关于路基换土垫层法的计算探讨

2015-12-25唐义仁中铁合肥建筑市政工程设计研究院安徽合肥230041

江西建材 2015年3期

■唐义仁 ■中铁合肥建筑市政工程设计研究院，安徽合肥 230041

1 引言

城市道路在设计中不可避免的遇到软弱地基土，而换土垫层法由于施工方便、造价低廉，常作为软土地基处理的首选方法。一般来说，对于软土层厚度较薄(厚度小于3m)的地基，可以采用全部挖除换填的方法处理;而软土层厚度较大(厚度大于3m)时，采用部分挖除换填的方法处理。

2 计算方法探讨

2．1 常用计算方法

目前，工程通常采用的计算方法为《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)推荐的应力扩散法。即认为垫层以θ角向下扩散基底附加压力，到垫层底面(下卧层顶面)处的土中附加压应力与土中自重应力之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

式中:PCZ为垫层底面处土的自重压力值，kPa;faz为垫层底面处经深度修正后的地基承载力特征值，kPa;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，kPa。

对于道路路基而言，可近似的将其看成条形基础，因此

式中:P0为垫层顶面处的附加应力值;b为条形基础底面的宽度;z为垫层厚度;θ为垫层的压力扩散角(参考《建筑地基处理技术规范》表4．2．2 取值)

2．2 计算参数的讨论

2．2．1 基础底面宽b值

前文所述方法为参照条形基础垫层计算方法，而建筑地基基础宽度一般远小于道路路基基地宽度，由建筑地上结构产生作用于基底的附加应力近似为均布荷载，因此在垫层计算时，基地宽度可以采用基础全宽。而由道路路基产生的基底附加应力，在道路基底全宽范围内并非均布荷载，其为非线性分布，路中最大，而路堤坡脚处最小。

因一般道路路基宽度远大于建筑地基基础宽度，则其采用换填垫层法处理结果并不明显。将公式(2)分子分母均除以b，得到:

从公式(3)看出，当基底宽度b越大，分母数值就会越小并接近于1，换填后的垫层底附加压力值也接近换填前的地基附加应力值P0。

2．2．2 基底附加应力P0

基底附加应力P0的取值主要取决于路基填土高度及车辆荷载的分布。一般认为，当填土高度小于2．5m时，基底附加应力为填土及车辆荷载产生应力之和;当填土高度大于或等于2．5m时，车辆荷载产生的应力相对于填土产生的应力较小，可以不计，此时基底附加应力为路基填土产生的应力。由此看出，填土高度不同，基底附加应力的计算方法也不相同，明显区别于建筑地基基底附加应力的计算方法。

2．3 计算参数的修正

2．3．1 基底附加应力P0的取值

(1)当路基填土高度小于2．5m时，基底附加应力要路基填土及车辆荷载的产生的应力之和。路基填土产生的竖向应力为γh，车辆荷载产生的应力，本文推荐采用《日本道路设计指南》中交通当量荷载与路堤高度的换算公式:P=94×exp(-0．67h)，h为路基填土高度。综上所述，当填土高度小于2．5m时，基底附加应力的计算公式为:

(2)当路基填土高度大于或等于2．5m时，基底附加应力要路基填土产生的应力，即:

2．3．2 路基基底有效宽度b的取值

从本文前部分所述，条形基础基底宽b的取值，对于道路路基，如果取路基底面宽，采用公式(2)计算的地基换填后的附加应力与计算前相差无几，显然不符合处理结果。路基基底宽一般远大于建筑基础基底宽，基底应力分布也不同于建筑基础基底的应力分布，因此路基基底存在一个有效宽度b，使公式(2)的计算结果能满足路基换填处理要求。

路基填土荷载一般可简化为三角形叠加荷载。

图1 线性荷载作用下路基重力分布

设路基半宽b=10m，最大荷载集度P=30kpa，则基底下z=3m、6m处竖向应力分布见下图2、图3:

图2 z=3m处地基竖向应力分布图

图3 z=6m处地基竖向应力分布图

从图2、图3可以看出由填土引起的地基竖向应力，在某一深度处，呈先增后减的趋势;随着深度的增加，地基应力整体呈现渐少的趋势。

从应力分布图来看，地基竖向应力的较大值主要集中在路中两侧各5m处，因此在进行换土垫层法计算时，有效宽度应在路中两侧一定范围之内，而不是基底全宽。

为了探究路基基底有效宽度，本文通过图2及图3对比，做出两深度范围的应力衰减率曲线，如图4。

图4 不同深度处的应力衰减率曲线

从衰减率曲线可以看出，对于20m宽路基，其不同深度处的应力衰减规律为，靠近路中的地基竖向应力迅速衰减，靠近路边的较为平缓，因此垫层计算的有效区域应为地基竖向应力作用变化频繁的区域，也就是应力衰减率较大的区域。从图中看出，应力衰减率从7m处开始剧变。因此可以认为，对于20m宽路基，路基基底有效宽度为道路路中两侧各3m的范围，也就是b=6m。

通过对不同宽度路基进行分析，得到换土垫层法路基基底有效宽度选取表。