張軍，楊杰 （安徽省綜合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230031）

0 引言

軟土是指天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性高的細(xì)粒土，包括淡泥、泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等，一般采用天然孔隙比和天然含水量作為基礎(chǔ)判斷指標(biāo)。在軟土地基上建造工程一般會有兩個(gè)方面的問題，一是由于軟土地基的剪切強(qiáng)度過低以至于不能夠承受上部建筑物施加的荷載時(shí)發(fā)生地基的整體或者局部的剪切破壞，造成地基的塌陷、失穩(wěn)進(jìn)而影響上部建筑物的安全穩(wěn)定；另一方面由于軟土本身的高含水率，大孔隙比的特征，在承受來自上部建筑物的荷載時(shí)，一般會產(chǎn)生較大的沉降變形，尤其是與相鄰構(gòu)筑物之間產(chǎn)生過大的差異沉降時(shí)，對建筑物的安全穩(wěn)定造成非常大的安全隱患[1-4]。

排水管道設(shè)計(jì)中，對管道基礎(chǔ)底部承載力一般有較為嚴(yán)格的要求，尤其當(dāng)管道穿越軟土地基區(qū)域時(shí)，軟弱土層的天然承載力遠(yuǎn)不能滿足管道設(shè)計(jì)要求，因此必須對基底軟弱土層進(jìn)行處理，結(jié)合施工技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、工期等因素，淺層換填處理管道基礎(chǔ)軟弱地基的方案在該類工程運(yùn)用廣泛，而結(jié)合計(jì)算合理確定換填深度就成為設(shè)計(jì)方案中的重點(diǎn)[5-6]。

一般工程設(shè)計(jì)中對換填厚度的計(jì)算主要有路基荷載工作區(qū)算法、地基承載法、HPDS 程序計(jì)算法，結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)，本次分析研究采用地基承載法進(jìn)行計(jì)算[7-11]?！豆奋浲恋鼗返淘O(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》（下文簡稱《細(xì)則》）5.26 條規(guī)定了小型構(gòu)造物處的淺層處理法換填墊層厚度的計(jì)算要求[12]，通過應(yīng)力擴(kuò)散原理計(jì)算換填墊層底的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之和與經(jīng)深度修正后地基承載力特征值進(jìn)行比較，從而換填方案提供依據(jù)。

本文結(jié)合某排水管道穿越軟土地基的工程實(shí)例，對基底墊層的換填厚度進(jìn)行分析計(jì)算，對墊層底應(yīng)力及承載力變化趨勢進(jìn)行整理分析，為一般工程中換填厚度確定提供一些參考。

1 工程概況

1.1 道路概況

該建設(shè)工程為某道路改建工程，同時(shí)對道路兩側(cè)的管道進(jìn)行新增、改造設(shè)計(jì)。雨水管道采用單側(cè)布管，K0+000～K1+300 為新建雨水管道段；K1+300～K1+627.5 為保留利用現(xiàn)狀雨水管道段，現(xiàn)狀破損和堵塞的雨水口及雨水口連接管需進(jìn)行更換和清淤。

1.2 地形地貌

軟土分布區(qū)地貌單元為江淮波狀平原區(qū)，微地貌為河漫灘，地勢平坦，地面標(biāo)高一般在17.10m～22.30m之間。

1.3 水文地質(zhì)

本次勘察地下水，屬于上層滯水，埋深較淺，區(qū)內(nèi)地下水埋深約1.4m。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料，地表水對混凝土結(jié)構(gòu)和鋼筋混凝土中的鋼筋均具有微腐蝕性。

1.4 地質(zhì)構(gòu)造

軟土分布區(qū)及其附近無活動斷裂經(jīng)過。場地穩(wěn)定性較好。

1.5 地震

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》（GB18306-2001），本場地的地震動峰值加速度為0.05g。

2 軟土分布及巖土參數(shù)

場地類軟土發(fā)育于波狀平原區(qū)，分布 于 K0+130～K1+044 段，總 長914.0m，均兩端尖滅，②層軟土層厚0.5m～7.6m，下臥層為③層粉質(zhì)粘土。

