城市道路路基设计的方法与要点及实例分析
2019-09-10樊立
樊立
摘要：本文结合芜湖市长江南路的工程实例，根据实际情况论述了该条路段的路基设计方法，提出了相关解决方法以及要求，总结设计方法，并且对路基边坡防护措施和方法进行了探讨。
关键词：新时期;城市道路;设计
引言
路基是按照道路路线和横断面要求修筑的带状结构物，是路面结构的基础，路基要承受路面结构的自重以及行车、行人与非机动的重量，还需要承受气候变化、地表及地下水位变化所造成的水温影响。路基设计时，必须使路基具有足够的强度、整体稳定性及耐久性。以下结合芜湖市长江南路阐述城市道路路基设计要点。
1、工程概况
长江南路为芜湖市区通往三山区、芜湖长江大桥开发区新区的一条南北向城市主干道，工程南起临江工业园区的华电大道交叉口，北至峨山路交叉口，总长17.87Km。道路红线宽度为60米，设计时速为设计时速：70Km/h，双向8车道。道路主要穿过农田、沟塘路段，存在大量软土路基。
2、路基设计原则
在城市道路工程的路基设计工作中，要确保设计工作符合工程建设规范，就必须按照一定的基础原则开展相关的规划。其一，城市中的道路不仅要确保交通的安全与顺畅，还要考虑到城市的美化以及整体观赏性，这是城市发展中文化进步和市容改进的客观要求，所以在路基的规划布局中就要从基础上保证道路外貌的呈现，能够反映出一座城市的文化风貌和特性品格，要突出特色设计要点，并且要遵守环保这一基本原则，保护好城市的生态环境，让道路的存在使得城市更加美丽，人们出行更加便捷。其二，要确保道路符合城市规划和各区域发展产生的需求，满足城市交通的基本条件，对于路基的强度、厚度等各项指标进行分析与研究，根据城市道路的通行标准来设置相应的指标参数。要充分的利用城市有限的土地资源，尽量避免耗费过多的土地资源，从城市整体布局的大局处着眼，用长远的发展眼光来看待路基设计工作中的各项要求和出现的问题。所以设计人员要切实遵循实用性与科学性的原则。其三，城市道路建设也要遵循当地市场发展的客观规律，要与当地的经济和社会发展水平相适应，遵循市场化的相关原则，确保交通道路的多元化用途，为其他市政建设留下空间和余地，实现最大化的社会发展效益以及市场经济效益。
3、城市建设道路中路基设计策略分析
3.1、路基基础处理的方案设计
城市基础具有很多软弱地层，在这些地层上建设道路，需要关注路基基础的特性。以软土为例，软土路基的力学性能差，如果没有经过处理或者处理不当，对施工过程以及整个道路的运营阶段都有很大的安全威胁。首先，软土路基的孔隙率高、压缩性强，使得路基基础产生永久性的塑性变形，以及很大的不均匀沉降，很容易造成路面施工及运营过程中的局部塌陷问题;其次，软土路基的流变和触动性大，使得路基结构在车辆荷载，特别是重载车流作用下出现局部破坏和凹凸等问题;最后，软土路基的承载性能差，在施工中很容易失去承载力，对施工人员的安全造成很大的威胁，特别是高路基结构的施工。软弱路基的上述问题，使得设计阶段就应该考虑相应的处置方案，处置方案的制訂需要根据软土路基的分布特点、范围及风险程度进行选择。
3.2、填方路基的设计
当路堤边坡高度H≤10.0m时，其边坡坡率采用1∶1.5;当路堤边坡高度10m
3.3、挖方路基的设计
