换填垫层法在公路软土路基处理中的应用.pdf

总657期2023年第27期（9月 下）0 引言软土路基是指含水量高、天然强度低的特殊路基，如果处理不当，极易造成地基失稳状况，因此需要采取适当的处理方法，提高路基承载能力。换填垫层法是直接把软土部分挖除，采用新的材料进行换填，由此达到强化路基的作用。由于需要全面挖除原有土体，对于公路项目来说，土方开挖任务量较重，因此该方法适合浅层软土厚度为0.53.0 m或不均匀地基的工程。如果软土层较厚，出于经济性考虑，不建议采用换填垫层法。1 公路软土地基常见的处理方法1.1 换填垫层法在软土层厚度不足3 m的情况下，施工方可把原有土体挖出，换填承载力高、透水性佳的材料。使其满足路基压实性能系数。换填处理前，施工单位需清楚、准确地掌握施工规范和设计意图，全面勘察场地环境，核对设计图纸1。在施工过程中，换填材料以级配砂砾为例，相关参数可参考表1。挤淤施工时，添加片石粒径应不小于0.3 m，抗压强度则需达到30 MPa。表1 换填材料（级配砂砾）参数标准级配通过以下尺寸筛孔（mm）的质量百分率（%）0.510202.015355.0305510457320658540909850951001001001.2 表层处理法该工艺包括三种，即表层排水法、砂垫层法、稳固剂处治法。1）表层排水法。路基铺筑施工时，事先需要排地表水，减少土体表层的含水量，以提高地基稳定性，使公路建设能够顺利开展。在适当位置挖出0.5 m0.5m的排水沟，并填入砂砾。2）砂垫层法。结合路堤高度以及软土层的实际厚度，在其表面铺砂垫层，厚度约为0.61.0 m，起到加速沉降与控制固结时长的作用，相当于排水层。该项处理工艺操作简便，对施工使用机械要求不高。3）稳固剂处治法。在施工作业范围内，将原有表面土和稳定材料拌和，达到优化地基结构强度与压缩性的作用。其中，稳定材料有生、熟石灰与水泥等。1.3 强夯法此项技术比较适合砂土、杂填土、素填土与碎石土等的土层条件，可以提高土层强度，减小压缩性，解决湿陷性的问题。但强夯法在饱和度高的黏性土路基处理中，通常不会达到明显的优化效果，特别是淤泥质的土层，几乎很难起到改善作用。结合国内工程经验，强夯法处理地基质量与软土条件有关，在孔隙比大于等于1.5、含水量大于等于60%、粒径小于等于0.005mm颗粒比例达到30%以上的软土环境，不建议选择强夯法。而且在强夯作业中，应采取良好的排水设施2。一方面，采用强夯加袋装砂井技术，快速排出软土内的水分，控制固结时长，以保证基底强度。另一方面，采用强夯挤淤加固技术。在淤泥深度超过3 m，不宜应用换填法的情况下，直接将大石块放到淤泥中，把淤泥挤出，达到加强承载力的目的。此外，公路施工中，还可直接在软土层表面铺设力学性能较好的材料，通过强夯处理，把碎石挤进原本的土层内，以提高土层结构密度，优化承载力。1.4 水泥搅拌桩近年来，该技术在公路工程路基处理中被广泛使用，可分成干湿两类。在软土层较深、地基承载力小于等于120 kPa的情况下，水泥搅拌桩虽然有较佳的优化效果，技术也非常成熟，但施工成本偏高，因此在项目施工方案选择时需进行综合衡量。另外，在路基的碎石卵石比重较高时，也不宜选择水泥搅拌桩。软土路基含水量在35%70%时，选择湿法，含水量超过70%时，则运用干法。1.5 排水固结法事先布置排水管，利用路基荷载作用以及加载预压的方式，将土层内孔隙水顺着排水管排出，使路基持续固结沉降，缩小土层中的缝隙，加强承载力。该处理方法有助于改善软土环境沉降以及结构稳定性。收稿日期：2023-02-15作者简介：韩剑勋（1996），男，山西太原人，助理工程师，从事公路工程管理工作。换填垫层法在公路软土路基处理中的应用韩剑勋（山西路桥建设集团有限公司公路工程总承包分公司，山西 太原 030006）摘要：为解决公路项目中软土路基承载力差的问题，以具体的公路项目为例，阐述了强夯法、表层处理法、换填法等几种常见的处理方法，并结合软土路基处理施工流程，罗列出换填垫层法的应用要点。经质量检验，换填垫层法能有效提高软土路基的承载力。关键词：公路工程；软土路基；换填垫层法中图分类号：U416.1文献标识码：B82交通世界TRANSPOWORLD2 公路软土地基换填垫层法的应用要点公路项目中运用换填垫层法处理软土路基，参建方需严格把握以下几项施工要点：2.1 垫层材料软土地基换填垫层法施工中，材料关系着优化土层承载力的效果，一般从素土、矿渣、灰土、中砂、粉质黏土与碎石等材料中选择，实践中需根据施工场地的土层结构与路基设计参数选择垫层材料。