张军，杨杰 （安徽省综合交通研究院股份有限公司，安徽 合肥 230031）
软土是指天然含水率高、天然孔隙比大、抗剪强度低、压缩性高的细粒土，包括淡泥、泥质土、泥炭、泥炭质土等，一般采用天然孔隙比和天然含水量作为基础判断指标。在软土地基上建造工程一般会有两个方面的问题，一是由于软土地基的剪切强度过低以至于不能够承受上部建筑物施加的荷载时发生地基的整体或者局部的剪切破坏，造成地基的塌陷、失稳进而影响上部建筑物的安全稳定；
另一方面由于软土本身的高含水率，大孔隙比的特征，在承受来自上部建筑物的荷载时，一般会产生较大的沉降变形，尤其是与相邻构筑物之间产生过大的差异沉降时，对建筑物的安全稳定造成非常大的安全隐患[1-4]。
排水管道设计中，对管道基础底部承载力一般有较为严格的要求，尤其当管道穿越软土地基区域时，软弱土层的天然承载力远不能满足管道设计要求，因此必须对基底软弱土层进行处理，结合施工技术、经济、工期等因素，浅层换填处理管道基础软弱地基的方案在该类工程运用广泛，而结合计算合理确定换填深度就成为设计方案中的重点[5-6]。
一般工程设计中对换填厚度的计算主要有路基荷载工作区算法、地基承载法、HPDS 程序计算法，结合工程经验，本次分析研究采用地基承载法进行计算[7-11]。《公路软土地基路堤设计与施工技术细则》（下文简称《细则》）5.26 条规定了小型构造物处的浅层处理法换填垫层厚度的计算要求[12]，通过应力扩散原理计算换填垫层底的附加应力与自重应力之和与经深度修正后地基承载力特征值进行比较，从而换填方案提供依据。
本文结合某排水管道穿越软土地基的工程实例，对基底垫层的换填厚度进行分析计算，对垫层底应力及承载力变化趋势进行整理分析，为一般工程中换填厚度确定提供一些参考。
1.1 道路概况
该建设工程为某道路改建工程，同时对道路两侧的管道进行新增、改造设计。雨水管道采用单侧布管，K0+000～K1+300 为新建雨水管道段；
K1+300～K1+627.5 为保留利用现状雨水管道段，现状破损和堵塞的雨水口及雨水口连接管需进行更换和清淤。
1.2 地形地貌
软土分布区地貌单元为江淮波状平原区，微地貌为河漫滩，地势平坦，地面标高一般在17.10m～22.30m之间。
1.3 水文地质
本次勘察地下水，属于上层滞水，埋深较浅，区内地下水埋深约1.4m。根据区域地质资料，地表水对混凝土结构和钢筋混凝土中的钢筋均具有微腐蚀性。
1.4 地质构造
软土分布区及其附近无活动断裂经过。场地稳定性较好。
1.5 地震
根据《中国地震动参数区划图》（GB18306-2001），本场地的地震动峰值加速度为0.05g。
场地类软土发育于波状平原区，分布 于 K0+130～K1+044 段，总 长914.0m，均两端尖灭，②层软土层厚0.5m～7.6m，下卧层为③层粉质粘土。
区内分布的软土主要由淤泥质粉质粘土和粉质粘土组成。②层软土的压缩模量Es0.1-0.2=3.68MPa，比贯入阻力ps=0.67MPa；
③层软弱土的压缩模量Es0.1-0.2=4.27MPa，比 贯 入 阻 力ps=1.02MPa；
下卧层④层粉质粘土的压缩模量Es0.1-0.2=6.17MPa，比贯入阻力ps=1.46MPa。
本路段均为填方路基。由于软土沉积时间短，固结性差，具有含水量大、压缩性高、承载力低、渗透系数小、易变形等特点，工程性质差。由于软土层的容许承载力低，易引起路堤失稳或沉降过大，不能满足公路工程建设的需求。易造成构筑物开裂、路基变形、路堤滑移等危害，破坏工程的整体性。应对相间分布工程地质性质差的软弱土层等进行处理，确保工程安全。
根据勘察结果，推荐地基处理设计参数详见表1。
软土地基设计参数推荐表 表1
3.1 工程设计方案
