刘保成　宋吉祥

(中铁二十二局集团第四工程有限公司)



用置换法处理涵洞浅层软弱地基

刘保成宋吉祥

(中铁二十二局集团第四工程有限公司)

涵洞基础设置于富水性软土层上时面临水害和地基承载力不足的双重威胁，为此，以某铁路DK80+842涵洞为例，分析了砂石料换填的优越性，推导了砂石料换填基本参数的计算公式，根据现场施工工艺和施工过程，对涵洞软基处理的关键点进行了详细分析，供相关研究参考。

置换法涵洞施工软弱地基

黄河三角洲地区的浅层地表广泛分布有黄河淤积形成的富水性软土层，该类地层具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、抗剪强度低等特点，是影响涵洞施工质量的关键因素之一[1-2]，同时高地下水位的存在对涵洞基坑开挖形成了较大威胁。随着学术界对软基处理研究的不断深入，大量成果不断涌现，但由于软土地层情况复杂，实践研究尚有较大的发展空间[3]。本研究以某铁路DK80+842涵洞地质条件为例，对涵洞富水性软弱地基砂石换填控制的关键点进行详细分析。

1　工程概述

某铁路经过段为滨海冲积平原区，地貌属滩涂盐碱洼地，为第四系冲积及海陆相交互地层。部分路段存在软塑的粉质黏土、淤泥质土，承载力相对较低，地下水为第四系潜水，地下水位埋深1.2～1.8m，地下水环境类别为氯盐环境和化学侵蚀环境(以硫酸盐和镁盐侵蚀为主)。DK80+842涵洞为一孔(孔径6m)箱型涵洞，立交兼灌溉使用，地面标高4.1m，涵洞基础底标高2.8m，地下水位标高2.3m，其工程地质特征见表1。

表1　DK80+842涵洞工程地质特征

由表1可知：DK80+842涵洞设计地基承载力为150kPa，涵洞基础下方土层容许承载力为130kPa，故需对涵底进行处理。

2　地基处理设计

目前常用的涵洞软弱地基处理方式为浅层加固法、置换法和水泥搅拌桩加固法[4]。考虑料源、施工成本等方面的因素，本研究采用置换法，即1∶2 砂石换填方案。

2.1砂石置换的优越性

砂石换填方式的基本原理是将砂石料整体代替基底软土作为涵洞基础的持力层[5]，适合处理地基承载力和变形特性均无法满足框架涵要求的浅层软弱地基。当涵洞基础形成的附加应力通过持力层向下传递时，附加应力会以一定的角度向持力层四周扩散，同时持力层会吸收部分附加应力，因此穿过持力层的应力会不断减少[6]。

(1)提高地基承载力。地基承载力的大小与地基成分的抗剪强度密切相关，砂石垫层的抗剪强度明显大于基底软土的抗剪强度，将涵洞基础下方一定范围内的软土置换为砂石垫层，有助于提高涵洞基底的地基承载力。

(2)减少涵洞整体下沉量。涵洞基础下方持力层的变形破坏是导致涵洞沉降变形的主要原因[7]，砂石垫层的抗变形能力明显强于软土，因此将砂石垫层作为持力层可明显减少涵洞的沉降变形量，同时砂石垫层持力层对涵洞附加应力的吸收和分散，有助于显著降低持力层下方的软土变形量。

(3)加速地基的排水固结。当基础下方地下水位埋藏较浅时，地下水易导致涵洞地基土发生塑性破坏。涵洞下方的砂石垫层可作为一个良好的排水通道，迫使地基下方的孔隙水压迅速消失，加速涵洞基础下方软土层的固结。

2.2砂石换填的厚度设计

砂石垫层厚度主要考虑软弱土层的厚度和下卧层的承载能力，其极限条件为[8]

(1)

式中，P1为载荷效应标准组合时垫层底面处的附加压应力，kPa；Pz为垫层底面土的自重压应力，kPa；k为地基承载力修正系数，本研究k=1；[σ]为垫层下方软土的地基容许承载力，kPa。

P1的取值与涵洞的形状密切相关，将涵洞基础视为一矩形，不考虑相邻涵洞基础的影响，则有：

(2)

式中，b为涵洞矩形基础底面宽度，m；Pk为基础底面的平均压力，kPa；Pc为垫层底面处土的自重压力，kPa；a为垫层厚度，m；φ为压力扩散角，(°)。

Pk计算公式为[9]