2.2 施工要求施工方需将原有路基土层中部分软土挖出，并严格控制分层铺设中的各层厚度，碾压夯实时需进行全面处理，而现场填筑时应根据土体松铺厚度等参数，采用适当的处理措施。2.3 关键环节换填垫层作业期间，单层夯实厚度不应超过0.2 m，并注意垫层表面平整度，施工人员可先通过装载机完成初步平整处理，最终借助平地机精细化处理。垫层振压与碾压中，按照从慢向快的顺序开展作业。2.4 工艺控制在路基换填中，可选用中砂与粗砂，并适当添加碎石。在垫层施工过程中，基底需保持大致平整，人工处理成2%横坡，通过振动法与碾压法等全面夯实，加大垫层结构密度，提升路基整体承载力。3 公路软土地基换填垫层法的实际应用以介休市县道邬东道路改造为例，该项目位于介休市连福镇境内，原路始建于1993年，并于1996年进行了改造，路基宽度8.5 m，为次高级路面。2009年进行了拓宽改造，路基宽度10.0 m，按二级公路标准设计，设计速度40 km/h，铺设沥青混凝土路面。由于本项目运营年限较长，加之路段沿线分布有几家煤化工企业，重车较多，导致道路破损严重，严重影响了行车舒适性，亟需改造。该工程依然采用二级公路标准，设计速度40km/h，路基宽 10 m，行车道宽 2 m3.5 m，硬路肩宽 2m1.5 m，桥涵设计荷载：公路-级，设计洪水频率：中桥：1/50，小桥、涵洞：1/25，地震动峰值加速度0.2g。预计建设规划场地范围内，地表分布淤泥质土，厚度在5 m左右，经检测确认此土层承载力在90 kN/m2左右，无法达到公路建设的标准。通过各参建方的研究，最终选择换填垫层法提高路基土层强度。具体采取路基处理方法是：先全面清理路基表面，铺设卵石垫层，通过多次碾压后，让卵石完全进入路基土层内，并在开展一次冲击碾压后，直接在上面铺设砂砾垫层，厚度控制在0.5 m。换填垫层的卵石直径应达到15 cm以上。3.1 场地施工准备处理在公路正式开工前，施工方需要进行地质勘察与挑选垫层材料。在选定软土路基强化方案以前，为提高工程设计的准确性、可行性，先要对规划场地内的地层条件进行专业勘察，掌握土层结构与力学性质，确认软土层的分布范围与各点深度。此外，为确保路基承载力，还需查明地下水分布情况，确认沿线水位与埋藏位置等。本项目选择换填法处理工艺，要求施工方确认换填土来源，了解材料类型与进价等。在垫层材料的选择过程中，需根据设计图纸结合公路项目地层条件与使用的设备机械等，注意换填层稳定性与结构密度、强度等3。例如，在以振动荷载为主的路段地基上，不应选择砂垫层。一般项目中，垫层材料有灰土、砂石、矿渣、粉煤灰等，最终材料的选定需符合公路工程的建设要求。软土路基的垫层材料需人工制作，按照方案设定的比例配比原材料，并保证材料混合均匀。在现场填料时，技术人员需先检查材料的基本质量指标，包括配合比与含水量等。如遇特殊天气，需增加防护措施，如防雨与防冻，避免垫层材料质量下降，影响公路施工效果。3.2 基坑土方挖掘在开挖作业以前，施工人员需按照工程设计技术要求，测量定位线，并完成排水与控制水位的设施建设，一般要把地下水控制在设计垫层底部下方至少0.5 m的深度。另外，为防止在土方开挖期间对基坑土层结构带来严重影响，施工人员必须选择合适的方法进行支护，使边坡结构保持稳定。现场开挖期间，为防止对底部土层产生明显扰动，可留出0.2 m左右厚度的土体，直到铺设垫层时，再将该部分人工挖出，直至设计位置。3.3 垫层处理作业铺设垫层之前，施工单位需会同相关参建单位进行基坑验收，查看垫层底部土质情况、测量标高与基坑尺寸、轴线等。针对不同的垫层换填材料选择相适应的机械设备，包括粉质黏土、灰土，平碾、振动碾、羊足碾；砂石材料主要使用振动碾与平板振动器等；矿渣使用平板振动器与振动碾、平碾。在原材料实际含水量达到填料最优标准时，垫层夯实质量最好。因此在处理时，施工人员应重点把控含水量指标。在该公路项目中，对于粉质黏土以及灰土垫层，实际含水量偏差应控制在2%以内，达到最优含水量；粉煤灰垫层的实际含水量偏差值需在4%以内，且不可采取浸水保护作业方法；砂石垫层使用平板振动器的路段，含水量控制在15%20%，平碾路段含水量控制在8%12%；碎石与卵石垫层，直接浇水湿透即可。本工程中，换填垫层选择分层处理，单层铺设厚度与碾压次数等均按照试验段的施工数据确认。