挖方路堑边坡坡度根据地形、岩土性质、构造发育情况、水文地质条件、边坡高度等因素，结合工程地质类比法综合设计，其设计原则如下：①坡率：弱风化至微风化层采用1∶0.5～1∶0.75，强风化层1∶0.75～1∶1，全风化岩石、土质及碎石土层则采用1∶1～1∶1.5;②边坡高度一般按10m分级，坡脚碎落台及平台碎落台宽2.0m。直接用作路基填筑的填料，其液限应≤50，塑性指数≤26。填方路基应分层碾压，每层虚方厚度≤30cm。桥涵台背和挡土墙墙背应选用透水性填料，如砂砾、石渣等。
3.4、软土路基的设计
长江南路路线较长，跨越地质条件差异较大，软基处理是设计的重点、难点。（1）沿线对于填土压实度能满足规范要求或地基承载力≥100kPa的土质较好的填筑土路段，对表层清除50cm后即可进行碾压回填;若达不到要求，则进行换填处理。（2）杂填土、素填土的路段，采用原土翻压回填或借土回填，地下水位较高的路段底部加设50cm石渣或开山石垫层;地基为淤泥质粘土、软塑状粉质粘土的路段，采用借土碾压回填，地下水位较高的路段底部加设50cm石渣或开山石垫层。（3）沿线借土换填材料可选用土质较好的砂性土;当使用石屑时，要求过0.075筛孔的质量百分率不大于10%。（4）池塘、河流、沟渠等路段，按设计设置围堰进行排水后施工。围堰采用内装粘土的编织袋填筑而成，围堰顶面应比施工期间可能出现的最高水位高70cm，堰顶宽为1m，堰外边坡为1∶0.5;堰内边坡为1∶0.2;坡脚与基坑边缘距离应据池塘土质和基坑深度而定，且不得小于1m。（5）回填的土层采用机械振动碾压法碾压，压实度须达到95%以上（重型击实标准），当为桥头或涵底路段时，可结合重锤夯实法进行处理。
（2）土路床预压及补充碾压：
路基处理完毕后，为完成施工期沉降、减小工后沉降，设计要求对于软基处理段（陆地片石处理、沟塘片石处理、水泥搅拌桩）进行堆载预压：
①、基准期及容许工后沉降
基准期采用柔性路面，设计使用年限15年，即从开放交通之日起至路面设计使用年限末所发生的总沉降视为工后沉降。其容许值对于一般路段取30 cm，涵洞处取20cm，桥台与路堤相邻处取10cm。
②、加载速率
为了确保路堤填土的安全，防止地基失稳，加载填土的施工速率应由施工单位根据地质条件和地基强度增长情况，以及观测路堤坡变形，分析地基土的塑性变形产生失稳的状态等综合考虑确定。设计采用的平均速率：水泥搅拌桩处理路段及填高小于4m的路段取15cm/d，同时考虑每月填土高度小于等于1m，施工中可根据路堤稳定观测的结果予以适当调整。
③、预压期
软基路段预压期采用180天。
④、预压高度
软基路段的预压方式为等载预压，预压高度=路面设计高度+预压期沉降量+20cm（路面结构层荷载换算为压实后的土柱高度时增加的土柱高度）。
预压期沉降量当填筑高度≤1.8m按10cm控制，填筑高度每增加0.5m，预压期沉降量按10cm递增控制。
若因工期要求，不能进行堆载预压，设计要求在软基处理段（陆地片石处理、沟塘片石处理、水泥搅拌桩）的机动车道范围采用冲击式压实机进行路床顶面补充碾压。碾压方法为横向错轮碾压（路基横断面两侧边缘约0.5m部分不压），碾压遍数不小于5遍，并注意做好碾压前后的沉降量记录。冲击式压实机碾压结束后，需用重型钢轮压路机将表面不平整的地方压平，继续观察沉降，待沉降稳定后，再进行下步施工。施工时可先选取100m长的试验路段施工，试验段施工过程中，应通知设计人员到场查看冲压效果，以作必要的调整。
（3）施工观测
施工观测是控制路堤稳定的有效方法，是验证设计的重要手段;同时观测的沉降量也是计量支付的依据、推算路面铺筑时间一的基础资料。施工观测项目包括沉降观测和稳定观测两项。建议观测工作由富有经验的单位负责，现场的测试设备和标志注意加强保护，请施工单位配合。
