刘平 LIU Ping；刘长有 LIU Chang-you
（中国海外工程有限责任公司，北京 100048）
摘要： 以巴布亚新几内亚Mendi-Kandep公路为背景，介绍了在热带多雨地区资源匮乏的情况下公路软基处置的换填垫层法和土工织物加固法结合使用的效果，说明这种方法的有效性和经济性，同时通过现场试验确定了土工织物的布设及受力特点，并对垫层尺寸的计算方法进行了说明。
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关键词 ： 公路软基；土工织物；换填法
中图分类号：U418.5 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）03-0107-03
作者简介：刘平（1981-），女，河北沧州人，工程师，硕士，研究方向为公路施工技术；刘长有（1981-），男，河北承德人，工程师，硕士，研究方向为公路施工与管理。
0 引言
Mendi-Kandep公路项目位于巴新南高地省，该地属热带雨林地区，常年多雨且降雨量较大，历史最大日降雨量在300mm以上，项目沿线软基分布较广且软土性质很差，经轻型动力触探仪测定，标准入土深度30cm的锤击数仅10~25次。由于原设计图中未对软基提出处理方案，因此项目部设置了试验段就本路段软基处置方案进行论证。由于Mendi当地的建材极为匮乏，很多材料需要从莱城运输，从Mendi派车运输一趟材料需要近一周的时间，考虑到以上现场的情况项目部提出了采用部分翻晒换填并加设土工织物的处理方法。
1 换填及土工织物加筋作用
在软土路基的众多加固方法中，换填和土工织物加固相对于使用各类桩加固软土路基而言有着较大的优势，首先动用的机械设备简单并且数量较少，工艺也相对简单；其次相对于桩体加固路基而言路基土换填成本较小；最后，对于像本文涉及的工程所在地等材料不易取得的偏远地区，换填土可以就地取材或对本地材料进行改善使用。
长期的工程实践也表明土工织物加固软土路基时性能优良、价格低廉，而且使用限制少而被广泛采用，对于提高软基承载力，减少路基沉降有比较明显的效果；路基软土换填垫层法是根据工程软基土的特性，对部分软土进行挖处后再铺设一定厚度的砂石或素土垫层，最后再在垫层上回填强度较大、压缩性小的改良土或其他类型填料以改善地基的承载能力和沉降特性的软基加固方法[1]。
换土垫层及土工织物对软土路基的作用主要表现在以下几个方面：
①提高地基承载力：地基的承载力主要取决于地基土层的抗剪强度，一方面换填路基土和铺设砂石或素土垫层可以有效改善软土路基的抗剪强度，另一方面在路基中加设土工织物，承载力与地基下土层的抗剪强度有关，换填土及砂、碎石等填筑材料抗剪强度较软土层高，因此可提高地基承载力[2]。
②加速排水固结，提高地基稳定性：在软土上铺设砂石垫层等透水性好的材料，在上层荷载的作用下，孔隙水可通过垫层迅速排出，消散了孔隙水压力，使得下层的软土固结从而地基稳定性，另外相关的研究表明，在路基中加设土工织物后采用圆弧滑动法计算路基的稳定性安全系数时有明显提高。
③减小路基沉降：换填垫层法一方面通过利用压缩性很小的换填土置换压缩性较大的软土减少了路基的沉降量，另一方面通过铺设砂石垫层达到排水固结的作用，在施工期排水固结可以最大程度上释放软土的沉降空间，避免在道路修筑完成后因为路基沉降而造成路面破坏；土工织物不仅可以提高土基的整体性还可以通过自身拉伸变形及与土体的摩擦作用减少中心沉降，从而达到降低路基的不均匀沉降的目的[3]。
2 垫层设计
路基垫层的设计须满足路面对路基沉降变形及路基承载力的要求，同时要求满足一定的经济性要求，垫层的设计是指对垫层厚度和宽度的确定，垫层的厚度取决于软土层的抗剪强度，保证在垫层的作用下软土可以承受上层荷载作用而不发生剪切破坏，垫层须有一定的宽度以保证在上层荷载的作用下下层软土不会出现从两侧挤出而产生破坏，并要求有足够的排水固结效果。
2.1 垫层厚度的确定 垫层厚度指标要求垫层底面以上包括垫层自重、垫层上填土自重以及道路承载力设计标准之和小于垫层下方软土的承载力[4]，具体要求如下：
bD—垫层底面宽度(m)；
h—垫层厚度（m）；
β—垫层扩散角（°），取值参见表1。
2.2 垫层宽度的确定 垫层宽度应满足应力扩散的要求，具体可按式（3）来计算求得：
bD=b+2htan β （3）
式中：bD—垫层底面宽度（m）。
垫层顶面每边宜超出基础底边不小于300mm，或从垫层底面两侧向上按标准放坡，同时整片垫层的宽度应根据施工的要求适当放宽。
3 土工织物加筋设计
当垫层上填土厚度逐步增大时填土自重在地基内产生垂直和侧向应力，并且应力大小呈现中间大逐渐向两侧延伸减小的分布，在这种同一截面不同位置上的应力差异的作用下，路基的沉降也呈现出中心沉降大而两侧沉降逐渐减小的情况，甚至在路基两侧出现凸起，在这种作用下埋设在填土中的土工织物会协同土基下沉而出现变形，这种变形使得土工织物产生一定应变并反作用于其周围土体产生对土体的锚固作用[5]。土工织物的锚固作用的强弱取决于在填土施工过程中填土的压实度，填土压实度越高其锚固效果越好，从而发挥了土工织物对于路基填土的加筋作用。有研究表明，在实际填土的作用下土工织物的应力分布也呈现中间大并且向两侧递减的分布，这也说明了土工织物与路基填土变形是协同的，土工织物对于填土有加筋作用。
