的較為平緩，因此墊層計算的有效區域應為地基豎向應力作用變化頻繁的區域，也就是應力衰減率較大的區域。從圖中看出，應力衰減率從7m處開始劇變。因此可以認為，對于20m寬路基，路基基底有效寬度為道路路中兩側各3m的范圍，也就是b=6m。

通過對不同寬度路基進行分析，得到換土墊層法路基基底有效寬度選取表。

表1 路基基底有效寬度b值選取表

2．3．3 經深度修正的地基承載力faz

根據《建筑地基基礎設計規范》，經深度修正的地基承載力計算公式為:

其中，fak為地基承載力特征值，ηb、ηd為基礎寬度和埋深的承載力修正系數，按照《建筑地基基礎設計規范》表5．2．4取值，γ為地基土容重，γm為基礎以上地面以下土層加權平均容重，b為基礎寬，d為基礎埋置深度。

關于公式(7)計算參數的選取，本文認為，γm為換土深度H范圍內，厚度為z的墊層容重以及厚度為H-z的回填土容重的加權平均，b為路基基底有效寬度，d換土深度H即路基基底以下超挖深度。

3 需要注意的問題

(1)換土深度(即超挖深度)H不宜超過3m，墊層厚度z不宜小于0．5m且不大于3m，如無法滿足設計要求，應考慮結合其他方案進行處理。

(2)本文所述方法僅為理論參考，地基換填深度受靜載、動載、路面結構、換填料及基底地質和水文等因素的影響較多，很難找到一個萬能的計算公式進行計算。因此，在確定換填深度的過程中，應采用理論和實踐相結合的方法。

(3)采用換土墊層法處理軟弱地基時，可以在墊層頂面及路基底面各設一層土工格柵，能使地基應力擴散更均勻，并起到隔離、加筋、排水等作用。

［1］《建筑地基處理技術規范》(JGJ 79-2012)．

［2］《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)．

［3］毛愛民．路基換填深度的計算與探討［J］．山西建筑，2009．

［4］錢國超，陳功等編著．高速公路海相軟土地基-水泥土攪拌樁加固技術［M］．人民交通出版社，2008．

［5］彭小東．淺析城市道路軟弱地基換填厚度［J］．黑龍江交通科技．2011．

［6］丁進文，薛長武，黃文有．高速公路零填及路塹段路基換填深度的探討［J］．公路與汽運，2004(6)．