1）、观测点位的布设
观测点布设在路堤中心及两侧路肩，一般软土路段沿纵向每隔100～200m布设一观测断面，预压施工高度超过5m的路段，纵向每50m设一观测断面。桥头路段应设置2～3个观测断面。桥头纵向坡脚、填挖交界的填方端、沿河塘等特殊路段均应酌情增设观测点。此外在跨度小于30m的桩基结构物某一端设一观测断面。
2）、观测频率
①施工期：每填一层观测一次，路堤填高超过极限高度之后，每天需观测一次，因故停止施工，每三天观测一次。
②预压期间：第一个月每三天观测一次，第二个月至第三个月每七天观测一次，从第四个月起每半个月观测一次，直到铺筑路面前。
③水准点的设置
水准点应设在不受垂直向和水平向变形影响的坚固的地基上或永久建筑物上，其位置应尽量满足观测时不转点的要求，每三个月用路线测设中设置的水准点作为基准点，对设置的临时水准点校核一次。
3）、侧向位移（稳定）观测
①侧向位移点其基桩的布设
侧向位移点布设在路堤两侧的坡脚处，基桩必须布设在坡脚外路堤沉降影响范围以外，一般情况下应布设在离坡脚20m以外。观测断面仅在预压施工高度超过5m的路段上设置，纵向间距为50m。
②观测及其频率
侧向位移桩和基桩设置好以后，采用钢尺量测位移桩与基桩之间的距离，量测钢尺的拉力为5公斤（或由量测人自定），有条件时也可用红外测距仪量测。观测工作在路堤填高超过极限高度时开始，其频率为每天观测一次，直至路堤达到设计的施工标高。
4）、不稳定状态的判断标准
路堤在填筑过程中，若中心日沉降量达到1.0cm/d，或日测向位移量达到0.5cm/d时，标志着不稳定状态的出现，应立即停止加载。
5）、路面铺筑时间的确定
路面铺筑必须待沉降稳定后进行，采用双标准控制;即要求推算的工后沉降量小于设计容许值，同时要求连续2～3个月观测的沉降量桥头每月平均不超过3mm、路基每月平均不超过5mm，并根据实测沉降值对计算沉降值进行修正，以满足一般路堤后沉降小于30cm、与桥梁等构造物相邻路段的差异沉降小，于10cm的控制指标。如不满足上述要求，则需延长预压时间，待满足要求后方可开始铺筑路面结构。
3.5、路基分层填筑压实的工艺设计
道路路基工程建设中，填筑以及压实这两项施工作业程序是极为关键的，如果在这两个环节中出现了质量问题，或者遗留下安全隐患和不确定性的风险，那么就会给路基工程项目造成很大的安全漏洞，也会付出相应的经济代价。所以在路基建设中，要根据道路建设的强度和厚度指标来确定分层作业的次數和频率。在填筑作业中，要合理选用材料，确保其性能和质量过硬;在压实作业中，除了要确保压实碾压的次数符合规定之外，还要合理的选择最适宜的碾压设备和装备，科学控制碾压行进的速度和节奏，在作业告一段落后按照要求及时采取养护措施。填筑压实是路基施工的核心，涵盖了填料的摊铺和碾压两个工序，由于该工序的重要性，在设计阶段就应该明确详细的工艺方案。摊铺过程一般采用自卸车运输到填方路段，按照每层松散厚度进行卸料，每卸料完成一层就进入摊铺和平整施工。摊铺不均匀会对后续的施工工艺和时间产生直接影响。碾压也是采用专用机械进行，首先通过推土机进行初始的平整，并通过推土机自重进行初始碾压，形成初步压实，而后进行静力压实和振动压实，压实过程需要确保压路机的行驶速度均匀。分层填筑压实的设计，不仅要对工艺的基本流程进行确定，还要考虑分层压实中的设备，确定设备的最佳组合方式、碾压速度以及次数，明确碾压过程的工序和摊铺适宜厚度，估算材料含水率等参数，使得施工能够快速进行，摊铺压实后的各层填土或者填石能够满足施工质量要求，如图1是不同含水率下的土质在压实作用下的干密度，该曲线可以确定最佳压实方法，以指导实际的施工。
