公路软弱地基换填深度的探讨

冯健雪

(贵州交通职业技术学院，贵州贵阳 550008)

在公路的建设中，经常会遇到软土路基，软土具“高液限、低密度、低强度、高压缩性、低透水性和中等灵敏度”等特点［2］，对软基的处理不当就会使规范要求的压实度、路基设计弯沉等达不到要求，软土路基的稳定性和沉降有一定的要求，由于软土路基在路面失稳、不均匀沉降、跳台跳车等病害方面比较突出，影响路面的使用性能和行车的安全性。软土路基处理［9］有换土垫层法、振密、挤密法、排水固结法、置换法、加筋法、胶结法、冷热处理法等，由于换填法有施工方便和造价低廉等优点，在工程实际中以换填法最为常见，其中换填深度直接关系到路面使用质量和工程造价，现行《公路路基设计规范》对换填厚度的规定界限是3 m，在实际施工中比较模糊，以下就以换填深度问题进行探讨。

1 换土垫层法设计的基本原理

1．1 原理及适用范围［9，10］

换填法是对路基的浅层软弱表土清除，换填强度高、压缩性小、价格廉价、料源丰富的碎石、素土、稳定类混合料，按照施工规范分层夯实碾压，加速软土层的排水固结，增强路基承载力，提高路基的稳定性，减小路基沉降量。

1．2 换填深度计算原理

路基换填深度的影响因素复杂，其中受基底地质和水文、路床的临界高度、路面结构、路面荷载、压实度以及填料当量厚度等影响较大，在深度计算方面，现行的《土工材料应用技术手册》是以承载力为指标进行，但受实际工程的复杂性影响，往往根据经验法计算。通过相关文献资料的查阅，计算分析方法有多种。

路基荷载工作区分析法［7］:

1)路基工作区的计算。在路基某一深度Za处，当车轮荷载引起的垂直应力σZ与路基土自重力引起的垂直应力σB相比较所占比例很小，仅为0．1～0．2时，该深度范围内的路基称为路基工作区，路基工作区的计算公式为:

其中，Za为路基工作区的厚度(包含路面厚度)，m;P为车轮荷载，kN;n为系数(二级及二级以下公路取0．2，一级公路、高速公路取 0．1)。

2)路面当量厚度。柔性路面的当量厚度换算公式为:

其中，Ze为路面换算为路基土层的当量厚度;h1为路面厚度;E—1为路面材料的平均回弹模量;E0为路基土的回弹模量。

3)换填厚度。如图1所示，换填深度应为:

其中，hc为换填厚度;h为路基高度。

图1 路基工作区换填示意图

a．地基承载力法——近似按应力扩散角进行计算［9］。垫层厚度的确定以垫层地面处土自重压力与附加应力和不超过该处下卧层顶面地基深度修正后的容许承载力，即:

其中，pcz为垫层底面处土的自重压力值;faz为垫层底面处深度修正后的地基承载力特征值;pz为相应于荷载效应标准组合时，垫层底面处的附加压力值。

道路路基可以近似看成条形基础，即:

其中，pk为相应于荷载效应标准组合时基础底面处的平均压力值;pc为基础底面处土的自重压力值;z为基础底面下垫层的厚度;θ为垫层的压力扩散角。

垫层宽度应满足应力扩散的要求，具体可按下式计算或根据当地经验来确定:

其中，b'为垫层底面宽度，其余同上。

b．HPDS路面计算程序计算法［4］。HPDS2011是根据现行JTG D50-2006公路沥青路面设计规范和JTG D40-2011公路水泥混凝土路面设计规范以及CJJ 37-90城市道路设计规范的有关内容编制的一个路面计算系统，利用HPDS2011计算程序把换填后的土层看作路面结构层的最下层进行计算，通过试算确定满足要求的层厚，即为换填深度。

