高速公路特殊性岩土的特殊路基设计分析

王方方

（华设设计集团股份有限公司，江苏 南京 210000）

在高速公路膨胀土和软（弱）土路段，倘若未能做好路基设计，很容易造成路基坍塌、沉降等质量问题，直接影响高速公路行车的安全稳定。探讨膨胀土和软（弱）土路基的设计方案，以提高路基的整体强度和稳定性，保证工程质量。

1 工程概况

既有宁杭高速公路于2008年8月建成通车，上坊互通至东山枢纽段既有高速公路为双向8车道，设计车速为120 km/h，路基宽度为42.0m；东山枢纽至淳化互通段既有高速公路为双向6车道，设计车速为120km/h，路基宽度为34.5m。沿线分布有膨胀土和软（弱）土。高塑性、高液限、低强度的膨胀土均不能直接用于路基填筑。

2 特殊性岩土的特点与判别

2.1 膨胀土

膨胀土属于一种特性较强的黏土，具有持水性、亲水性、可塑性及黏聚性等特性，按照自由膨胀率等指标可以对其进行分类（表1）。

表1 膨胀土填料分类

2.2 软（弱）土

软（弱）土是指淤泥、淤泥质土和部分冲填土、杂填土及其他高压缩性土。在净水或缓慢的水环境中沉积的具有下面工程地质特征的土壤应认定为软（弱）土。①天然含水量：w≥wL；②天然孔隙比：e≥1.0；③压缩系数：a0.0-0.2＞0.5 MPa-1；④标准贯入试验锤击数：N＜3；⑤力触探比贯入阻力：Ps≤750 kPa；⑥“十”字板抗剪强度：Cu＜35 kPa。

黏性土具有上述多种特征，呈现出软塑、流塑状，具备高压缩性、低强度、透水性差及高敏感性。

2.3 路基填料土样检测

无论是设计阶段还是施工之前都应对膨胀土路段路基的填料土进行检测，进一步对土体的特性和类别进行判别，主要是为后续路基形式设计和施工方法选择方面提供重要的依据。抽取本次项目路基填料进行试验，其各项数值结果见表2。

表2 填料土样检测结果

3 高速公路不良地质特殊路基设计

3.1 不良地质地段

项目区主要特殊土为填土、软（弱）土、膨胀土、粉质黏土夹碎石，无不良地质现象。

3.1.1 填土

项目主要填土为1a层素填土和1b层填筑土。1a素填土层，灰黄色为主，以黏性土为主，土质不均，局部夹少量碎石；本次勘察揭示层厚为0.50～5.50 m。施工时路基及桥台路基段建议进行清理换填处理，建议桥梁以桩基穿过。1b填筑土层，灰黄色为主，松散、稍密、中密，以黏性土为主，夹少量碎石及建筑垃圾，碎石粒径为0.2～4 cm。主要分布于既有路段，层厚为2.00～2.30m。建议桥梁以桩基穿过。

3.1.2 软（弱）土

项目沿线软（弱）土主要为1-2层。1-2层软（弱）土土性为淤泥质粉质黏土，灰黑色，流塑至软塑状，高孔隙比，高压缩性，局部含腐殖物，揭示层底埋深为1.80～12.00m，层顶埋深为0.60～4.50m，层底高程为-2.94～21.93 m，层厚为0.80～8.60 m；主要分布于K5+130～K5+720段。有机质含量为0.45%，为无机土。该层软（弱）土埋深有一定起伏，埋深不大于3.0 m段建议进行换填处理，埋深大于3.0 m段可采用水泥搅拌桩、预制管桩等处理措施。

3.1.3 膨胀土

本次勘察在沿线取土样进行膨胀性试验，根据《公路工程地质勘察规范》（JTG C20—2011）相关规定[1]，进行膨胀性分级，K5+048.662～K5+130段具弱膨胀性，其膨胀性等级与实际工程场地较为匹配。经沿线地质调查，沿线民用建筑、天然边坡等均未发现较明显的膨胀土病害情况。膨胀土对路基存在一定的安全影响，将其作为路基填料使用时，必须进行掺灰或掺石料处理，并且应做好排水措施，避免地基问题的出现。路基施工选用分段快速施工法，施工期间不允许暴露在阳光下或浸泡在水中，雨季施工作业时应做好相关防水措施。

