论文部分内容阅读
摘要：软土地基需要结果物理、化学的方法进行处理,才能保证公路路基的质量。主要的处理方法有：换填法、排水固结法、轻型填方施工法和复合地基处理法等。本文对公路软地段挡墙工程的软土地基处理进行全面地介绍和总结，分析了换填法是公路软土地基处理工程中的应用，为今后公路软土地基处理提供有益的借鉴。
关键词：软土地基；材料换填；换土垫层法；砂质粉土
当岩溶地基因风化作用而使其承载力、变形或由于表层沟壑不平满足不了建筑物的要求，而风化层厚度又不大时，将基础底面下处理范围内不良土层全部挖去，然后分层换填强度较大的砂碎石、素土、灰土、矿渣或其他性能稳定的材料，并压实，这种方法即为换填法。
换土垫层法在岩溶风化严重或岩溶红粘土地基中比较实用。如图1。
（1）提高地基承载力。承载力与地基下土层的抗剪强度有关。砂、碎石等填筑材料抗剪强度较软弱土层高，因此可提高地基承载力。
（2）减小沉降量。一般来说，地基中浅层部分的沉降量占总沉降量比重较大，换填后可减小这部分沉降；另外由于换填材料对应力的扩散作用，可以使作用在下卧层的压力减小，从而减少下卧层的沉降。
（3）加速软弱土层的排水固结。不透水基础或透水性差的路堤直接与软弱土层相接触，在荷载作用下，使软弱土层不易固结，形成较大的孔隙水压力，可能导致由于地基强度降低而发生塑性破坏的危险。而砂石等垫层材料透水性大，排水良好，可迅速消散孔隙水压力，加速其下软弱土层的固结和强度的提高。
（4）防止冻涨。由于粗颗粒垫层孔隙率大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区地基土发生冻胀现象。此时砂垫层底面应满足当地冻结深度的要求。
（5）消除膨胀土的胀缩作用。在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的。对膨胀土地基而言则主要消除膨胀土的胀缩作用。
1、 设计计算
实践表明，不同换填材料的承载力和沉降基本相同，可近似按砂垫层的设计方法进行计算：
（a） 垫层厚度的确定
以 “垫层底面处土的自重压力与附加压力之和不超过同一标高处软弱土层的地基承载力设计值”为标准。如图1所示，其表达式如下：
式中 fz——垫层底面处土层地基承载力设计值，(kPa)
pcz——垫层底面处土的自重压力，(kPa)
pz——垫层底面处土的附加压力设计值，(kPa)
实际设计时，一般根据下卧层承载力确定垫层厚度。垫层厚度先根据经验初步拟定，然后用式（1-1）校核。厚度一般在 0.5m一3m 范围内，太小则垫层作用不显著，太大则施工较困难、且不经济。
垫层底面处附加压力可由下式简化计算：
（b） 垫层宽度的确定
垫层宽度应满足应力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确定
(1-4)
式中 b’ —— —垫层底面宽度。
垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按当地经验放坡，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当放宽。
2、 施工工艺
按换垫材料的不同，有砂和砂石垫层、素土垫层、灰土垫层、碎石和废渣垫层等。由于篇幅所限，本文只介绍前两种。
（1） 砂和砂石垫层
（a） 对材料的要求
宜选用级配良好、质地坚硬的粒料，不均匀系数大于 10，中、粗砂为好，可掺入一定量的碎石、卵石，但要分布均匀。材料含泥量不应大于 5%，对于用作排水固结的垫层，含泥量不应大于 3%，且不宜夹杂过大的石块，否则会导致垫层的不均匀压缩。一般要求碎、卵石粒径不大于 50mm。