为了确定土工织物的最优布置，本次试验选取了四个典型的试验段，其中ACh22+080m路段为自然填土路段，其路基填土未设置土工织物，完全反应填土的自然沉降结果；BCh22+560m路段在垫层底部铺设一层土工织物，用于测定在土工织物最少的情况下路基的沉降情况；CCh22+920m路段为在垫层底面、表面及0.5m填土范围内满铺1层土工织物的三层试验段；DCh23+400m路段为在垫层底面、表面及每隔1m各铺满1层土工织物的多层补强路段。试验路堤填筑材料为轻亚粘土，每次填土厚度为0.5m，碾压后的干重度要达到15.5kN/m3。同时在路基填土埋设沉降观测仪器及沉降板、土工织物位移计等监测装置用以测定在不用土工织物作用下路基的沉降特性。
从图2中可以看出，A试验段由于没有土工织物的加筋作用，路段中心沉降较大，同时两侧土体拱起明显，并且在初期一周之内发展较快，后期发展速度减缓，以试验段A作为基准路段，用以比对不同土工织物布设方式对其他路段的加筋作用。B试验段在沉降发展初期与试验段A相似，但一周后沉降发展速度减缓较为明显，说明土工织物在沉降发展到一定阶段后其加筋作用开始凸显，后期沉降较小，同时路基两侧的拱起也较小；C试验段在初期的沉降较A试验段较大，这是因为在初期加设土工织物而需要加强碾压的原因使得路基压实较好，于此同时沉降发展较为缓慢，在经过10d的自然沉降之后，土体的沉降基本趋于稳定，后期的沉降发展极为缓慢，而两侧土体在碾压和土工织物的作用下变形很快就趋于稳定；D试验段土工织物层数较多，从沉降发展趋势可以看出，在经过碾压后立即达到较大值，并且后期沉降发展极为缓慢，在经过一周自然的缓慢沉降后基本达到稳定，后期不再发展，其两侧拱起也有类似规律。综合上述不同土工织物加固方案沉降发展的状况，结合经济分析，本工程适合采用第三种加固方案，既可以保证土体在施工后较短的时间内达到稳定又可以保证工程的经济性。
4 工程实例
4.1 地质情况 该路段设计填土高度为3.5m，地下水距地表1m，地区土质分层从上至下为：
①0.5~1.2m的黏土，重度17.5kN/m3；
②5~8m的淤泥与淤质粘土层软土，重度17.8kN/m3，含水量W=63.3%~116.5%，天然孔隙比1.344~2.122，压缩系数2.55~4.71MPa-1；
③粘土及中砂层，硬度较好，可作为持力层。
4.2 方案的确定 按挂车-100进行验算，根据图3受力，布置挂车四辆，荷载为55.7kPa，换算土层厚3.09m，容重18kN/m3，为路基宽度×计算宽度=17m×11.2m，采用挖除软土铺设砂垫层后，在此基础上结合土工织物借土回填至设计标高，经研究分析确定采用砂垫层处理方案。
4.3 实测路基沉降结果 在工程实际处理路段取任一里程Ch25+230m处埋设沉降板观测路基的沉降情况如图4所示，由图中可以看到采用了换填垫层和土工织物加固后路基沉降表现出以下特性，在路基填筑完成后一周内路基中间部位沉降速度较快，一周内沉降量达到逾40mm，路基两侧拱起达到25mm，经过这一时间段沉降后一方面填土自然沉降过程趋于停止，另一方面土工织物在路基沉降的过程中变形受力从而产生了对路基填土的加筋作用，并且在一周后基本达到稳定，后期的沉降发展极为缓慢，并且从最终的沉降发展来看，其沉降也能达到相关标准和设计的要求，说明所采取的路基处置方案可行。
5 结论
本文以巴布亚新几内亚Mendi-Kandep公路为背景，介绍了在热带多雨地区资源匮乏的情况下公路软基处置的换填垫层法和土工织物加固法结合使用的例证，证明了这种方法的可行性，主要有以下几个方面的结论：①在热带多雨地区软土层较厚的情况下采用挖处上层软土后换填翻晒土或其他填筑材料并且在其中布置土工织物加筋对于处置道路软土路基效果较好，并且相较于采用各种桩加固软基而言较为经济。②在采用土工织物处置软土路基时可根据规范、设计要求沉降控制量对土工织物的布置方式进行验算，必要时可设置试验段进行现场试验，在换填垫层上下设置的土工织物对减少沉降比较有效。③垫层的尺寸特性应根据简算反复校核、调整，使得垫层厚度在保证工程质量的前提下尽可能减小，可有效降低工程造价。
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参考文献：
[1]董永竞.东新高速公路工程软土路基施工技术研究[D].西安：西安工业大学硕士学位论文，2014，4.
[2]唐洪祥.土工织物补强软基的作用机理与整体稳定性分析[J].北京：岩土力学，2005，12.
[3]张彤宇.土工织物应用性能研究[D].天津：天津大学硕士学位论文.
[4]鞠恩林.换填法在公路软土地基处理中的应用研究[J].北京：交通标准化，2009，2.
[5]刘金龙，栾茂田.土工织物加固软土路基的机理分析[J].北京：岩土力学，2007，5.