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【摘 要】非自重湿陷性黄土由于其固有的特性，对城市道路的危害较大，是道路设计人员不愿意遇见的土质。大部分的设计人员由于各种各样的原因，多数采用换填的处理方式。然而，对其实际需要换填的深度仅凭经验确定，不能根据地勘报告进行计算。因此本文以工程实例为基础，通过对非自重湿陷性黄土换填深度的计算，对其计算方法进行了阐释，希望能对今后的设计有所帮助。
【关键词】非自重湿陷性黄土；换填深度；城市道路
非自重湿陷性黄土在我国西北地区大面积存在。在自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后黄土的结构迅速破坏而发生显著下沉。湿陷性黄土具有湿陷性和易溶蚀、易冲刷、各向异性等工程特点，导致黄土地区的路基易产生多种问题及病害。然而，湿陷性黄土对城市道路的危害并未引起设计人员的足够重视。若是采用换填的处理方案，设计人员仅仅凭经验确定换填深度。甚至差异很大的起始压力，最终的换填深度竟然是一样的，造成了整个工程造价的大幅提高。本文针对此类现象，对非自重湿陷性黄土换填深度的计算进行了深入地阐释及说明，并以工程实例求解换填深度。希望此计算方法能被设计人员掌握，对以后的设计工作起到一定的借鉴作用。
1.工程实例
某市政道路工程全长约为2km，道路红线宽度为56米，等级为主干路。根据其详细勘察报告显示，拟建线路在K0+000～K1+700m段分布的粉土，具有湿陷性，属Ⅰ级非自重湿陷性土，湿陷起始压力在48～205kPa之间。
2.换填深度的计算及结果分析
2.1计算思路
非自重湿陷性黄土，顾名思义，是指黄土浸水后在饱和自重压力下不发生湿陷，只有在附加一定压力后浸水才发生湿陷的湿陷性黄土。而自重湿陷性黄土，是指黄土浸水后在饱和自重压力下就发生湿陷。根据其定义，可以轻而易举地知道，它的湿陷性跟本身的自重是没有关系的，只要保证非自重湿陷性黄土层的附加压力不大于起始压力，哪怕受水浸湿后也不会湿陷。若采用换填的处理方式，那我们的任务就是确定换填深度，保证黄土层上的压力不大于起始压力即可。
2.2城市道路设计中换填深度计算
通过以上的分析发现，既然非自重湿陷性黄土的湿陷性跟自重没关系，那就可以只考虑附加压力。而对于城市道路，附加压力基本上全部来自于车辆荷载。简言之，只要保证车辆荷载在黄土层产生的压力不大于起始压力即可。那接下来的任务就是计算车辆荷载在黄土层产生的压力。
车辆荷载在不同深度土层产生的压力：
其中：F=50kN；A=车辆荷载的扩散面积
根据现行的《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012），道路设计应以双轮组单轴载100kN为标准轴载进行设计，单轮重为50kN，此荷载值保持不变。
图1 车辆荷载产生的土层压力计算图式
从公式以及车辆荷载计算图式可以看出，车辆荷载对土层产生的压力，随着土层深度的增加，会越来越小。这是由于扩散角的存在，车辆荷载的扩散面积越来越大。
下文就以塔勒奇路的工程实例，分别根据起始压力的极限值，计算换填深度。
（1）初始压力下限值：48 kPa。
根据以上分析，需保证≤48 kPa，即扩散面积A≥1.041㎡
根据现行的《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012），单轴轮迹当量圆半径r为10.65cm，双轮中心间距为3r，车辆荷载的扩散角按照30°角进行计算。假设换填深度为h，则R1=0.1065m，R2=0.1065+0.63/ =0.47m，R3=（0.1065+（0.63+h）/ ）m。
代入上述公式；求得h≥0.03m
（2）初始压力上限值：205 kPa。
根据以上分析，需保证≤205 kPa，即扩散面积A≥0.244㎡
根据现行的《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012），单轴轮迹当量圆半径r为10.65cm，双轮中心间距为3r，车辆荷载的扩散角按照30°角进行计算。假设换填深度为h，则R1=0.1065m，R2=0.1065+0.63/=0.47m，R3=（0.1065+（0.63+h）/ ）m。
