软基路堤换填轻质土厚度确定方法

软基路堤换填轻质土厚度确定方法

摘要：目前，我国的经济发展十分迅速，对工后沉降超过规范要求、稳定性不

足的软基路堤，换填轻质土是一种快捷、可靠、经济、副作用小的处理方案。现

行规范缺少对换填厚度确定方法的规定，或规定方法存在不合理之处。在分析换

填轻质土厚度现有方法缺点的基础上，对有齐全监测资料的路堤提出了固结度法

确定轻质土换填厚度，对缺少监测资料的路堤提出利用补充勘察资料确定换填厚

度的计算沉降法，对稳定性不足的路堤提出反算强度法确定换填厚度。最后，通

过算例演示了换填轻质土厚度确定过程。

关键词：软基路堤；工后沉降；换填；泡沫轻质土；排水固结；复合地基

引言

为了更好地控制软土地基中高速公路的沉降量，公路在建设时需要不断优化

设计方案和施工技艺。软土地基一般由淤泥及淤泥质土等软弱土层组成，淤泥及

淤泥质土具有高的压缩性、高含水率、低渗透性、低强度等特性。这些特性是使

路面产生过大沉降的主要因素。施工时路面的沉降过大可导致路堤失稳以及路面

开裂等工程现象。在建设高速公路时往往要对软土地基进行处理，常用的地基处

理方法有换填垫层法、轻质路堤法、振密挤密法、排水固结法、置换法、加筋法等。

1换填处置技术

1.1软基开挖

软土地基换填开挖前由测量员按照地面实际高程及设计高程，采用渐进开挖

法进行开挖边线，然后按照路堑开挖边线确定坡顶截水沟位置，并确保在开挖路

堑前完成坡顶截水沟施工，以防止降雨时发生坡面冲刷及路堑积水。开挖前，详

细检查、核对设计图表，如有疑问及时复测更改，并根据设计图纸确定出路线中桩、桩界及弃土堆等位置。开挖位置确定后进行边坡放样，每挖一段距离确定出

中线桩，并测定其标高及宽度，以控制路堑开挖面。软基开挖时应保持开挖边坡

稳定，不得对周边建筑物或构造物产生影响，同时需时刻注意路堑边坡的稳定性，如遇到险情应及时报告并处理。

1.2下层土工格栅铺设

在回填至一定深度后，为保证回填路基整体性及安全性，应开始在回填碾压

面上布设土工格栅。在铺设工作前，首先按照规范要求应对铺设的土工格栅进行

质量检验，如果检查结果不符合相关标准，应当采取适当手段对土工格栅处理，

碾压面铺设土工格栅施工参数如表1所示；其次，由于碾压路基面宽度大于土工

格栅出厂宽度，因此为减少土工格栅搭接宽度，应优先选择宽幅土工格栅，最大

限度保证土工格栅与路基轴线之间垂直分布，控制不同宽度土工格栅的搭接宽度

在8～13cm之间，同时保证土工格栅铺设时的平整度和连接性，使得铺设土工格

栅最大限度发挥与路基的共同作用。

2换填厚度确定现有方法评价

路基行业标准及关于轻质土路堤的地方规范对换填厚度未给出计算方法。对

新建、运营公路桥头路堤换填厚度规定分别按式（1）和式（2）计算：式中：ｈ

ｌ为换填轻质土厚度；γｆ为填土重度；Ｋ为安全系数；Ｈｅ为将路面换算为填

土的常规路基等效高度；Ｕｔ为地基平均固结度；Ｈｆ为预压阶段路基高度；γ

ｌ为轻质土重度；Ｈｅ１为改造前Ｈｅ；Ｈｅ2为改造后Ｈｅ。对新建公路，软

土厚度小于15ｍ时，Ｋ取1.2，否则取1.5；对运营公路，Ｋ取1.75。当γｆ＝20