(3)

式中，G1为涵洞框架、基底垫层混凝土及附加土柱的自重，kPa；G2为涵内水压力，kPa；G3为活载土压力，kPa。

本研究涵洞采用整体式基础，根据《铁路工程设计技术手册》规定，地基承载力检算时，Pk=150kPa。

Pc计算公式为

(4)

式中，γ为土的容重，kN/m3；H为垫层混凝土的底埋深，m。

Pz计算公式为

(5)

式中，γD为砂石料的容重，kN/m3；h为砂石料垫层厚度，m[10]。

[σ]计算公式为

(6)

式中，σ0为砂石垫层下方土的承载力，kPa；γ2为基底以上土的容重加权平均值，kN/m3。

本研究涵洞的基本参数取值为：b=7.34m，a=0.2m，H=1.3m，φ=38°，γ=18kN/m3，γD=21kN/m3，γ2=16.5kN/m3，σ0=130kPa，将该类参数代入式(1)～式(6)得，h=1.76m。因此，本研究施工中选取砂石料的换填厚度为1.8m。

3　砂石换填施工工艺

(1)基坑处理。由于该涵洞基坑底标高低于地下水位标高，基坑按要求尺寸和标高开挖完毕后，应首先处理基坑内部积水，防止积水影响基坑承载力。涵洞基坑底部用机械碾压整平，并检测压实系数kh、地基系数k30。

(2)分层铺筑砂石并夯实。回填砂石料按设计配比拌合均匀后运至施工现场，用重型机械分层碾压铺砌，分层铺填的砂石应级配均匀，单层厚度不超过30cm，碾压均匀密实无松软后铺砌砂石料，待砂石料总分层厚度达到90cm时，检测换填料的地基系数k30。

(3)整体碾压找平。当最顶层砂石料碾压(夯)完毕后，表面应拉线找平至设计标高，整体碾压后检测换填砂石料整体的地基系数k30。换填过程中换填砂石料检测标准见表2。

表2　换填砂石料压实标准

4　基坑换填控制关键点

(1)基坑处理。基坑处理是确保涵洞基础稳定的关键，现场情况表明，水害和基坑壁坍塌是基坑稳定的主要威胁。对水害的处理应坚持“排堵结合”原则，基坑开挖和砂石料换填的整个过程中应及时抽水，基坑坑底及四周湿喷5cm厚砂浆，砂浆外表面喷涂5mm厚沥青封堵水源。基坑壁坍塌是涵洞基坑处于稳定三向高应力状态土层向基坑内部应力释放，导致裂隙不断发育，多个小裂隙继续发育形成贯通裂隙的结果[11-12]。现场施工过程中应尽量缩短基坑开挖和换填的时间，基坑壁坍塌较严重时用工字钢加固或锚杆配合铁丝网湿砂浆。

(2)换填料质量控制。砂石料的质量及拌合的均匀性直接决定了砂石料的承载能力，砂石料应经检测合格后按配比拌合均匀，经再次检测合格后方可运至施工现场。现场料场须硬化处理，风沙较大时砂石料须用薄膜覆盖，实时监测砂石料的含水量、含泥量。

(3)换填过程控制。换填过程包括换填料倒运、回填和碾压的全部过程，砂石料由料场倒运至基坑内的过程中易掺入砂土，须随时监测换填料的含泥量，发现质量不合格时应及时清退。回填过程中主要采用挖掘机作业，挖掘机作业前后须及时处理履带上的附着物，有效控制单次换填厚度和碾压速度。

(4)整平过程控制。整平过程应采用机械配合人工的方式，当实际标高与设计标高相差小于30mm时直接使用砂料找平，相差超过30mm时，须使用原换填料，找平前后须再次碾压并检测承载力。

5　结　论

(1)砂石料换填法处理富水性软土地基具有提高地基承载力、减少涵洞整体下沉量和加速涵洞基础排水固结等优势。

(2)砂石垫层的厚度主要考虑软弱土层的厚度和下卧层的承载能力，换填施工基本工序包括基坑处理、分层铺筑砂石并夯实、整体碾压找平。

(3)涵洞基坑换填施工控制的关键点主要包括基坑处理、砂石料质量控制、换填过程控制和整平过程控制等。

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2016-05-23)

刘保成(1990—)，男，助理工程师，硕士，301700 天津市武清区。