2 工程实例计算

2．1 工程概况

织金绮陌至茶店洪家渡大道，沿线地形地貌较为复杂，地貌类型属于侵蚀～溶蚀型低中山沟谷地貌，沿线丘陵与冲积盆地相间分布，地形变化较大。地层基岩主要为白云质灰岩夹泥灰岩、粉砂岩、泥质粉砂岩。所经过区域属于亚热带季风气候，年平均气温14．1℃，年降雨量1 436 mm，公路自然区划属V3区。K2+568～K2+632段路床土为粘土，土基干湿类型为中湿，地下水距地表2 m，地基承载力特征值为50 kPa，垫层压力扩散角取27．7°，土的饱和容重取 18．0 kN/m3，容重取 19 kN/m3，路面重度按25 kN/m3计算，回弹模量为30 MPa，道路交通累计当量轴次为3 453 845，路面结构层拟定从下到上依次为:15 cm级配碎石，30 cm水泥稳定碎石基层，5 cm中粒式沥青混凝土，4 cm细粒式沥青混凝土。路面材料基于厚度的加权平均回弹模量为948．15 MPa;作用在基础底面的荷载为车辆荷载及路面自重，荷载取JN-151载重汽车，即P1=100．3 kN/m3。

2．2 利用路基荷载工区法计算

路基工作区厚度:

路面材料平均回弹模量:

路面当量厚度:

换填深度:

2．3 地基承载法计算

取换填厚度1．0 m，垫层顶面处基底压力:

垫层底面的附加应力:

垫层底面处的自重应力:

下卧层验算:

符合设计要求，故垫层厚度取1．0 m。

2．4 利用HPDS程序计算换填深度［4］

1)累计当量轴次。道路交通累计当量轴次为3 453 845。

2)路面结构层。路面结构层拟定从下到上依次为:15 cm级配碎石，30 cm水泥稳定碎石基层，5 cm中粒式沥青混凝土，4 cm细粒式沥青混凝土。

3)计算结果。路面结构设计结果:细粒式沥青混凝土40 mm;中粒式沥青混凝土50 mm;水泥稳定碎石300 mm;级配碎石150 mm;天然碎石960 mm;路基30 MPa。

3 路基换填注意事项

1)加强排水。在设计时对路基地质水文状况充分调查，采取开挖边沟、盲沟等综合排水措施，其中必要时应进行钻探地下水位高度，深度至少应达到路床地面0．5 m左右;2)加强路基压实。对换填路基压实深度的控制，按照路基压实规范进行，碾压厚度不得超过30 cm;3)选择合理的施工季节，尽量在旱季施工;4)选择施工方案前，对换填路基的地质土质、地下水位、地形地貌作详细的了解;5)不良地质地段路基工作区内的路基换填深度取决于路堤高度、冻深及换填土的性质，对于季节性冻土深度较大的地区，应增加换填深度，最好采用抗冻水稳定性好的换填材料。

4 结语

合理的路基的换填深度关系到路面强度与稳定性，通过利用HPDS计算、路基荷载工作区计算和地基承载法计算三种方法分别计算换填深度，比较发现三者之间的差异较小，路基换填深度受基底地质和水文、路床的临界高度、路面结构、路面荷载、压实度以及填料当量厚度等因素影响较大，上述三种方法为换填深度提供了一个参考，在实际工程中很难找到真实的计算模型;因此，在确定换填深度的过程中，应采用理论和实践相结合的方法，当遇到复杂地基时，应对路基稳定性及地基沉降进行观测，根据结果综合分析调整路基换填深度。

［1］ GB 50007-2002，建筑地基基础设计规范［S］．

［2］ 林沙滨．城市复杂路基换填处理法应用分析［J］．福建建筑，2010(1):98-100．

［3］ 彭小东．浅析城市道路软弱地基换填厚度［J］．黑龙江交通科技，2011(6):74．

［4］ 肖化德．HPDS在路基换填深度计算中的应用［J］．道路工程，2011(9):97-99．

［5］ 戴成玉．过湿土路基换填层厚度计算分析［J］．交通标准化，2011(11):168-169．

［6］ 丁进文，薛长武，黄文有．高速公路零填及路基换填深度的探讨［J］．公路与汽车，2004(3):54-56．

［7］ 毛爱民．路基换填深度的计算与探讨［J］．山西建筑，2009，35(7):273-274，294．

［8］ 袁聚云．基础工程设计原理［M］．第2版．上海:同济大学出版社，2007．

［9］ 叶观宝，高彦斌．地基处理［M］．第3版．北京:中国建筑工业出版社，2009．

［10］ 卢延浩．土力学［M］．第2版．南京:河海大学出版社，2005．

［11］ GB 50021-2001，岩土工程勘察规范［S］．

［12］ GB 30007-2002，建筑地基基础设计规范［S］．