ｋＮ／ｍ3，Ｋ＝1.5，Ｈｅ＝7ｍ，Ｕｔ＝1，Ｈｆ＝7ｍ，γｌ＝6ｋＮ／ｍ3时，

按式（1）得ｈｌ＝5ｍ。即预压高度与路基设计高度相等且完全固结时，仍需换

填5ｍ，明显不合理，其主要原因是对Ｈｅ乘了安全系数Ｋ，而不是对轻质土厚

度乘以安全系数Ｋ。另外，式（1）未考虑沉降土方的影响也是不合理的。式（2）假设改造前的路基荷载已经固结完毕，对很多工程是不合理的，因为不少工程由

于各种原因改造前尚未固结完毕。该方法实质上是对改造后路基所有荷载均乘以

安全系数，也是不合适的。式（1）和式（2）实质均是永久荷载等于目前已经固

结的荷载，并考虑一定的安全储备，因此两者可以合并。

3换填厚度确定方法建议

3.1固结度法

由应变固结度定义可得式式中：Ｕｐ为目标固结度；Ｓｒａ为容许工后沉降；Ｓｅ为恒载对应的最终沉降。研究表明，软基路堤沉降与荷载基本成正比，因此

得式式中：Ｓｆ为对应Ｔｆ的最终沉降。由应力固结度定义得式并考虑安全系

数可得式安全系数Ｋ宜取1.2。当容许工后沉降为0时，式（8）变为式（4），

因此式（4）仅是式（8）的特例。应用式（8）时应将路面重度换算为地下水位

以上填土重度，地下水位以下填土浮重度换算为地下水位以上填土重度。有详细

的监测资料时，可根据监测资料推算Ｕｔ和Ｓｆ。当软土厚度超过15ｍ或存在软

土下卧层时，利用表面沉降监测资料推算的Ｕｔ通常偏大、Ｓｆ通常偏小［14］，此时宜根据分层监测资料推算Ｕｔ和Ｓｆ。当监测资料不完全，但可确定沉降速

率和沉降速率系数β时，可通过钻探查明已发生沉降Ｓｔ，并利用式（9）估算

剩余沉降式中：Ｓｒ为剩余沉降；Ｖｓ为沉降速率；β为沉降速率系数。进而得

式无监测资料，但严格按照设计施工，且地质资料、加载和预压过程资料齐全时，可计算确定Ｕｔ和Ｓｆ，并代入式（8）计算换填厚度。

3.2数值模拟

数值模拟采用MIDAS/GTS有限元软件对本工程进行建模分析。本研究主要是

考虑道路施工对整个路基和路面沉降量的影响，利用MIDAS/GTS提供的分割功能，将完整的实体用各地层模型进行分割，从而建立与实际情况相符的几何模型。为

计算简便，路堤填土材料按照弹性模型进行计算，地基土层按照摩尔-库伦模型进

行计算。

3.3上层土工格栅铺设及填土碾压

土工格栅铺设完成后即可开展上层填土填筑工作，由于上层填筑体对于整体

变形及压实度要求更高，因此在该层施工时应注意对填料粒径及均匀性的要求。

在施工过程中为提高施工效率，在保证若条件下可将换填土直接卸于路基层表面。但考虑到新筑路基稳定性及安全性，应对堆土高度及范围进行进行严格控制，以

免引起垮塌等现象。卸土以后可进行最终压实作业。

3.4反算强度法

当路堤出现裂缝、水平位移或沉降不收敛时，可根据勘察报告确定非加固区

抗剪强度或抗剪强度指标，利用稳定分析软件根据现有荷载反算加固区抗剪强度，使路堤稳定安全系数为1.0～1.02。然后，利用反算得到加固区抗剪强度，考虑路

面荷载和汽车荷载，试算得到路堤稳定安全系数满足规范要求的轻质土换填厚度。当路堤同时存在工后沉降超标、稳定性不足时，应分别根据工后沉降和稳定要求

确定换填轻质土厚度，并取两者的大值。对新建路堤，宜采用计算沉降法确定换

填厚度。