优化承载力换填深度的设计与应用

阳祝

[摘要]從计算分层地基承载力来分析极限换填深度，从而达到优化换填深度的目的。此设计适用于优化大方量基础及软基砂垫层等需计算承载力方案的换填深度，从而达到加快施工进度控制施工成本的最终目的。

[关键词]优化深度承载力施工进度成本控制

1工程概况

成都至上海高速公路武汉至荆门六标段，原设计有一公里路基处于软基路段。软基段地基条件较差，为达到承载力要求，处于软基段的小型结构物地基设计为湿喷桩处理。后来，由于当地地方政府要求，设计部门变更了原设计，在此地段又新增多处小型结构物，但此时我部已经完成湿喷桩施工，且施工队伍已经退场。新增结构物地基如果还要按原计划通过实验实测，结论必然需进行湿喷桩处理，如果要进行湿喷桩施工的话，要求在施工后保留2个月观察期才能进行结构物施工。由此，如不进行基础变更设计，将延误此地段路基施工3个月，严重影响我部整体路基的施工进度。

我部从多方面考虑，开始进行优化承载力换填深度的设计，以加快施工进度并节约开支。

2设计构思

（1） 所有结构物地基基础都需要达到承载力设计要求。如果基础的承载力不够，那么就需要设计方案对结构物基础进行处理，常用的设计方案大致有：各类桩处理、强夯实、预压、换填等等。

（2） 在以上的处理方案中，基础换填适用性材料在现场施工过程中最为普遍。换填方案有着处理时间短，施工便利等优点。但一般施工单位的承载力实验只能做出符合承载力要求的换填土层，简单的讲就是只能做出承载力完全由土层单独提供的换填深度。这样的结论完全未考虑应力的发散问题及换填尺寸对承载力的影响，得出的结论往往大于实际要求。

（3） 优化承载力换填深度的设计，一方面可以大大的优化换填深度，加快施工进度，节约施工材料，另一方面可以控制换填深度，规避大于规范要求所带来的延长工期等麻烦。

（4） 主要设计参数

砂砾垫层底面处软土地基的容许承载力 >150KP(设计)

砂砾垫层底面的计算压应力

应力扩散角 取35~45

3 计算设计过程

3.1、换填垫层的计算

为方便计算，结构物基础可全设置为矩形基础，通过公式计算换填层的厚度。换填层材料可设置为碎石或沙砾。计算过程如下：

砂砾垫层的厚度 可由下式所示条件决定。(1)

式中 ： 为砂砾垫层底面处软土地基的容许承载力（kPa）；

为砂砾垫层底面的计算压应力（kPa）。

矩形基础：可按下式计算：

（2）

扩散角 可假定为 ～ 。 为由荷载引起的基础底面的平均压应力（kPa）； 为砂砾垫层的厚度，一般为1～3 m。 、 为基础的长边和宽度（m）； 为基础底面的埋置深度（m）；其中系数完全参照<<公路桥涵地基与基础设计规范>> JTJ 024¬-85

3.2、承载力的计算

武荆高速公路K36+400暗涵的设计基底承载力为σ设计>150 kPa。基础尺寸 =30m， =2.0 m。基础底面的埋深 =2.904取3米 m。砂砾容重结果取平均值为 =2.3 kN/m3。台背回填灰土，要求达到96%的压实度 ，取 。原设计给出砂砾垫层厚30cm。实验部打地基承载力每30cm深度的实测承载力值见（表1-1）。

基础底部土层承载力实测值（kPa）表1-1

测点 0-30cm 30-60cm 60-90cm 90-120cm 120-150cm

1 52 36 68 76 92

2 108 76 100 84 76

3 60 28 76 92 100

4 92 60 84 92 92

5 68 44 76 84 108

6 84 68 76 100 76

测点 150-180 180-210 210-240 240-270 270-300

1 108 84 116 124 196

2 100 116 108 124 204

3 108 100 132 140 204

4 108 92 116 132 196

5 116 108 108 116 188

6 100 100 124 140 204

因为地基承载力是在设计标高1.8M下打的，由此可知在270cm深处有：=80(kPa)(3)

假定砂砾垫层厚度2.7m, 取Ф=45°, 设计给出σ=150 kPa

=70.7579（kPa）.

比较：考虑到2.7cm深处 =80kPa。有。

对照式（1）知，换填2.7m厚的砂砾垫层满足地基承载力的设计要求。

矩形基础的砂砾垫层底面尺寸：

A=30+2*2.7*tan45=35(m)

B=2+2*2.7*tan45=5(m)

即：砂砾垫层取长35m， 宽5m。

4 结语

4.1从上面的计算过程中，我们不仅可以明确得出最优化的承载力换填深度，并且还可以计算出应该开挖的基础尺寸。我们规避了大于3米换填深度需要进行桩基处理的不利因素，大大节约施工周期。此方案还可以使用在软基换填，计算优化沙砾层厚度，从而达到节约施工成本的目的。

4.2 原设计的地基承载力为由荷载引起的基础底面的平均压应力。设计给出0.3m厚的砂砾垫层兼有找平层与加固地基的作用。实际增加的2.5m厚的砂石垫层为变更工程量。

4.3 实际施工中，往往是直接将基坑开挖至设计砂砾垫层底面，将实测的地基承载力按设计值要求，增大了软土地基的容许承载力储备值。同时增加了砂砾垫层的厚度，虽然有利于提高基础的工程质量。但是费用有所增加。如果按计算的砂砾垫层厚度施工，则既能保证桥涵、挡土墙基础的工程质量又能节省费用。

参考文献：

[1] JTJ 024-85，公路桥涵地基与基础设计规范［Ｓ］

[2] 《路基路面工程》 人民交通出版社

[3] 《地基处理》同济大学出版社

注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。