选取K0+230 至K0+830 段特殊路基处理段落作为研究对象，地勘资料揭示，该段软土层最厚达3m～10m，连续分布，②层软土承载力60kPa～80kPa。
雨水管道采用单侧布管，管道敷设在南侧行车道下，一般段距道路中线5.0m。K0+000～K1+300 为新建雨水管道段，K1+300～K1+627.5 为保留利用现状雨水管道段，现状破损和堵塞的雨水口及雨水口连接管需进行更换和清淤。
排水管道采用Ⅱ级钢筋混凝土承插口管，管材应符合《混凝土和钢筋混凝土排水管》（GB/T11836-2009）要求。管道接口采用橡胶圈接口，参见《市政排水管道工程及附属设施》（06MS201-1，P23）。管道基础采用180°砂石基础，参见《市政排水管道工程及附属设施》（06MS201-1，P11）。
管道设计对管道基础承载力有具体要求，一般要求原状土地基到管道基础支撑强度要求，如不满足则应经处理后回填密实的地基，本段管道对基础地基的要求为地基承载力特征值不小于100kPa，且一般经验要求在管顶覆土不大于5m 时，管道沟槽地基承载力不小于110kPa，在管顶覆土大于5m时，管道沟槽地基承载力不小于125kPa，软土地基的承载力明显不能满足设计要求，因此需要对基底不满足设计要求的地段应进行换填处理。
3.2 换填方案计算原理
3.2.1换填厚度计算
设置小型构造物，浅层处理法换填垫层的厚度宜根据构造物的要求确定，并符合式（5.2.6-1）～式（5.2.6-3）的要求。
pz：相应于荷载效应标准组合时,垫层底面处的附加应力(kPa)；
Pcz：垫层底面土的自重应力(kPa)；
fak：垫层底面经深度修正后的地基承载力特征值(kPa)；
b：矩形基础或条形基础底面的宽度(m)；
l：矩形基础或条形基础底面的长度(m)；
Pk：相应于荷载效应标准组合时,基础底面的平均应力(kPa)；
Pc：基础底面土的自重应力(kPa)；
z：基础底面下垫层的厚度(m)；
θ：一垫层的应力扩散角(°)，宜通过试验确定，无试验资料时，可按表2 取用。
应力扩散角θ(°) 表2
3.2.2换填宽度计算
5.2.77 垫层底面的宽度b 应满足基础底面应力扩散的要求，可按式(5.2.7)确定。
b"=b+2ztan0(5.2.7)
式中:0——应力扩散角，可按表5.2.6取用；
当z/b＜0.25 时，仍 按/b=0.25 取z值。
3.3 管线基底承载力计算
管道基础为条形基础，管道内径60cm，管壁厚6cm，基础底宽172cm，管底至基础底距离C1 为10cm，管顶覆土4.6m，覆土容重19.1kN/m3，作用在基础上的荷载为87.86kN/m2。
基础及基础上土的平均重度20kN/m3，取换填碎石厚度为1.5m，其干密度1.62kg/cm3。
基础底面处基底平均应力为：
3.4 承载力修正
根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）要求，当基础宽度大于3m 或埋置深度大于0.5m 时，从载荷试验或其他原位测试、经验值等方法确定的地基承载力特征值，尚应进行修正。
γ——基础底面以下土的重度(kN/m)，地下水位以下取浮重度；
b——基础底面宽度(m)，当基础底面宽度小于3m 时按3m 取值，大于6m时按6m取值；
mγ——基础底面以上土的加权平均重度(kN/m²)，位于地下水位以下的土层取有效重度；
d——基础埋置深度(m)；
考虑到两点原因：管线基础为典型的条形基础；
基础埋置土层为淤泥质土，根据承载力修正系数参考表，当土层为淤泥及淤泥质土时，基础宽度地基承载力修正系数取0。因此管道基础的地基承载力修正只进行深度修正[13]。
将dη=1及各参数代入公式：