3.1.4 粉质黏土夹碎石

沿线连续分布的4-1粉质黏土夹碎石，性质为灰黄色、紫红色，可塑至硬塑状，碎石粒径为0.2～3 cm，含量约5%，较连续分布。4-1层粉质黏土夹碎石由于局部碎石含量较多，粒径较大，容易造成桩基施工困难，所以设计及施工时应注意其对桩基施工的影响。

3.2 特殊路基处理原则

3.2.1 填土

本项目主要为浅层填土，路基段采用换填碎石处理。

3.2.2 软（弱）土

从稳定性、沉降和满足结构承载力要求等方面对地基处理进行分析。采用有效固结应力法对路堤稳定性进行计算。地基沉降量的主固结沉降Sc可以应用分层总和法（Es和e-p曲线）进行计算，并使用经验修正系数进行修正。经验系数Ms为1.2～1.4。采用太沙基固结理论计算地基固结度。路基填筑期为120 d，路面施工期控制为90 d。地基处理基期为15年。地震力的计算应符合现行《公路工程抗震规范》（JTG B02—2013）的规定，仅考虑水平向地震力[2]。

地基处理的控制指标为工后沉降和路基稳定性。压缩层计算深度的控制原则是计算层底面上的附加应力和有效自重应力之比不得大于0.15，或者计算直至相对较硬层截止。在稳定性验算过程中，根据路堤施工期和公路运营期的荷载，采用圆弧滑动法计算稳定安全系数。施工过程与运营期分别应用直剪快剪指标和固结快剪指标，结合固结有效应力法，两者容许值分别为1.10和1.20。

根据《高速公路改扩建设计细则》（JTG/T L11—2014）：路基拼宽部分必须符合桥头工后沉降小于5cm、通道及涵洞处小于10cm、其他一般路段不大于15cm的要求[3]。根据《高速公路扩建工程技术标准》（DB32/T 3219—2017，江苏省地方标准）：拼宽部分路基总沉降不大于15 cm，工后沉降不大于5 cm，既有道路中心附加沉降不大于3 cm[4]。根据省内项目成功经验及江苏地方标准，本项目沉降控制标准：①拼宽路基的总沉降必须控制在小于15cm，同时工后沉降也要符合小于5cm的要求；②拓宽路基的路拱横坡增加值应控制在小于0.5%，相邻路段不均匀沉降所诱发的纵坡变化应小于0.4%。

3.2.3 膨胀土

选用分段快速作业法进行膨胀土路基段基础施工。施工期间，不得暴晒或浸泡在水中。雨天天气施工时应做好相应防水措施；如果用作路基填料，应加入一定量的石灰进行改性。

3.3 特殊路基设计方案

3.3.1 拼宽路段特殊路基处理方案

经考虑施工工艺、处理效果、对老路的影响及工期等因素，本阶段特殊路基采用如下处理方案：①填土和软（弱）土深度小于2m的路段可以应用换填碎石法；②软（弱）土深度小于2 m路段，原路地基未处理、应用碎石垫层或砂垫层处理的拼宽路基采用水泥土双向水泥搅拌桩处理。

3.3.2 纵断面抬升路段

①地质情况较好，既有道路和拼宽范围沉降满足要求时，均不处理；②既有道路抬升高度小，沉降满足要求无须处理，如拼宽范围不满足要求，根据地质情况采用泡沫轻质土或双向水泥土搅拌桩处理。

3.3.3 临塘路段特殊路基处理技术

采用搅拌桩处理时，应先打入河塘和坡脚范围内的桩基，然后进行清淤和外部搅拌桩的施工。

3.3.4 临界处处理方案

①桥桩临近处（一般指互通枢纽匝道桥、支线上跨桥跨越主线和主线上跨桥跨被交路桥桩处）：应在桥桩施工前进行地基处理（优先采用水泥土双向搅拌桩复合地基处理形式），注意观察沉降的速率，然后在立柱与上部结构施工前钻桩。②肋板式桥台：应在桥梁桩施工前期进行地基处理工作（优先采用水泥土双向搅拌桩复合地基的处理形式），然后钻桩，再浇筑承台（肋板），最后填土。填土时，台前台后应均衡填筑并压实，台前填土应超宽50～100 cm填筑，最后削坡做锥坡。填土至台帽底标高以上后，再开挖路基至台帽底标高进行台帽施工，以保证台帽下土的压实度要求。③结构物处处理方案。采用复合地基处理的结构物路段，在开挖前先采用搅拌桩处理，处理后再开挖结构物基础。④泡沫轻质土路段。路床上部压顶采用C25水泥板压顶，横坡2%，水泥板最薄处为20 cm。下部采用轻质土浇筑，当路堤高度大于3 m时采用钢筋混凝土挡墙，当路堤高度小于3 m时路段采用装配式护壁。在轻质土浇筑前应对浇筑区域的基底进行检查工作，保证基底没有积水与杂物。⑤既有道路采用碎石垫层或砂垫层路段，拼宽范围底部铺设砂垫层，为了能将水排出，新建砂垫层要与原老路顶部砂、碎石垫层相连通。