在大部分建设路段中，软土区域垫层底部的铺设厚度应结合施工设备和下方土体条件确定，其余分层换填铺设83总657期2023年第27期（9月 下）厚度一般在0.20.3 m。现场碾压作业期间，施工人员需控制好机械行进速度，以保证压实效果。在前期设计中，可采用下式确定垫层厚度：ps+pcs fac（1）式（1）中：ps为相应荷载效应标准的基础上，垫层底面的附加压力值，单位kPa；pcs为垫层底面自重压力值，单位kPa；fac为垫层底面在实现修正处理后的地基承载力特征值，单位kPa。ps可根据实际情况采用下列两个公式进行计算：条形基础：ps=b(pk-pc)b+2stg（2）矩形基础：ps=bl(pk-pc)(b+2stg)(l+2stg)（3）式（2）（3）中：b为不同类型基础的底面宽度，单位m；l为矩形基础底面长度，单位m；pk为相应荷载效应标准的基础底面压力值，单位kPa；pc为基础底面土的自重压力值，单位kPa；s为基础底面垫层厚度，单位m；为垫层压力扩散角，单位4。垫层处理施工期间，尤其是基坑内有施工人员作业时，必须定期检查边坡防护结构的稳定性，防止边坡土体坍塌落现象，引发安全事故。为保证垫层质量和路基稳定性，需加强基坑排水处理，避免在浸水条件下开展垫层作业，必要时控制地下水位。公路垫层底部高度尽量保持一致，对于存在高度差的部分，需在基坑开挖过程中，把底部设置为阶梯状，并按由深至浅的顺序，逐段铺设垫层。在各段搭接处必须加大夯实力度，保证垫层密度达到设定标准。在一层铺设好后，应及时测量其密度，满足设计参数后，方能铺设下一层。3.4 施工质量测验在现场垫层作业结束后，需及时检查垫层质量。例如，在砂石垫层部分，可通过重型动力触探的方式判断质量水平。砂垫层对应环刀容积需达到200 m3，径高比11，以降低测量结果的误差。在选择环刀法检查垫层施工质量时，应保证取样的合理性，在单层深度2/3的位置布设取样点，并结合基坑实际面积，调整取样点的数量。基坑面积在50100 m2时，至少要布置一处取样点，每1020 m基槽布设一处取样点。在使用灌入仪评估垫层建设质量时，单层检验点之间的距离不能超过4m。经过质量测验后，对比路基未处理时的情况，通过换填垫层法，按照1.2 m厚度进行施工，最终路基承载力出现明显的提升，从原本的90kN/m2提高到160kN/m2，以达到公路建设的标准。4 结束语综上所述，换填垫层法虽对软土路基有较好的处理效果，但适用性并不高，软土层超过3 m时，出于作业工程量与项目投入的考量，应选择其他技术方法。本文案例项目中，更换垫层厚度为1.2 m，适宜采用换填垫层法。本文案例项目采用换填垫层法处理后，路基承载力明显提升，满足了公路建设要求，表明此项技术能够加强路基承载力，提高地层结构密度，减少路基沉降。参考文献：1 康喜东.软土路基处理技术在公路工程施工中的探索与应用J.中国设备工程，2021（20）：254-256.2 张文贵.研究深层搅拌桩在公路软土路基处理中的应用J.黑龙江交通科技，2021，44（4）：58，60.3 毛少波.公路设计中软土路基处理技术的研究与实际应用J.四川建材，2020，46（8）：108，135.4 陈乔娜.公路软土路基处理中水泥搅拌桩施工工艺及质量控制J.建材与装饰，2020（15）：234，237.桩位对抗滑桩水平位移的影响明显，当桩设置在边坡的中部时，抗滑桩的水平位移最大，说明其抵抗的土体抗滑力最明显，抗滑桩发挥了有效的作用，提高边坡的安全系数。综上分析，在实际工程中可以通过计算抗滑桩的设置位移，从而控制边坡的稳定性，确保施工的安全。3 结论本文通过对土体参数、坡角、地下水位及抗滑桩的设置位置等因素，对边坡稳定性的影响进行了研究，研究结果表明：随着土体黏聚力和内摩擦角的增大，边坡的稳定性越好；随着坡角和地下水位的减小，边坡的稳定性越好；当抗滑桩设置在边坡的中部位置时，对边坡的稳定性最有利，能起到有效控制边坡稳定性的作用。参考文献：1 杨朔明，王志云，樊可为，等.土质边坡稳定性影响因素的有限元数值分析J.山西建筑，2022，48（18）：87-89.2 牟丹.土钉支护参数对土质路堑边坡稳定性的影响J.山东交通科技，2022（1）：50-52.3 李红晓，李朝晖.干湿循环作用下土质边坡稳定性分析J.水利科技与经济，2022，28（3）：21-25.4 吕海建.降水在土质边坡内的渗流规律及对边坡稳定性的影响研究D.包头：内蒙古科技大学，2022.（上接第45页）84