（b） 施工要点
①砂垫层的施工关键是将砂加密到设计的密实度。常用的加密方法有振动法、水撼法、碾压法等。要求分层铺砂，逐层密实。下层密实度经检验合格后方可进行上一层施工。检验标准为干密度达设计要求。分层厚度视不同密实方法而定，一般为 15、20cm， 具体的分层最大厚度和最优含水量可根据具体施工方法确定，见附录2:
②铺筑前应先验槽，保证基槽稳定。
③开挖基坑及铺设垫层时，应避免扰动软弱土层的表面，否则坑底土遭到破坏后，强度会显著降低，在荷载作用下将产生很大沉降。因此，开挖后应及时回填，并防止践踏坑底。
④砂石垫层底面应铺设在统一标高上。但如深度不同时，应注意做好搭接，并捣实搭接部分，施工时按先深后浅的顺序进行。
⑤人工级配砂石垫层，应拌和均匀后再铺填捣实。
⑥捣实垫层时，也应注意不要破坏基坑底面和侧面土的强度。
⑦采用细砂作垫层材料时，应加入一定数量的碎、卵石，且应防止地下水的影响。
⑧水撼法施工时，在基槽两侧设置样桩，控制铺砂厚度，每层25cm,每铺一层，灌水与砂平齐，然后用钢叉摇撼，直至全部沉实。检验合格后再进行下一层施工。
（2） 素土垫层
素土垫层是先挖去基础下的部分或全部软弱土，然后回填素土，分层夯实。常用于处理湿陷性黄土地基和杂填土地基。素土垫层土料一般以粘性土为宜，施工中基槽内不得有水。夯（压） 实施工时控制土料含水量使之接近最优含水量。 分层填筑时，虚铺厚度150～300mm。施工中由压实系数λ控制填土密实度。
3、 质量检验
垫层质量检验包括分层施工质量检验和工程质量验收。分层施工的质量标准应使垫层达到设计密实度，对不同垫层其标准也不同：如砂垫层应满足干重度要求，中砂≥16KN／m，粗砂根据经验适当提高。砂垫层的分层施工质量检验可采用下述方法之一：环刀压入法：采用径高比为 1:1， 容积 2×106～4×106m 的环刀。取样前测点表面应刮去30～50mm 厚松砂，并采用定向筒压入。环刀内砂样应不含尺寸大于10mm 的泥团或石子。贯入法：采用长1.25m的Φ20 平头光圆钢筋，落距700mm，使之垂直自由下落，贯入度应符合试验测定的控制贯入度。砂石垫层设置纯砂检验点后，可按砂垫层检验方法检验。
分层施工质量检验的测点布置应满足以下要求：
①对于整片垫层，当面积≤300m2时，环刀法为30～50m2布置一个，贯入法为10～15m2一个；当面积＞300m2时，环刀法为50～100m2布置一个，贯入法为20～30m2一个。
②条形基础下垫层，同整片垫层做法相同,且应满足环刀法20m至少一个； 贯入法每10m至少一个。
③单独基础下垫层，同整片垫层做法相同，且每个基础不少于两个测点。换填结束后，按工程要求应进行垫层的工程质量验收。可通过载荷试验测定承载力，当有充分依据时，也可采用标贯试验或静力触探试验。当有试验证明通过分层施工质量检验可满足工程要求时，也可不进行工程质量整体验收。
4、工程实例
1、某公路地段挡墻工程的垫层设计挡土墙为条形基础， 宽1.2m，埋深1.0m，作用在基础底面上的荷载为120kN/m，基础及基础上土的平均重度为20kN/m3。场地土质条件：第一层粉质粘土，层厚1.0m，重度为17.5kN／m3；第二层为淤泥质粘土，层厚 15.0m，重度为17.8kN/m3，含水量为 65%；第三层为密实砂砾石层。地下水距地表为1.0m。
经研究分析， 确定采用砂垫层处理方案。
（a） 确定砂垫层厚度
①取垫层厚度 1.7m，并要求分层碾压夯实，其干密度要求大于1.6t/m3。
②垫层顶面处基底平均压力为