代入上述公式；求得h≥0 m
（3）路面结构层底的车辆荷载压力
其中：F：50kN；A=0.9893㎡
代入公式：P=50.6kPa
2.3计算结果分析
从以上计算结果可以看出，对于本工程的非自重湿陷性黄土，基本上不需要换填！极限情况下（起始压力48 kPa），换填深度只有0.03m。本文还特意对路面结构层底的车辆荷载压力进行了计算，达到了50.6 kPa。这就表明，非自重湿陷性黄土的起始压力大于50.6 kPa的路段，即可不进行处理。然而，设计人员设计时，全线换填深度均按照1.5m来进行设计。同时，计算中选取的一些参数，比如扩散角，本文选取的为30°，可根据换填的实际材料来确定；路面结构层厚度，本工程为主干路，路面结构厚度为0.63m，实际计算时，根据实际选用的路面结构厚度来确定。本文仅起到抛砖引玉的作用，但计算方法是完全一样的。
3.结语
通过本文论述发现，城市道路中非自重湿陷性黄土换填深度的计算并不复杂，甚至可以说比较简单。只要按照本文中的计算图式，然后利用CAD软件，即可轻松得到换填深度。然而，由于现在设计人员的技术能力参差不齐，以及从业态度等各种各样的原因，很多设计人员根本就不去计算，只是根据经验拍脑袋确定换填深度。当然，由于市政工程本身的特点，以及地质钻探的局限性和土工试验的差异，对工程预留一定的富余量是必须而且是应该的，但也不能盲目的一味的去追求富余量和安全度。本工程只是该区域众多道路中的一条，本道路地基处理的造价约为800万！若经过仔细核实计算，地基处理的造价将大大降低。同时，由于计算是工程设计系统的重要组成部分之一，因此，掌握正确的计算方法是很有必要的。希望本文能对以后的设计工作起到一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]林钢，李永前.湿陷性黄土路基处理浅谈〔J〕，科技情报开发及经济，2006，16（6）.
[2]罗宇生. 湿陷性黄土地基评价，岩土工程学报，1998，04.
[3]刘保健，谢定义，郭增玉.黄土地基增湿变形的实用算法，岩土力学，2004，02.
[4]苗天德 ，刘忠玉，任九生.湿陷性黄土的变形机理与本构关系， 岩土工程学报，1999，04.
[5]刘祖典，党发宁，胡再强.黄土湿陷变形量计算方法的改进，岩土工程技术，2001，03.
作者简介：张义（1981-），男，硕士研究生，工程师，主要从事桥梁、道路工程的设计研究工作。
【关键词】非自重湿陷性黄土；换填深度；城市道路
非自重湿陷性黄土在我国西北地区大面积存在。在自重压力与附加压力共同作用下，受水浸湿后黄土的结构迅速破坏而发生显著下沉。湿陷性黄土具有湿陷性和易溶蚀、易冲刷、各向异性等工程特点，导致黄土地区的路基易产生多种问题及病害。然而，湿陷性黄土对城市道路的危害并未引起设计人员的足够重视。若是采用换填的处理方案，设计人员仅仅凭经验确定换填深度。甚至差异很大的起始压力，最终的换填深度竟然是一样的，造成了整个工程造价的大幅提高。本文针对此类现象，对非自重湿陷性黄土换填深度的计算进行了深入地阐释及说明，并以工程实例求解换填深度。希望此计算方法能被设计人员掌握，对以后的设计工作起到一定的借鉴作用。
1.工程实例
某市政道路工程全长约为2km，道路红线宽度为56米，等级为主干路。根据其详细勘察报告显示，拟建线路在K0+000～K1+700m段分布的粉土，具有湿陷性，属Ⅰ级非自重湿陷性土，湿陷起始压力在48～205kPa之间。
2.换填深度的计算及结果分析
2.1计算思路
非自重湿陷性黄土，顾名思义，是指黄土浸水后在饱和自重压力下不发生湿陷，只有在附加一定压力后浸水才发生湿陷的湿陷性黄土。而自重湿陷性黄土，是指黄土浸水后在饱和自重压力下就发生湿陷。根据其定义，可以轻而易举地知道，它的湿陷性跟本身的自重是没有关系的，只要保证非自重湿陷性黄土层的附加压力不大于起始压力，哪怕受水浸湿后也不会湿陷。若采用换填的处理方式，那我们的任务就是确定换填深度，保证黄土层上的压力不大于起始压力即可。
2.2城市道路设计中换填深度计算