3.4 膨胀土特殊路堤设计

3.4.1 膨胀土特殊路堤设计

试验段石灰储量少但对环境污染大，可以应用水泥对膨胀土进行改性。特殊路堤结构为膨胀土填充路堤。上封层用1.5m厚的4%水泥改性后的膨胀土，下封层用0.5 m厚的3%水泥改性土，边缘包裹用3.5 m厚水泥改性土，填芯土以选用素膨胀土为主。

3.4.2 特殊膨胀土路堤边坡设计

由于膨胀土填料的膨胀和收缩非常容易引起路堤病害，危害行车安全，所以应依据膨胀土的性质、类型和施工环境条件等因素来设计[5]。在检验特殊膨胀土路堤稳定性时，应综合考虑在不同含水量下膨胀土的强度变化特征，选用浸水条件下对抗剪强度值折减进行特殊路堤检验的整体稳定性，而干收缩和湿膨胀条件下的衰减强度值应当做特殊路堤边坡表层稳定性的校核指标。高速公路的路堤高度小于8m，故坡率采用1∶1.5单级坡。

3.4.3 膨胀土特殊路堤边坡防护

由于膨胀土稳定性比较差，路堤边坡可选用支撑渗沟的方式，把长、大填土坡面分成多个短小坡面，对边坡土进行加固，支撑路堤边坡，优化边坡排水系统。根据施工现场情况，坡面采用拱形骨架植草防护措施。砌体用碎石的强度不得低于30MPa，砌筑采用M7.5水泥砂浆，抹面和勾缝均采用M10水泥砂浆。

3.5 膨胀土特殊路堑设计

3.5.1 膨胀土特殊路堑设计

膨胀土特殊路堑施工过程中，先去除0.8 m厚的基础膨胀土，并压实基底。地基验收符合相关标准后，在路基全宽范围内进行双层防水土工布铺设，最后逐层铺设水泥改性膨胀土。

3.5.2 膨胀土特殊路堑边坡设计

膨胀土路堑边坡设计采用工程地质比拟与力学分析相结合的方法检验边坡的稳定性。综合考虑到试验段的路堑深度相对较小且已换填其地基，路堑边坡设计采取以下处理方式：边坡高度小于6 m时，选用单级边坡1∶1.5；边坡高度大于8 m时，选用多级平台边坡，同时边坡每级的高度为6 m，边坡坡率第一级为1∶1或1∶1.15，第二级及以上边坡坡率为1∶1.5。此外，对于一些浅挖路堑，坡率可降至1∶1.25～1∶1。

3.5.3 膨胀土特殊路堑边坡防护

采用浆砌片石护面墙进行防护膨胀土路堑边坡。如果开挖深度在8 m之内，可以选用单级边坡布置；如果开挖深度超出8 m之外，可以采用多级台阶边坡布设方式，以每8 m设置一个平台，平台的宽度设为2.0 m，平台上的截水沟以0.4 m×0.4 m进行设置。护坡墙纵向每隔10～15 m设置1道伸缩缝，缝内使用沥青麻筋进行填充。如果开挖高度小于3 m时，可以不设耳墙；当开挖高度小于6 m时，应设置1道耳墙；当开挖高度大于6 m时，应设置2道耳墙。

4 结语

膨胀土路基作为高速公路路基施工过程中一种特殊路基形式，非常容易发生严重的路基沉降病害。在进行高速公路膨胀土路基的设计和施工期间，应以科学优化改良膨胀土的性能为前提，结合实际工程项目状况，合理应用换填法、桩基法及预湿（膨胀）法，力求促进膨胀土路基施工质量的提升。