區(qū)內(nèi)分布的軟土主要由淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土和粉質(zhì)粘土組成。②層軟土的壓縮模量Es0.1-0.2=3.68MPa，比貫入阻力ps=0.67MPa；③層軟弱土的壓縮模量Es0.1-0.2=4.27MPa，比 貫 入 阻 力ps=1.02MPa；下臥層④層粉質(zhì)粘土的壓縮模量Es0.1-0.2=6.17MPa，比貫入阻力ps=1.46MPa。

本路段均為填方路基。由于軟土沉積時(shí)間短，固結(jié)性差，具有含水量大、壓縮性高、承載力低、滲透系數(shù)小、易變形等特點(diǎn)，工程性質(zhì)差。由于軟土層的容許承載力低，易引起路堤失穩(wěn)或沉降過大，不能滿足公路工程建設(shè)的需求。易造成構(gòu)筑物開裂、路基變形、路堤滑移等危害，破壞工程的整體性。應(yīng)對相間分布工程地質(zhì)性質(zhì)差的軟弱土層等進(jìn)行處理，確保工程安全。

根據(jù)勘察結(jié)果，推薦地基處理設(shè)計(jì)參數(shù)詳見表1。

軟土地基設(shè)計(jì)參數(shù)推薦表 表1

3 換填厚度計(jì)算過程分析

3.1 工程設(shè)計(jì)方案

選取K0+230 至K0+830 段特殊路基處理段落作為研究對象，地勘資料揭示，該段軟土層最厚達(dá)3m～10m，連續(xù)分布，②層軟土承載力60kPa～80kPa。

雨水管道采用單側(cè)布管，管道敷設(shè)在南側(cè)行車道下，一般段距道路中線5.0m。K0+000～K1+300 為新建雨水管道段，K1+300～K1+627.5 為保留利用現(xiàn)狀雨水管道段，現(xiàn)狀破損和堵塞的雨水口及雨水口連接管需進(jìn)行更換和清淤。

排水管道采用Ⅱ級鋼筋混凝土承插口管，管材應(yīng)符合《混凝土和鋼筋混凝土排水管》（GB/T11836-2009）要求。管道接口采用橡膠圈接口，參見《市政排水管道工程及附屬設(shè)施》（06MS201-1，P23）。管道基礎(chǔ)采用180°砂石基礎(chǔ)，參見《市政排水管道工程及附屬設(shè)施》（06MS201-1，P11）。

管道設(shè)計(jì)對管道基礎(chǔ)承載力有具體要求，一般要求原狀土地基到管道基礎(chǔ)支撐強(qiáng)度要求，如不滿足則應(yīng)經(jīng)處理后回填密實(shí)的地基，本段管道對基礎(chǔ)地基的要求為地基承載力特征值不小于100kPa，且一般經(jīng)驗(yàn)要求在管頂覆土不大于5m 時(shí)，管道溝槽地基承載力不小于110kPa，在管頂覆土大于5m時(shí)，管道溝槽地基承載力不小于125kPa，軟土地基的承載力明顯不能滿足設(shè)計(jì)要求，因此需要對基底不滿足設(shè)計(jì)要求的地段應(yīng)進(jìn)行換填處理。

3.2 換填方案計(jì)算原理

3.2.1換填厚度計(jì)算

設(shè)置小型構(gòu)造物，淺層處理法換填墊層的厚度宜根據(jù)構(gòu)造物的要求確定，并符合式（5.2.6-1）～式（5.2.6-3）的要求。

pz：相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),墊層底面處的附加應(yīng)力(kPa)；

Pcz：墊層底面土的自重應(yīng)力(kPa)；

fak：墊層底面經(jīng)深度修正后的地基承載力特征值(kPa)；

b：矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底面的寬度(m)；

l：矩形基礎(chǔ)或條形基礎(chǔ)底面的長度(m)；

Pk：相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí),基礎(chǔ)底面的平均應(yīng)力(kPa)；

