李阳辉 雷玲香
（广东冠生土木工程技术有限公司，广州，511400）
广东省交通运输厅科技项目，编号：科技-2013-02-001
摘要 针对上覆硬壳层软基上的路基填筑，根据气泡混合轻质土轻质性、自立性等特性，介绍了气泡混合轻质土路基的设计流程及方法，包括荷载选取、容重及强度的确定、稳定性验算等，为该种软基处理提供一种新的设计方法。
关键词 气泡混合轻质土 设计 沉降 新建路基 旧路改造
1、引言
珠三角地区软基表层大多存在一层厚度2.0m~10.m不等的素填土或粉砂硬壳层，此外，工程中常遇到采用堆载预压方法修建的道路，在其改扩建时旧路路基也可看做人工硬壳层。软基在上覆硬壳层荷载的长期作用下固结变形已趋于稳定，由于硬壳层的应力扩散作用，使得软基具有一定的承载力。对于填土不高的新建路基，填土所产生的附加荷载相对较小，如能够采用轻质填料如气泡混合轻质土作为路基填料，可显著减少路基荷载，达到控制路基的沉降的目的。
应用气泡混合轻质土填筑路基时，需考虑的荷载有自重、土压及水压、填筑体上面作用的荷载、侧向压力(给予相邻结构的)、浮力、地震力、其它(如冲击力等)。
根据气泡混合轻质土的使用目的、施工条件、环境的不同，各种荷载的取值和荷载组合不同， 安全系数的大小也不相同。
自重
气泡混合轻质土的自重，可根据设计容重求得，但在地下水位以下施工，要考虑水的影响，采用气泡混合轻质土部分用水置换后的重力。
土压和水压
一般来说，当气泡混合轻质土背面地基为一稳定结构(比如有稳定的坡度等)，不需要考虑土压的影响。但是，气泡混合轻质土背面地基(活填筑体)不稳定，则需要考虑土压的影响。在水位可能上升的情况下，要考虑水压的影响，并计算静水压的分布。
填筑体上面的荷载
一般指气泡混合轻质土上面的路基、路面、道路设施等重量(恒载)和活荷载。活荷载可按均布荷载考虑。
侧压
气泡混合轻质土固化后在其界面产生侧压为零，但是为了保证构造物(挡土墙、桥台等)的稳固性，应考虑固化前气泡混合轻质土对桥台等构造物的侧压影响。
浮力
气泡混合轻质土填筑体在地下水位以下时要受到地下水的影响产生上浮的问题，应当考虑浮力的影响，此时单位体积重量
应设定为10kN/m3以上。所受浮力大小有筑体在水下部分的体积决定。
地震力
地震时，气泡混合轻质土构筑的构造物也会受到由于地震而引起的额外荷重，其中包括地震惯性力和地震时土压力等。
其他
在必要情况下，考虑雪荷载、风荷载、冲击荷载等。
设计时一般只确定气泡混合轻质土新拌时的湿容重，通常根据设计强度确定相应的湿容重，同时考虑计算水位的影响，当气泡混合轻质土位于计算水位以下3m内，气泡混合轻质土的容重应不小于W6(即6kN/m3)；当气泡混合轻质土位于计算水位以下3m外，气泡混合轻质土的容重应不小于W8(即8kN/m3)。
气泡混合轻质土用于路基填筑时，要满足路基设计规范中承载比CBR的要求。
路基填筑的填筑体抗压强度应按下式计算：
(1)
式中 
—路基填筑的填筑体抗压强度；
—安全系数，取3；
CBR—加州承载比，按现行行业标准《公路路基设计规范》JTG D30取值；
设计的主要内容是确定气泡混合轻质土的填筑高度，并验算地基承载力与稳定性和沉降。既要求气泡混合轻质土有足够的强度，又要求设计荷载通过硬壳层扩散至下卧软土层的附件应力，满足软土层承载力与稳定性和沉降的要求。
所填筑的气泡混合轻质土有足够的强度，验算荷载通过一定厚度的气泡混合轻质土后，应力扩散至硬壳层表面的附件应力与轻质土自重之和满足硬壳层地基承载力的要求。
(2)
式中 
—气泡混合轻质土底面处硬壳层地基承载力特征值，kPa；
—气泡混合轻质土底面处的附加应力，kPa；
—气泡混合轻质土底面处的自重应力，kPa；
(3)
式中 
—路基的宽度，m；
—气泡混合轻质土的填筑高度，m；
—气泡混合轻质土上的竖向压力，KN；
—气泡混合轻质土的压力扩散角，气泡混合轻质土取
。
计算时，先假设气泡混合轻质土的填筑高度，然后用式(1)验算。如不符合要求，则需加大或减小高度，重新验算直到满足为止。
上式中，气泡混合轻质土的竖向压力
包含筑体顶面由路基、路面等恒载引起的应力
和活荷载在气泡混合轻质土筑体顶面产生的应力
,即
=
+
。荷载示意如图1所示。
(4)
式中 
—路面、基层等各材料的容重(kM/m3)；
—路面、基层等各材料的层厚；
(5)
式中 
—车轮荷载；
—车轮轮带宽(m)；
—车轮接触地长度(m)；
—从路面到气泡混合轻质土顶面的深度(m)；
—荷载扩散角度(取
=
)；
—荷载扩散角度(取
=
)；
图1 荷载扩散示意图
同时，气泡混合轻质土的填筑高度还必须满足其在设计强度的情况下，为保持其自身稳定所控制的高度
。
(6)
当确定了厚度后，应验算其路基总沉降是否满足《公路路基设计规范》(JTG D30-2015),验算方法采用“分层总和法路基沉降量计算”。
1) 计算假定：按照分层总和法计算地基附加应力，路基按条形基础简化。
2) 基本条件
a、路基宽度：b=24m；
b、附加荷载：
(注：根据路面实际荷载计算，包括路基路面部分)；
c、沉降点位置：
(注：距离路基中线距离)；
d、气泡混合轻质土容重：
；
e、填土容重：
。
3) 假定硬壳层的固结曲线（图2示例）
a、压缩曲线作为分层总和法计算参考曲线。
b、采用3次曲线拟合压缩曲线，计算各压力做种下的孔隙比，如表1所示。
表1 假定硬壳层土的试验参数
|
受压前 |
压力 |
0 |
12.5 |
25 |
50 |
100 |
200 |