基础底的修正后的承载力特征值为：
计算结果明显可见如果管道基底不进行处理采用原状土地基，原状软弱土层的承载力远不能满足管道基础对于基底承载力要求。
3.5 换填计算
假定换填垫层厚度为1.5m，结合上述公式1进行计算，
垫层底面处附加压力：
计算显示，当换填深度为1.5m 时，深度修正后垫层底的承载力特征值能够满足基础底附加应力及自重应力的要求，但并不能满足设计文件中且在管顶覆土不大于5m 时，管道沟槽地基承载力不小于110kPa的要求。
继续对换填深度为3.0m进行计算
垫层底面处附加压力：
pz=1.72×（101.86-13.37）/（1.72+2×3×tan30°）=29.36（kPa）
垫层底面处自重应力：
pcz=0.7×20+3×16.2=62.6(kPa)
pz+pcz=16.95+68.45=91.96(kPa)
进行深度修正后的垫层底面的承载力特征值：
计算显示，当换填深度为3m 时，深度修正后垫层底的承载力特征值能够满足基础底附加应力及自重应力的要求，并能满足设计文件中且在管顶覆土不大于5m 时，管道沟槽地基承载力不小于110kPa的要求。
经过进一步计算当换填深度为2.3m 时深度修正后垫层底的承载力特征值能够满足110kPa的承载力要求，同时满足基础底附加应力及自重应力的要求。
结合计算结果，考虑一定程度的设计富余，建议换填厚度不小于2.5m。
对不同换填深度时，垫层底的附加应力及自重应力与垫层底的承载力进行计算，对变化趋势进行分析。
相应制作变化图表如图2、图3 所示。
图2 垫层底应力与修正的承载力特征值随换填厚度变化趋势图
图3 应力与修正的承载力特征值比值随换填厚度变化趋势图
由图1、图3 分析可见，随着换填厚度增加，附加应力及自重应力之和以及深度修正的承载力特征值整体上呈正相关性。
图1 管道基础结构图
附加应力与自重应力之和随着厚度增加呈现先降低后增加的变化趋势。分析认为，换填厚度增加前阶段，附加应力扩散的趋势大于换填垫层本身的自重应力增加，随着垫层厚度增加，附加应力进一步扩散，合力变化主要来自垫层厚度增加而增加的自重应力。
根据二者比值随厚度变化的图表分析可见，随着垫层厚度增加，在换填厚度达到2.0m 时，二者比值趋于稳定在78%左右，即继续增加换填厚度，并不会提供更高的承载力富余。在达到平稳后，如果对于承载力有特殊要求，则可主要根据深度修正后的承载力特征值与要求的承载力进行比较来确定需要换填深度。
举例本次分析中，管线基础在换填深度为1.0m 时，深度修正后的承载力特征值，已经能够满足附加应力及自重应力的要求，且随换填深度增加，在堤岸层厚度达到2.0m 后，二者比值趋于稳定，但设计时依据经验要求，要求管线基地承载力不小于110kPa，则继续根据深度修正进行承载力修正，换填深度在2.5m左右时，才能满足承载力值大于110kPa的要求。
①为保障管道的安全稳定，穿越软土地基段落的管道应结合计算来确定基础换填厚度，基本控制原则为换填垫层底的附加应力与自重应力之和应小于垫层底经过修正的承载力特征值。
不同换填厚度的计算结果 表3
②随着换填厚度增加，附加应力及自重应力之和以及深度修正的承载力特征值整体上呈正相关性。附加应力与自重应力之和随着厚度增加呈现先降低后增加的变化趋势。
③随着垫层厚度增加，在换填厚度达到某一厚度后，附加应力与自重应力之和与修正后的承载力特征值的比值趋于固定的百分比，继续增加换填厚度，并不会提供更高的承载力富余。
④当对基础底承载力有额外要求，计算厚度已大于③中的厚度时，可采用修正后的承载力特征值与要求的承载力值计算进行厚度控制。
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