换填法在软土路基处理设计中的应用与研究

毕小勇，高 玲，陈 波

（荆州市城市规划设计研究院，湖北 荆州 434000）

换填法在软土路基处理设计中的应用与研究

毕小勇，高 玲，陈 波

（荆州市城市规划设计研究院，湖北 荆州 434000）

道路设计过程中，将软路基土全部挖除换填或者加固设计路段范围内所涉及到的所有软土层无疑是避免软土路基失稳和沉降过大最为理想状态下的处理设计方案，然实际应结合工程特性及地质条件综合比对分析，合理选取处理设计方案。通过某城市次干路软路基处理设计实例，不仅较为详细介绍了换填法处理软路基的设计过程，同时显示了在浅层软路基处理过程中，换填法相对复合地基法来说更为经济，并且也指出了换填路基分层施工质量控制及路基整体强度验收标准，在一定程度上，可以为今后类似工程提供参考。

换填法；软土；路基；处理；设计

0 引言

道路设计过程中，经常会碰到各种不良地质条件的路基需要进行处理设计，尤以软土路基最为常见。软土路基是指天然状态下路基所处土层为淤泥、淤泥质土以及天然强度低、压缩性高、透水性小的一般黏土等软土层。软土的主要特性为天然含水量35%～80%；孔隙比1～2；压缩系数a1-2在0.5～1.5 MPa-1之间，部分高达4.5 Ma-1；压缩模量一般小于4 MPa;抗剪强度很低，天然不排水状态下一般小于20 kPa,其变化范围在5～25 MPa，故软土低强度、高压缩、含水量高的工程特性决定了其岩土力学性质不佳且不稳定，易导致路堤失稳以及路面沉降过大而破坏[1,2]。故为了保证软路基不至于失稳以及发生过大沉降，对软土路基进行科学合理的处理设计是很有必要的。

1 换土垫层法

换土垫层法也称换填法，为处理软土路基常用的一种土的置换方式。其原理主要是将软土层的一部分或者全部挖除，回填强度较高的砂、石、素土、灰土或者其它性能稳定、无侵蚀性等材料，并夯至密实，从而提高路基土的抗剪强度以及承载力，继而确保路基整体稳定性以及减少土路基沉降[3,4]。

换土垫层法是一种浅层软土路基处理方法，其处理深度一般在0.5～3 m,且采用此法时应与其它处理方法进行经济比较择优选用[5,6]。

2 工程概况

某城市道路属于城市路网骨架中东西向次干路，全长753.2 m,结构层厚81 cm,为沥青混凝土土路面，道路全段无桥涵构筑物。道路规划断面见图1，红线宽25 m,其中车行道宽15 m，两边人行道（含2.5 m绿化）5 m。道路设计高程28.12～28.95 m,所在地区现状地面自然高27.42～28.89 m。

图1 道路规划横断面（单位：m）

岩土工程地质条件如下：

①素填土，顶板埋深0.00～0.00 m，厚度0.70～1.80 m，全场分布，重度γ=18.2 kN/m3，结构松散，力学性质变异大；

②淤泥质粉质黏土，顶板埋深0.70～1.40 m，厚度0.60～2.60 m，局部分布，重度γ=16.7 kN/m3，[fao]=40 kPa，Es1-2=2.0 MPa,承载力低,压缩性高;

③粉质黏土，顶板埋深0.90～3.30 m，厚度0.60～1.90，全场分布,重度γ=19.0 kN/m3，[fao]= 100 kPa，Es1-2=5.0 MPa，承载力中等，压缩性中等；

④淤泥质粉质黏土，顶板埋深2.10～3.50 m，厚度0.50～1.50 m；全场分布，重度γ=17.6 kN/m3，[fao]=60 kPa,Es1-2=3.0 MPa，承载力低，压缩性高；

⑤粉砂夹粉土，顶板埋深3.20～4.90 m，厚度1.60～3.40 m，全场分布，重度γ=19.5 kN/m3，[fao]= 100 kPa,Es1-2=8.0 MPa，承载力一般，压缩性中等；

⑥粉砂，顶板埋深5.00～7.60 m，厚度5.00～14.40 m，全场分布，重度γ=19.8 kN/m3，[fao]=170 kPa, Es1-2=15.0 MPa，全场分布，承载力较高，压缩性较低。

3 软土路基处理设计

3.1 技术方案比选

岩土工程勘察报告中给出的路基处理意见是采用粉喷桩复合地基法加固处理，处理深度5.0～6.0 m,以第⑤粉砂夹粉土层作为下卧持力层，从设计经验角度认为该软路基处理建议偏保守。

软土路基处理设计原则应该是：不处理情况下，计算分析路基的沉降与稳定性→浅层处理后，计算分析路基的沉降与稳定性→深层处理后，计算分析路基的沉降与稳定性[7]。本软路基在不处理情况下，计算路段最不利位置工后沉降约23 cm,小于规范规定的一般路段最大工后沉降30 cm，然沉降偏大可能会影响底下管道。笔者认为，本道路软路基已满足沉降要求，只需要进行浅层换填处理即可，而且主要是为了避免过大沉降对路基底下管道造成不利影响。