400 |
800 |
|
孔隙比 |
1.413 |
1.397 |
1.369 |
1.318 |
1.245 |
1.151 |
1.034 |
0.915 |
|
|
受压后 |
压力 |
|
12.5 |
25 |
50 |
100 |
200 |
400 |
800 |
|
孔隙比 |
|
1.223 |
1.216 |
1.197 |
1.171 |
1.132 |
1.034 |
0.915 |
图2 硬壳层固结曲线
4) 沉降计算
确定地基压缩层深度的下限，取地基附加应力等于自重应力的10%，即
，气泡混合轻质土的孔隙比为0，气泡混合轻质土直接填筑于硬壳层上，路基中点沉降按分层总和法计算如表2所示：
表2 路基中点沉降量计算表
|
厚度Z(m) |
土层深度 |
自重应力 |
过程参数 |
附加应力系数αc |
附加应力 |
自重应力平均值(kPa) |
自重+附加应力平均值(kPa) |
受压前孔隙比e1i |
受压后孔隙比e2i |
(e1i-e2i)/(1+e1i) |
附加沉降ΔS |
|
0 |
0 |
0 |
1 |
|
54 |
|
|
0 |
|
|
|
|
0.5 |
0.5 |
3 |
0.50 |
0.82 |
44.28 |
1.5 |
50.64 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
|
0.5 |
1 |
6 |
1.00 |
0.55 |
29.70 |
4.5 |
41.49 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
|
0.5 |
1.5 |
9 |
1.50 |
0.4 |
21.60 |
7.5 |
33.15 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
|
0.5 |
2 |
12 |
2.00 |
0.31 |
16.74 |
10.5 |
29.67 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
|
1 |
3 |
18 |
2.50 |
0.21 |
11.34 |
15 |
29.04 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
|
1 |
4 |
24 |
4.00 |
0.16 |
8.64 |
21 |
30.99 |
0.000 |
0.000 |
0.000 |
|
|
1 |
5 |
42 |
5.00 |
0.13 |
7.02 |
33 |
40.83 |
1.352 |
1.338 |
0.006 |
0.6 |
|
1 |
6 |
60 |
4.00 |
0.11 |
5.94 |
51 |
57.48 |
1.321 |
1.311 |
0.004 |
0.4 |
表中，假设气泡混合轻质土填筑厚度为4m，从表中可知，在6m处
，即硬壳层往下2m，到达压缩层下限。且修正后的沉降不足2cm。满足路基设计要求规定的一般路基沉降不大于30cm，桥头不大于10cm的要求。
当直接用于低填软土路基的填筑时，气泡混合轻质土填筑厚度
可采用等载换填方式进行计算。可采用下式计算，当地下水位较高时，需分别按地下水位以上和地下水位以下计算。
（4）
式中：
— 气泡混合轻质土地面以上填筑厚度（m）；
— 气泡混合轻质土地面以下水位以上填筑厚度（m）；
— 气泡混合轻质土的湿容重（kN/m3）；
— 气泡混合轻质地下水位以下填筑厚度（m）；
—路面结构厚度（m）；
— 路面结构容重（kN/m3）；
—路基填土容重（kN/m3），一般取18~19；
—车辆荷载换算成填土荷载的等代厚度（m），一般取0.8；
—地基土的天然容重、饱水容重（kN/m3）。
上式中，h1、h2可以根据填土高度、地面高程、地下水位高程确定，只需要计算出h3即可得到气泡混合轻质土填筑总厚度。当地下水位埋深大或无地下水时，式中h3则取0。此时，则需计算出h2值即可确定气泡混合轻质土填筑总厚度h。
对于旧路改造，根据《高速公路改扩建设计细则》(JTG/T L11-2014)规定，拼宽部分路基工后沉降，应满足桥头处不大于5cm、通道涵洞处不大于10cm，其他一般路段不大于15cm的要求。则意味着对拼宽部分的路基处理及填料的要求更高，而本项目研究的气泡混合轻质土根据其自身的强度高、性质稳定，施工方便环保等优点，其接受度也是越来越高，在广东、浙江、天津等已应用十分广泛，相比粉煤灰、EPS等由于料源、环保等问题，实际使用量减少；相比水泥搅拌桩、堆载预压等方法，在施工工期上有明显优势，提高社会效益；在一定厚度范围内，造价低；在地基处理的施工时，不会对既有路堤或邻近构筑物产生挤土、振动的影响。
9、结论
气泡混合轻质土容重远远低于自然填土，可大大减少地基的附件应力。对于旧路拼宽，可缩小新旧道路的差异沉降。对于新建道路，进行等载换填加高，对下面路基几乎无影响。
硬壳层地质条件确定的情况下，利用气泡混合轻质土进行旧路基的加宽加高，为使路基工后总沉降满足要求，存在一个极限路基加高高度。
作者简介：李阳辉（1991—），男，彝族，云南宜良，工学学士，广东冠生土木工程技术有限公司，研究方向：工程新材料技术及应用
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