软基砂石垫层换填法在公路施工中的应用研究

刘立宁

摘要：软基砂石垫层换填法具有提高地基承载力、减少不均匀沉降等优点，适用于处理大面积的软土地基。然而实际应用中仍存在施工质量控制、材料选择、垫层结构设计等方面问题。基于此，对软基砂石垫层换填法的应用现状进行分析，包括施工工艺、技术参数、应用范围等方面。在此基础上，针对存在的问题和挑战，提出相应的解决方案和研究建议。实验结果表明：砂石垫层换填法在此次施工中，其沉降结果均小于施工允许最大沉降量，表明该方法可以增加地基的承载能力，减少地基沉降，提高公路的稳定性和安全性。

关键词：施工技术；公路；砂石垫层；换填法

0   引言

软基砂石垫层换填法作为一种有效的软土地基处理方法，具有提高地基承载力、减少不均匀沉降等优点，适用于处理大面积的软土地基。但其仍存在一些问题，亟待研究和解决。然而实际应用中，仍存在施工质量控制、材料选择、垫层结构设计等方面的问题。对于不同的地质条件和工程要求，如何合理选择和应用软基砂石垫层换填法也是一项重要的研究课题。本文对软基砂石垫层换填法的应用现状进行分析，包括施工工艺、技术参数、应用范围等方面。在此基础上，针对存在的问题和挑战，提出相应的解决方案和研究建议。同时，本文将通过理论分析、数值模拟和实验研究等方法，对软基砂石垫层换填法的施工工艺和质量控制措施进行深入探讨[1]。

1   垫层换填法特点及优势分析

垫层换填法主要是先去除路面地基软弱层，再回填粘土，以提高路面地基的承载能力。作为软弱地基处理的一个重要环节，垫层材料的质量对地基回填效果有很大的影响。建设单位一定要把好垫层材料的质量，保证其使用质量[2]。

公路路基在上覆填土的压力下，沉降变形的过程较为复杂，其总变形的表达公式如下：

S=Sd+Sa+Sn              （1）

式中：Sd表示地基的排水固结沉降，Sa代表地基的瞬時沉降，Sn表示地基的次固结沉降。

瞬时沉降是指在荷载作用下瞬间产生的路基沉降，非因水分、气体的排出而导致的沉降。在土壤达到饱和状态时，由于土壤水分和土颗粒自身的变形可以忽略，所以其瞬时沉降几乎为零。采用换填法加固公路的软弱地基，其原因在于换填可大幅提升路面承载力，显著降低路基沉降。

公路路面受力越大，路基的剪切破坏越深，如果采用高强度的砂土等填料替代软弱层，可以有效地提高路面的承载力，防止路基失稳。此外，软土地基浅层的应力很高，如果用致密的垫层取代浅层软土，可以大幅度降低路基的沉降。同时垫层对路基应力具有扩散效应，减小了对下层土体的压力，降低了下层土体的沉降[3]。

2   垫层换填法施工要点

首先，使用挖掘机在施工公路路面的换填区域开挖一个倒梯形区域，换填区域长度为20m，下部宽度为5.5m，上部宽度为15.0m，挖到强风化岩深度一般为3m左右。然后将配好的风化砂石和石渣填到区域内，再用铲斗机械分层夯实。第二天，重新开挖已被换填的其中一段区域，并按照1：0.8的要求进行放坡，挖出后检查基坑的边坡是否质量良好，是否达到预先设定的要求。

换填的垫层材料可选用中砂、圆砂、粗砂、卵石、砂砾等。材料的颗粒要求均匀良好，不能含有垃圾和植物残体等杂物，污泥含量不得大于3%。如果用于排水固结的垫层中，则其含泥量不得大于2%。若用粉砂作换填材料，既不易压实，又不能达到较高的强度。

为保证填料在填料中的分散均匀，宜采用20%～25%左右的碎石或卵石，最大粒径不宜超过6cm。辗压或锤振作用太大的情况下，最大颗粒直径不得超过10cm[4]。

3   砂石垫层换填路基支护与加固要点

3.1   砂石垫层换填路基的支护

3.1.1   确定锚杆支护设计参数

挖除公路路基上层的软弱土层后，需要对其进行支护与加固。表1为锚杆支护的设计参数。

3.1.2   注浆锚杆支护的施工要点

按图纸放孔，孔位偏差不得超过10cm，使用履带式钻机钻孔。手工插杆，确保杆身下入角与钻孔倾斜方向一致。灌浆材料使用纯水泥浆，水灰比为0.5，单次灌浆压力为2MPa，二次灌浆压力为3MPa。当泥浆强度达65%以上时，进入张拉闭锁阶段[5]。