③垫层底面的附加压力按公式 （1-2）示计算：
④垫层底面处的自重压力为
⑤第二层淤泥质粘土的含水量为 65%，查出其地基承载力基本值f。=50kPa，从勘察报告中查得回归修正系数切，φf=0.90，则地基承载力标准值 fk为
⑥由地基规范查得深度修正系数ηd=1.0，经深度修正后，则地基承载力设计值为
说明满足设计，故垫层厚度取1.7m。
（b）确定垫层宽度
按式（1-4），
取垫层宽度为3.2m。
2、素土垫层材料的压实特性研究及应用实例
换填施工前应通过室内击实试验，选择压实性能良好的土料，并确定该土可能达到的最佳密实度（以干密度表示）范围与相应的含水量值，为换填设计合理选用填筑含水量和填筑密度提供依据。如某桥头引道工程，宽度36m，高度5m，其下河道淤泥3～5m厚，含水量为48%，孔隙比为1.1，塑性指数为18，压缩系数为0.8MPa-1，灵敏度为6.7，属典型软土。设计采用素土垫层，将淤泥全部挖除。通过对该工程所选土料的击实特性研究，发现砂质粉土和某些粘质粉土的击实特性既不同于纯净砂土，也不同于粘性土，其击实曲线形状呈现多峰型或型，这一情况在国内尚未见过有关报道。下面将就此作一介绍，以供工程实践及继续研究参考。
（a） 试验设备及规格
击实试验 采用轻型击实。击实仪为：击实筒内径9.215cm，筒高15cm，击实筒容积 1000cm3，击锤质量2.5kg，锤底直径5cm，落距30.5cm， 单位体积击实功应为 561.0kJ／m3。击实试样的制备采用干法，分3层击实，每层25击。
颗分试验细粒含量的确定为密度计法。采用乙种土壤密度计：刻度为0.995～1.020，最小分度值为0.0002。量筒：容积为1000ml,内径为60mm，刻度为0～1000ml。
（b） 土工试验成果
本次试验共作土样11个。其土工试验成果汇总于表 1。
（c） 成果分析
根据本次试验成果（表 l） 及以往的工程经验， 可得出下列结论：1） 粉质粘土及塑性指数 Ip>7 的粘质粉土，击实曲线呈单峰型，轻型击实的最大干密度ρd一般大于 1.6t/m3，其最优含水量基本符合 Wop=Wp±2%的经验公式。土样1～7的击实曲线均为典型的单峰型。下文中图2为土样7的击实曲线。
2）砂质粉土和塑性指数 Ip﹤7 的粘质粉土，击实曲线不再呈单峰型，而是呈多峰型（具有2～3 个峰值点）或峰型，轻型击实的最大干密度ρd一般小于1.6t/m3， 其最优含水量也基本符合Wop=Wp±2%的经验公式。上图中的图 3、图4和图5分别为土样9、土样10 和土样11的击实曲线。
3） 试验表明，砂质粉土和塑性指数 Ip﹤7 的粘质粉土压实性能较差。压实后的干密度和压实系数很难达到设计要求。尤其对击实曲线为双峰型和多峰型的填土，当需大量填方时，因填筑含水量很难按设计要求严格控制，从而导致压实后的干密度较室内击实最大干密度偏小。
三、 结论
對软土的工程特性以及公路工程中由于对软土处理不当而引发的工程问题进行了总结。对工程中常用的软土地基处理方法一换填法， 从作用原理、适用+范围、 设计计算等方面进行了总结， 以期对工程实践具有一定的指导作用。实际工程中，当采用粉土作为填方工程的土料时， 应选用塑性指数 Ip﹥7 的粘质粉土，不宜采用砂质粉土和塑性指数 Ip﹤7 的粘质粉土。通过对试验资料的分析，某引道工程采用了土样4 所在场地的土料，其室内击实最大干密度 1.8g/cm3，最佳含水量 15%。施工时分层虚铺压实，施工中按设计压实系数又严格控制施工质量。目前路况良好。
参考文献；
[1]《地基处理手册》编委会．地基处理手册[M]．2版．北京：中国建筑工业出版社，2000．33— 52．