通过以上的分析发现，既然非自重湿陷性黄土的湿陷性跟自重没关系，那就可以只考虑附加压力。而对于城市道路，附加压力基本上全部来自于车辆荷载。简言之，只要保证车辆荷载在黄土层产生的压力不大于起始压力即可。那接下来的任务就是计算车辆荷载在黄土层产生的压力。
车辆荷载在不同深度土层产生的压力：
其中：F=50kN；A=车辆荷载的扩散面积
根据现行的《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012），道路设计应以双轮组单轴载100kN为标准轴载进行设计，单轮重为50kN，此荷载值保持不变。
图1 车辆荷载产生的土层压力计算图式
从公式以及车辆荷载计算图式可以看出，车辆荷载对土层产生的压力，随着土层深度的增加，会越来越小。这是由于扩散角的存在，车辆荷载的扩散面积越来越大。
下文就以塔勒奇路的工程实例，分别根据起始压力的极限值，计算换填深度。
（1）初始压力下限值：48 kPa。
根据以上分析，需保证≤48 kPa，即扩散面积A≥1.041㎡
根据现行的《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012），单轴轮迹当量圆半径r为10.65cm，双轮中心间距为3r，车辆荷载的扩散角按照30°角进行计算。假设换填深度为h，则R1=0.1065m，R2=0.1065+0.63/ =0.47m，R3=（0.1065+（0.63+h）/ ）m。
代入上述公式；求得h≥0.03m
（2）初始压力上限值：205 kPa。
根据以上分析，需保证≤205 kPa，即扩散面积A≥0.244㎡
根据现行的《城市道路工程设计规范》（CJJ 37-2012），单轴轮迹当量圆半径r为10.65cm，双轮中心间距为3r，车辆荷载的扩散角按照30°角进行计算。假设换填深度为h，则R1=0.1065m，R2=0.1065+0.63/=0.47m，R3=（0.1065+（0.63+h）/ ）m。
代入上述公式；求得h≥0 m
（3）路面结构层底的车辆荷载压力
其中：F：50kN；A=0.9893㎡
代入公式：P=50.6kPa
2.3计算结果分析
从以上计算结果可以看出，对于本工程的非自重湿陷性黄土，基本上不需要换填！极限情况下（起始压力48 kPa），换填深度只有0.03m。本文还特意对路面结构层底的车辆荷载压力进行了计算，达到了50.6 kPa。这就表明，非自重湿陷性黄土的起始压力大于50.6 kPa的路段，即可不进行处理。然而，设计人员设计时，全线换填深度均按照1.5m来进行设计。同时，计算中选取的一些参数，比如扩散角，本文选取的为30°，可根据换填的实际材料来确定；路面结构层厚度，本工程为主干路，路面结构厚度为0.63m，实际计算时，根据实际选用的路面结构厚度来确定。本文仅起到抛砖引玉的作用，但计算方法是完全一样的。
3.结语
通过本文论述发现，城市道路中非自重湿陷性黄土换填深度的计算并不复杂，甚至可以说比较简单。只要按照本文中的计算图式，然后利用CAD软件，即可轻松得到换填深度。然而，由于现在设计人员的技术能力参差不齐，以及从业态度等各种各样的原因，很多设计人员根本就不去计算，只是根据经验拍脑袋确定换填深度。当然，由于市政工程本身的特点，以及地质钻探的局限性和土工试验的差异，对工程预留一定的富余量是必须而且是应该的，但也不能盲目的一味的去追求富余量和安全度。本工程只是该区域众多道路中的一条，本道路地基处理的造价约为800万！若经过仔细核实计算，地基处理的造价将大大降低。同时，由于计算是工程设计系统的重要组成部分之一，因此，掌握正确的计算方法是很有必要的。希望本文能对以后的设计工作起到一定的借鉴作用。
参考文献：
[1]林钢，李永前.湿陷性黄土路基处理浅谈〔J〕，科技情报开发及经济，2006，16（6）.
[2]罗宇生. 湿陷性黄土地基评价，岩土工程学报，1998，04.
[3]刘保健，谢定义，郭增玉.黄土地基增湿变形的实用算法，岩土力学，2004，02.
[4]苗天德 ，刘忠玉，任九生.湿陷性黄土的变形机理与本构关系， 岩土工程学报，1999，04.
[5]刘祖典，党发宁，胡再强.黄土湿陷变形量计算方法的改进，岩土工程技术，2001，03.
作者简介：张义（1981-），男，硕士研究生，工程师，主要从事桥梁、道路工程的设计研究工作。