3.2   砂石垫层换填路基的加固

3.2.1   路基有效加固深度计算

以公路路基土为低液限粘土为例，该路基天然含水量为30.0%，呈软塑性。使用砂石垫层换填法进行加固，设置该路基的承载力不得小于150kPa。在加固过程中，使用Menard经验公式，其路基有效加固的深度的计算公式如下：

（2）

式中：y表示有效加固的深度，h代表夯实的落距，m代表夯锤的质量，ε代表有效加固深度的折减系数。

3.2.2   加固机理分析

夯实后，土体的密实度提高，土体具有一定的防、隔水性，提高了路基的稳定性与强度，有效改善了公路路基的不均匀性。土颗粒在加固过程中发生相对位移，破坏了土壤原有的微结构，阻碍了土壤中盐分的向上迁移，上部非盐渍材料的荷载作用，消除了盐胀的危害[6]。在超过1m的加固后的路基上（主要受力范围）形成碎石垂直增强与加固土体的超密路基，起到换填挤密的作用，在1m以内（压缩范围）形成密实均匀的人工路基。

3.2.3   加固施工要点

根据预先拟定的施工方案，采用两套机具，分别从路基东侧中间相对后方向左右分开进行换填，直至西侧汇合，每个区段的换填量不大于10m，最后采用分层式回填进行压实，换填后的砂石垫层顶面的压实度需要达到95%。图1为换填后的路基横断面示意图。

4   施工效果分析

4.1   确定监测对象

此次监测以国道314中的一处公路施工工程为研究对象，对其进行了深入研究。该公路起点为新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市，终点为新疆维吾尔自治区喀什地区红其拉甫口岸。314国道的和硕-库尔勒段是新疆天山以南的巴音郭楞蒙古自治州，穿过库鲁克塔格山脉，最后到达库尔勒，全长92km。

4.2   确定监测方法

为检验软基砂石垫层换填法加固路面后公路的沉降变形、稳定性是否满足施工工程的要求，需进行填筑期的原位观测。该工程使用软基砂石垫层换填法进行施工。本次测试在4个项目中选择一个较为准确的监测项目，以证明砂石垫层换填法的有效性。具体包括深层土体侧向变形监测、地表沉降监测、孔隙水压力监测和土压力监测。监测常用仪器与实验目的如表2所示。

4.3   施工结果与讨论

根据上述实验准备以及工程概况，进行地表沉降的测试。首先，在试验段的左右两侧分别埋设沉降板。沉降板由钢底板，测杆，护套三部分构成。随着填土的升高，持续接高测管、套管。套管上部应该用盖子密封，以防止填充物掉入管中，从而影响测量的准确性。表3为此次测试的实验结果。根据上述测试结果可以清晰的看出，砂石垫层换填法在此次施工中，其沉降结果均小于施工允许最大沉降量，表明该方法可以增加地基的承载（转下页）（接上页）能力，减少地基沉降，提高公路的稳定性和安全性。砂石垫层换填法的应用效果受到多种因素的影响，如砂石垫层的材料、级配、厚度、压实度，以及软土地基的土质、含水量、压缩性等。因此，在公路施工过程中，需要根据具体情况选择合适的砂石垫层材料和施工工艺，以确保软基砂石垫层换填法的应用效果。

5   结束语

在公路施工中，軟基砂石垫层换填法是一种重要的处理方法，可以有效解决软土地基的沉降和稳定性问题。通过本次研究，深入了解了软基砂石垫层换填法的施工技术、施工流程和质量控制等方面的内容，同时也发现了存在的一些问题和不足。这种方法具有操作易于掌握、工期短、成本低等优点，特别适合于处理大面积的软土地基。为了确保垫层的施工质量，施工中需要严格控制砂石垫层的材料质量、级配、厚度和压实度等指标量。此外，对于不同的地质条件和工程要求，需要根据实际情况进行合理的设计和施工，确保施工效果达到最佳。未来的公路施工中，应进一步研究和推广软基砂石垫层换填法在公路施工中的应用，不断完善其施工工艺和质量控制措施。

参考文献

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[2] 陈伟.水泥土换填法在提高张家湖泵站地基渗透性能中的

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[3] 欧广州，谢培娟，欧露威.公路桥梁高墩柱的施工难点和控

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[4] 李祥，陈明玉.现代工业化背景下钻孔灌注桩施工技术在公

路桥梁建设中的应用研究[J].建设机械技术与管理，2023，

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[5] 张静.橡胶沥青同步碎石封层技术在公路养护施工中的实

践研究[J].建材发展导向，2023，21（20）：105-107.

[6] 吴振华.改性沥青SMA-13沥青混合料在改扩建公路施工

中的应用[J].交通建设与管理，2023（5）：159-161.