Pc：基礎(chǔ)底面土的自重應(yīng)力(kPa)；

z：基礎(chǔ)底面下墊層的厚度(m)；

θ：一墊層的應(yīng)力擴(kuò)散角(°)，宜通過試驗(yàn)確定，無試驗(yàn)資料時(shí)，可按表2 取用。

應(yīng)力擴(kuò)散角θ(°) 表2

3.2.2換填寬度計(jì)算

5.2.77 墊層底面的寬度b 應(yīng)滿足基礎(chǔ)底面應(yīng)力擴(kuò)散的要求，可按式(5.2.7)確定。

b'=b+2ztan0(5.2.7)

式中:0——應(yīng)力擴(kuò)散角，可按表5.2.6取用；

當(dāng)z/b＜0.25 時(shí)，仍 按/b=0.25 取z值。

3.3 管線基底承載力計(jì)算

管道基礎(chǔ)為條形基礎(chǔ)，管道內(nèi)徑60cm，管壁厚6cm，基礎(chǔ)底寬172cm，管底至基礎(chǔ)底距離C1 為10cm，管頂覆土4.6m，覆土容重19.1kN/m3，作用在基礎(chǔ)上的荷載為87.86kN/m2。

基礎(chǔ)及基礎(chǔ)上土的平均重度20kN/m3，取換填碎石厚度為1.5m，其干密度1.62kg/cm3。

基礎(chǔ)底面處基底平均應(yīng)力為：

3.4 承載力修正

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）要求，當(dāng)基礎(chǔ)寬度大于3m 或埋置深度大于0.5m 時(shí)，從載荷試驗(yàn)或其他原位測試、經(jīng)驗(yàn)值等方法確定的地基承載力特征值，尚應(yīng)進(jìn)行修正。

γ——基礎(chǔ)底面以下土的重度(kN/m)，地下水位以下取浮重度；

b——基礎(chǔ)底面寬度(m)，當(dāng)基礎(chǔ)底面寬度小于3m 時(shí)按3m 取值，大于6m時(shí)按6m取值；

mγ——基礎(chǔ)底面以上土的加權(quán)平均重度(kN/m2)，位于地下水位以下的土層取有效重度；

d——基礎(chǔ)埋置深度(m)；

考慮到兩點(diǎn)原因：管線基礎(chǔ)為典型的條形基礎(chǔ)；基礎(chǔ)埋置土層為淤泥質(zhì)土，根據(jù)承載力修正系數(shù)參考表，當(dāng)土層為淤泥及淤泥質(zhì)土?xí)r，基礎(chǔ)寬度地基承載力修正系數(shù)取0。因此管道基礎(chǔ)的地基承載力修正只進(jìn)行深度修正[13]。

將dη=1及各參數(shù)代入公式：

基礎(chǔ)底的修正后的承載力特征值為：

計(jì)算結(jié)果明顯可見如果管道基底不進(jìn)行處理采用原狀土地基，原狀軟弱土層的承載力遠(yuǎn)不能滿足管道基礎(chǔ)對于基底承載力要求。

3.5 換填計(jì)算

假定換填墊層厚度為1.5m，結(jié)合上述公式1進(jìn)行計(jì)算，

墊層底面處附加壓力：

計(jì)算顯示，當(dāng)換填深度為1.5m 時(shí)，深度修正后墊層底的承載力特征值能夠滿足基礎(chǔ)底附加應(yīng)力及自重應(yīng)力的要求，但并不能滿足設(shè)計(jì)文件中且在管頂覆土不大于5m 時(shí)，管道溝槽地基承載力不小于110kPa的要求。

繼續(xù)對換填深度為3.0m進(jìn)行計(jì)算

墊層底面處附加壓力：

pz=1.72×（101.86-13.37）/（1.72+2×3×tan30°）=29.36（kPa）

墊層底面處自重應(yīng)力：

pcz=0.7×20+3×16.2=62.6(kPa)

pz+pcz=16.95+68.45=91.96(kPa)