[2]刘景政，杨素春，钟冬波．地基处理与实例分析[ M]．北京：中国建筑工业出版社，1998．16—35．
[3]刘松玉．公路地基处理[M]．南京：东南大学出版社．2001．11- 22．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。
关键词：软土地基；材料换填；换土垫层法；砂质粉土
当岩溶地基因风化作用而使其承载力、变形或由于表层沟壑不平满足不了建筑物的要求，而风化层厚度又不大时，将基础底面下处理范围内不良土层全部挖去，然后分层换填强度较大的砂碎石、素土、灰土、矿渣或其他性能稳定的材料，并压实，这种方法即为换填法。
换土垫层法在岩溶风化严重或岩溶红粘土地基中比较实用。如图1。
（1）提高地基承载力。承载力与地基下土层的抗剪强度有关。砂、碎石等填筑材料抗剪强度较软弱土层高，因此可提高地基承载力。
（2）减小沉降量。一般来说，地基中浅层部分的沉降量占总沉降量比重较大，换填后可减小这部分沉降；另外由于换填材料对应力的扩散作用，可以使作用在下卧层的压力减小，从而减少下卧层的沉降。
（3）加速软弱土层的排水固结。不透水基础或透水性差的路堤直接与软弱土层相接触，在荷载作用下，使软弱土层不易固结，形成较大的孔隙水压力，可能导致由于地基强度降低而发生塑性破坏的危险。而砂石等垫层材料透水性大，排水良好，可迅速消散孔隙水压力，加速其下软弱土层的固结和强度的提高。
（4）防止冻涨。由于粗颗粒垫层孔隙率大，不易产生毛细管现象，因此可以防止寒冷地区地基土发生冻胀现象。此时砂垫层底面应满足当地冻结深度的要求。
（5）消除膨胀土的胀缩作用。在各类工程中，垫层所起的主要作用有时也是不同的。对膨胀土地基而言则主要消除膨胀土的胀缩作用。
1、 设计计算
实践表明，不同换填材料的承载力和沉降基本相同，可近似按砂垫层的设计方法进行计算：
（a） 垫层厚度的确定
以 “垫层底面处土的自重压力与附加压力之和不超过同一标高处软弱土层的地基承载力设计值”为标准。如图1所示，其表达式如下：
式中 fz——垫层底面处土层地基承载力设计值，(kPa)
pcz——垫层底面处土的自重压力，(kPa)
pz——垫层底面处土的附加压力设计值，(kPa)
实际设计时，一般根据下卧层承载力确定垫层厚度。垫层厚度先根据经验初步拟定，然后用式（1-1）校核。厚度一般在 0.5m一3m 范围内，太小则垫层作用不显著，太大则施工较困难、且不经济。
垫层底面处附加压力可由下式简化计算：
（b） 垫层宽度的确定
垫层宽度应满足应力扩散的要求，可按下式计算或根据当地经验确定
(1-4)
式中 b’ —— —垫层底面宽度。
垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按当地经验放坡，整片垫层的宽度可根据施工的要求适当放宽。
2、 施工工艺
按换垫材料的不同，有砂和砂石垫层、素土垫层、灰土垫层、碎石和废渣垫层等。由于篇幅所限，本文只介绍前两种。
（1） 砂和砂石垫层
（a） 对材料的要求
宜选用级配良好、质地坚硬的粒料，不均匀系数大于 10，中、粗砂为好，可掺入一定量的碎石、卵石，但要分布均匀。材料含泥量不应大于 5%，对于用作排水固结的垫层，含泥量不应大于 3%，且不宜夹杂过大的石块，否则会导致垫层的不均匀压缩。一般要求碎、卵石粒径不大于 50mm。
（b） 施工要点
①砂垫层的施工关键是将砂加密到设计的密实度。常用的加密方法有振动法、水撼法、碾压法等。要求分层铺砂，逐层密实。下层密实度经检验合格后方可进行上一层施工。检验标准为干密度达设计要求。分层厚度视不同密实方法而定，一般为 15、20cm， 具体的分层最大厚度和最优含水量可根据具体施工方法确定，见附录2:
②铺筑前应先验槽，保证基槽稳定。
③开挖基坑及铺设垫层时，应避免扰动软弱土层的表面，否则坑底土遭到破坏后，强度会显著降低，在荷载作用下将产生很大沉降。因此，开挖后应及时回填，并防止践踏坑底。
④砂石垫层底面应铺设在统一标高上。但如深度不同时，应注意做好搭接，并捣实搭接部分，施工时按先深后浅的顺序进行。
⑤人工级配砂石垫层，应拌和均匀后再铺填捣实。
⑥捣实垫层时，也应注意不要破坏基坑底面和侧面土的强度。
⑦采用细砂作垫层材料时，应加入一定数量的碎、卵石，且应防止地下水的影响。
⑧水撼法施工时，在基槽两侧设置样桩，控制铺砂厚度，每层25cm,每铺一层，灌水与砂平齐，然后用钢叉摇撼，直至全部沉实。检验合格后再进行下一层施工。
（2） 素土垫层
素土垫层是先挖去基础下的部分或全部软弱土，然后回填素土，分层夯实。常用于处理湿陷性黄土地基和杂填土地基。素土垫层土料一般以粘性土为宜，施工中基槽内不得有水。夯（压） 实施工时控制土料含水量使之接近最优含水量。 分层填筑时，虚铺厚度150～300mm。施工中由压实系数λ控制填土密实度。
3、 质量检验
垫层质量检验包括分层施工质量检验和工程质量验收。分层施工的质量标准应使垫层达到设计密实度，对不同垫层其标准也不同：如砂垫层应满足干重度要求，中砂≥16KN／m，粗砂根据经验适当提高。砂垫层的分层施工质量检验可采用下述方法之一：环刀压入法：采用径高比为 1:1， 容积 2×106～4×106m 的环刀。取样前测点表面应刮去30～50mm 厚松砂，并采用定向筒压入。环刀内砂样应不含尺寸大于10mm 的泥团或石子。贯入法：采用长1.25m的Φ20 平头光圆钢筋，落距700mm，使之垂直自由下落，贯入度应符合试验测定的控制贯入度。砂石垫层设置纯砂检验点后，可按砂垫层检验方法检验。
分层施工质量检验的测点布置应满足以下要求：
①对于整片垫层，当面积≤300m2时，环刀法为30～50m2布置一个，贯入法为10～15m2一个；当面积＞300m2时，环刀法为50～100m2布置一个，贯入法为20～30m2一个。
②条形基础下垫层，同整片垫层做法相同,且应满足环刀法20m至少一个； 贯入法每10m至少一个。
③单独基础下垫层，同整片垫层做法相同，且每个基础不少于两个测点。换填结束后，按工程要求应进行垫层的工程质量验收。可通过载荷试验测定承载力，当有充分依据时，也可采用标贯试验或静力触探试验。当有试验证明通过分层施工质量检验可满足工程要求时，也可不进行工程质量整体验收。
4、工程实例
1、某公路地段挡墻工程的垫层设计挡土墙为条形基础， 宽1.2m，埋深1.0m，作用在基础底面上的荷载为120kN/m，基础及基础上土的平均重度为20kN/m3。场地土质条件：第一层粉质粘土，层厚1.0m，重度为17.5kN／m3；第二层为淤泥质粘土，层厚 15.0m，重度为17.8kN/m3，含水量为 65%；第三层为密实砂砾石层。地下水距地表为1.0m。
经研究分析， 确定采用砂垫层处理方案。
（a） 确定砂垫层厚度
①取垫层厚度 1.7m，并要求分层碾压夯实，其干密度要求大于1.6t/m3。
②垫层顶面处基底平均压力为
③垫层底面的附加压力按公式 （1-2）示计算：
④垫层底面处的自重压力为
⑤第二层淤泥质粘土的含水量为 65%，查出其地基承载力基本值f。=50kPa，从勘察报告中查得回归修正系数切，φf=0.90，则地基承载力标准值 fk为
⑥由地基规范查得深度修正系数ηd=1.0，经深度修正后，则地基承载力设计值为