3.1.1 定性分析

道路红线范围内虽有两层淤泥质粉质黏土层，然厚度均不厚，并且第二层淤泥质粉质黏土层顶板埋深2.10～3.50 m，埋深较深，且它上面还有一层压缩强度相对较高的粉质黏土层，其顶板埋深0.90～3.30 m，普遍分布厚度在1.20～1.90 m之间，应考虑到该层土对上部应力有扩散作用，它能使下部软土层受到的附加应力降低，减小软路基沉降[8]。因此，若是考虑充分利用中间粉质黏土层，而不去扰动和破坏它，只是考虑将第一层软土挖除，换填强度更高的土质，再加上该道路普遍范围内为填方，填方在1.64～1.72 m，填方不大，故上部应力传递下来已经很小了，其应力由换填强度较高的土质和中间硬壳层承受，工后沉降会更小。

3.1.2 经济比对

如果采用粉喷桩复合地基处理方案，粉喷桩桩径一般不小于0.5 m，取0.5 m；桩长结合地勘资料初步取5.5 m,；桩距不应大于4倍桩径，间距较大的话加固效果不明显，暂取1.2 m,按照等边三角形布置,则置换率,处理范围约20 660.3 m2，通过计算在满足路基稳定性及沉降要求前提下，需要粉喷桩16 529根，费用约364万。

如果将②淤泥质粉质黏土层挖除，换填素土，依据地勘资料知处理深度为1.8～3.3 m,则挖除及换填土总量约41 321 m3,费用约124万元，且经计算路基稳定性满足要求，沉降也大大小于规范规定的一般路段最大工后沉降30 cm。

可见初步估算，采用粉喷桩处理该软路基是极其不经济的，换填法处理此软土路基是合理的选择。

3.2 换填法软路基处理设计

本次素土换填软路基处理设计见图2。

图2 换填法处理浅层软土地基横断面（单位：m）

本次换填材料采用素土，主要是因为素土具有一定的承载力，压缩模量在14.0～30.5 MPa之间，施工简便，能降低工程造价，加快建设速度，它比较适用于本次浅层软路基换填加固。由于是采用素土换填，故垫层应力扩散角为6°[9]，如果是其它回填材料应力扩散角可参照表1选取。

表1 垫层应力扩散角θ

换填法处理软路基垫层宽度B应满足式（1）要求:

式中：B为垫层底面宽度，kPa；bz为左侧路基底面宽度，kPa；by为右侧路基底面宽度，kPa；H为换填厚度，m；θ为应力扩散角，（°），按表1取值，当z/b＜0.25时，按表1中z/b=0.25取值。

理论换填最小厚度一般根据垫层底面处土的自重应力和附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力才确定[10]，其表达式见式（2）、式（3）：

式中：Pz为垫层底面处土的附加应力，kPa；Pcz为垫层底面处土的自重应力，kPa；fak为垫层底面处经深度和宽度修正后的地基承载力特征值，kPa；Pk为路基底面处土的平均应力，kPa；Pc为路基底面处土的自重应力，kPa；b为路基底面宽度，m;z为路基底面垫层厚度，m；θ为应力扩散角，（°），宜通过试验确定，无试验资料时，可按表1采用。

浅层换填一般结合地勘初步确定需要换填的软土层厚度，前文已提到此次软路基换填是将设计路段范围内第一层软土层即②淤泥质粉质黏土层（厚度0.60～2.60 m）全部挖除换填，换填处理深度1.8～3.3 m，相关地勘数据代入理正岩土软件计算，路基沉降及稳定性满足规范要求，故换填厚度是满足式（2）的要求，说明理论换填处理度度1.8～3.3 m是合理的。

本次软路基处理里程范围及深度均依据地勘资料而来，然设计中应强调，实际处理的范围以及深度应该以施工实际揭露的地质情况为准。需注意的是换填素土施工时，应将需要处理的软土层彻底挖除，将地表碾压密实，压实路不小于85%；之后换填材料应分层压实且每一层压实度应满足垫层压实度（重型标准）的规范要求。除此，在地形起伏之处及换填素土与天然土交接处，应修筑1∶2台阶形边坡，每级台阶高0.5 m,宽1 m。

换填垫层法处理软路基施工完毕后，需要检测路基顶面弯沉值，因为它能反应路基顶部的整体强度，其值应不大于设计路基顶面允许弯沉值[11,12]。

前文已经分析④淤泥质粉质黏土暂不处理，实际施工过程中若路基土出现“橡皮土”或压实达不到设计要求等情况，再根据施工现场情况进行处理。

4 结论

（1）道路设计过程中，软土路基处理方案有多种，对于浅层软土路基来说，宜优先考虑换填法。

（2）地勘资料给软土路基处理设计提供了宝贵的参考意见，然实际处理设计方案应从技术及经济角度综合比对，最终合理选取软路基处理设计方案。

（3）软土路基处理设计过程中，遇多层软土层时，不是每层软土层都必须处理，尤其是软土层间夹有硬层，且底下软土层埋深较深的情况下，若是稳定性满足要求，但沉降偏大却仍在规范允许的范围内，可以只需要先处理表层软土层，底下软土层暂不处理，后期施工过程中若是若发生“橡皮土”或压实达不到设计要求等情况，再根据现场情况进行处理。

（4）换填垫层法施工时，应注意换填填料的分层施工质量检查以及路基顶面弯沉值验收。

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U416.1

B

1009-7716（2017）04-0043-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.04.012

2017-02-1

毕小勇（1987-），男，湖北黄冈人，助理工程师，从事道路设计工作。