3.6、路基施工与边坡防护方案
本路段涉及挖方和填方路基的施工。挖方路堑在开挖前需要进行排水处理。首先，在路堑开挖前做好截水沟，土方工程施工期间修建临时排水沟。其次，路堑施工时注意经常维修排水沟道，保证流水畅通。最后，引走一切可能影响边坡稳定的地面水和地下水，在路堑的线路方向上保持一定的纵向坡度（单向或双向）以利排水。路堑开挖采用通道纵挖法，通道可作为机械通行、运输土方车辆的道路，便于土方挖掘和外运的流水作业。填方路堤则对填料具有严格要求，不得使用淤泥、沼泽土、有机土、含草皮土、生活垃圾、树根和有腐朽特征的土。液限大于50、塑性指数大于26的土以及含水量超过规定的土，不得直接作为路堤填料。这些填料需要使用时，必须采取满足设计要求的技术措施处理，经检查合格后方可使用。
本区域内路基的边坡高度较小，不存在危险性很大的高边坡问题，因此路基边坡防护形式以植被防护为主，力求多样化、绿色化，做到路景配合，使道路和环境协调，同时提高城市的绿色与景观效果。一般边坡防护采用喷播植草或三维网植草防护。在路基边坡放坡受限制的路段设置浆砌片石挡墙或者钢筋混凝土挡墙。鱼塘、湖泊、低洼积水路段设置浆砌片石护坡，防护高度为设计水位以上0.5m。浆砌片石的铺筑应在排水、清淤、换填、路基沉实后再进行。生态防护通过植被涵水原理进行固定土壤从而稳定边坡，其护坡的基本原理是利用植物深根进行岩土锚固，利用浅根进行加筋作用，降低坡体的孔隙水压力，同时具有控制土粒流失、降雨截流、削弱雨水溅蚀的目的。从环境效应来看可以恢复因为道路建设而引起的生态环境破坏，可以降低道路上车辆噪声、光等污染，确保行车的安全性，同时可以促进有机污染物的降解并净化空气。常见的城市道路生态防护技术包括人工种草护坡、平铺草皮护坡、直接喷草护坡、蜂窝网格植草护坡等手段。
根据本路段的建设环境，边坡防护采用植草措施，选用常规草皮进行边坡防护，并在路基最终施工完成后在边坡表面设置排水沟，在边坡底部设置截水沟，保证边坡的长期使用性能。
3.7、排水设计
路基排水设计主要是根据道路的等级、道路所在区位、道路横断面布置形式及路基类型来确定所采用的排水设施，并根据规范确定地表水雨水径流量及设置的几何尺寸。工程位于城市外丘陵区，存在较高的挖方区与填方区，横断面布置方式为四幅路形式，排水系统以管道排水系统为主，主要设施为雨水口、管道与连接管等，暴雨强度设计重现期采用二年，填方区结合路基防护设置排水边沟，挖方段则根据自然地面排水方向及挖方边坡的工程地质情况设置截水沟、急流槽等设施。
4、结语
通过对长江南路路基设计的总结分析，找出了丘陵区城市道路路基设计的要点与重点，得出了丘陵区城市道路路基设计的一般方法;通过实例展示了浅层加固及深层加固处理在路基设计当中的运用方法，可为类似工程项目提供参考。从长江南路后期建成效果来看，当年路基处理方法经济、有效。
参考文献：
[1] 唐少兵.对城市道路路基设计的探讨[J].福建建材，2015（03）：58-59.
[2] 沈福.软土地区某城市道路设计要点及稳定性分析[J].福建建材，2015（01）：49-51.
（作者單位：合肥工业大学设计院（集团）有限公司）