说明满足设计，故垫层厚度取1.7m。
（b）确定垫层宽度
按式（1-4），
取垫层宽度为3.2m。
2、素土垫层材料的压实特性研究及应用实例
换填施工前应通过室内击实试验，选择压实性能良好的土料，并确定该土可能达到的最佳密实度（以干密度表示）范围与相应的含水量值，为换填设计合理选用填筑含水量和填筑密度提供依据。如某桥头引道工程，宽度36m，高度5m，其下河道淤泥3～5m厚，含水量为48%，孔隙比为1.1，塑性指数为18，压缩系数为0.8MPa-1，灵敏度为6.7，属典型软土。设计采用素土垫层，将淤泥全部挖除。通过对该工程所选土料的击实特性研究，发现砂质粉土和某些粘质粉土的击实特性既不同于纯净砂土，也不同于粘性土，其击实曲线形状呈现多峰型或型，这一情况在国内尚未见过有关报道。下面将就此作一介绍，以供工程实践及继续研究参考。
（a） 试验设备及规格
击实试验 采用轻型击实。击实仪为：击实筒内径9.215cm，筒高15cm，击实筒容积 1000cm3，击锤质量2.5kg，锤底直径5cm，落距30.5cm， 单位体积击实功应为 561.0kJ／m3。击实试样的制备采用干法，分3层击实，每层25击。
颗分试验细粒含量的确定为密度计法。采用乙种土壤密度计：刻度为0.995～1.020，最小分度值为0.0002。量筒：容积为1000ml,内径为60mm，刻度为0～1000ml。
（b） 土工试验成果
本次试验共作土样11个。其土工试验成果汇总于表 1。
（c） 成果分析
根据本次试验成果（表 l） 及以往的工程经验， 可得出下列结论：1） 粉质粘土及塑性指数 Ip>7 的粘质粉土，击实曲线呈单峰型，轻型击实的最大干密度ρd一般大于 1.6t/m3，其最优含水量基本符合 Wop=Wp±2%的经验公式。土样1～7的击实曲线均为典型的单峰型。下文中图2为土样7的击实曲线。
2）砂质粉土和塑性指数 Ip﹤7 的粘质粉土，击实曲线不再呈单峰型，而是呈多峰型（具有2～3 个峰值点）或峰型，轻型击实的最大干密度ρd一般小于1.6t/m3， 其最优含水量也基本符合Wop=Wp±2%的经验公式。上图中的图 3、图4和图5分别为土样9、土样10 和土样11的击实曲线。
3） 试验表明，砂质粉土和塑性指数 Ip﹤7 的粘质粉土压实性能较差。压实后的干密度和压实系数很难达到设计要求。尤其对击实曲线为双峰型和多峰型的填土，当需大量填方时，因填筑含水量很难按设计要求严格控制，从而导致压实后的干密度较室内击实最大干密度偏小。
三、 结论
對软土的工程特性以及公路工程中由于对软土处理不当而引发的工程问题进行了总结。对工程中常用的软土地基处理方法一换填法， 从作用原理、适用+范围、 设计计算等方面进行了总结， 以期对工程实践具有一定的指导作用。实际工程中，当采用粉土作为填方工程的土料时， 应选用塑性指数 Ip﹥7 的粘质粉土，不宜采用砂质粉土和塑性指数 Ip﹤7 的粘质粉土。通过对试验资料的分析，某引道工程采用了土样4 所在场地的土料，其室内击实最大干密度 1.8g/cm3，最佳含水量 15%。施工时分层虚铺压实，施工中按设计压实系数又严格控制施工质量。目前路况良好。
参考文献；
[1]《地基处理手册》编委会．地基处理手册[M]．2版．北京：中国建筑工业出版社，2000．33— 52．
[2]刘景政，杨素春，钟冬波．地基处理与实例分析[ M]．北京：中国建筑工业出版社，1998．16—35．
[3]刘松玉．公路地基处理[M]．南京：东南大学出版社．2001．11- 22．
注：文章内所有公式及图表请以PDF形式查看。