進(jìn)行深度修正后的墊層底面的承載力特征值：

計(jì)算顯示，當(dāng)換填深度為3m 時(shí)，深度修正后墊層底的承載力特征值能夠滿足基礎(chǔ)底附加應(yīng)力及自重應(yīng)力的要求，并能滿足設(shè)計(jì)文件中且在管頂覆土不大于5m 時(shí)，管道溝槽地基承載力不小于110kPa的要求。

經(jīng)過進(jìn)一步計(jì)算當(dāng)換填深度為2.3m 時(shí)深度修正后墊層底的承載力特征值能夠滿足110kPa的承載力要求，同時(shí)滿足基礎(chǔ)底附加應(yīng)力及自重應(yīng)力的要求。

結(jié)合計(jì)算結(jié)果，考慮一定程度的設(shè)計(jì)富余，建議換填厚度不小于2.5m。

4 換填厚度計(jì)算過程分析

對不同換填深度時(shí)，墊層底的附加應(yīng)力及自重應(yīng)力與墊層底的承載力進(jìn)行計(jì)算，對變化趨勢進(jìn)行分析。

相應(yīng)制作變化圖表如圖2、圖3 所示。

圖2 墊層底應(yīng)力與修正的承載力特征值隨換填厚度變化趨勢圖

圖3 應(yīng)力與修正的承載力特征值比值隨換填厚度變化趨勢圖

由圖1、圖3 分析可見，隨著換填厚度增加，附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和以及深度修正的承載力特征值整體上呈正相關(guān)性。

圖1 管道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)圖

附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之和隨著厚度增加呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢。分析認(rèn)為，換填厚度增加前階段，附加應(yīng)力擴(kuò)散的趨勢大于換填墊層本身的自重應(yīng)力增加，隨著墊層厚度增加，附加應(yīng)力進(jìn)一步擴(kuò)散，合力變化主要來自墊層厚度增加而增加的自重應(yīng)力。

根據(jù)二者比值隨厚度變化的圖表分析可見，隨著墊層厚度增加，在換填厚度達(dá)到2.0m 時(shí)，二者比值趨于穩(wěn)定在78%左右，即繼續(xù)增加換填厚度，并不會提供更高的承載力富余。在達(dá)到平穩(wěn)后，如果對于承載力有特殊要求，則可主要根據(jù)深度修正后的承載力特征值與要求的承載力進(jìn)行比較來確定需要換填深度。

舉例本次分析中，管線基礎(chǔ)在換填深度為1.0m 時(shí)，深度修正后的承載力特征值，已經(jīng)能夠滿足附加應(yīng)力及自重應(yīng)力的要求，且隨換填深度增加，在堤岸層厚度達(dá)到2.0m 后，二者比值趨于穩(wěn)定，但設(shè)計(jì)時(shí)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)要求，要求管線基地承載力不小于110kPa，則繼續(xù)根據(jù)深度修正進(jìn)行承載力修正，換填深度在2.5m左右時(shí)，才能滿足承載力值大于110kPa的要求。

5 結(jié)論

①為保障管道的安全穩(wěn)定，穿越軟土地基段落的管道應(yīng)結(jié)合計(jì)算來確定基礎(chǔ)換填厚度，基本控制原則為換填墊層底的附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之和應(yīng)小于墊層底經(jīng)過修正的承載力特征值。

不同換填厚度的計(jì)算結(jié)果 表3

②隨著換填厚度增加，附加應(yīng)力及自重應(yīng)力之和以及深度修正的承載力特征值整體上呈正相關(guān)性。附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之和隨著厚度增加呈現(xiàn)先降低后增加的變化趨勢。

③隨著墊層厚度增加，在換填厚度達(dá)到某一厚度后，附加應(yīng)力與自重應(yīng)力之和與修正后的承載力特征值的比值趨于固定的百分比，繼續(xù)增加換填厚度，并不會提供更高的承載力富余。

④當(dāng)對基礎(chǔ)底承載力有額外要求，計(jì)算厚度已大于③中的厚度時(shí)，可采用修正后的承載力特征值與要求的承載力值計(jì)算進(jìn)行厚度控制。