公路工程路面路基工程中软土地基和特殊结构的优化设计

2023-01-06施华金

石油化工建设 2022年3期

施华金

云南省交通规划设计研究院有限公司云南昆明 650000

1 工程概况

某公路工程路线全长32.746km，于K1+087.3 处设一座分离式立交桥，于K11+645 处设中牟服务区，于云南某县K19+306.5 处与省道相交部位设互通立交（K18+823.095），于K24+746 处跨越河流，于K31+880处跨过干渠，最终到达项目终点。

2 公路建设项目中软基路段的特点

2.1 含水成分系数高

软土地基作为路面作业中的基础保障环节，在实际的处理过程中技术人员要因地制宜给出解决方案，其中对含水量的控制较为关键。介于自身地下水发达的特征，软土地基需要借助科学、合理的加固方式来提升地基的承载力，故将其的土层实际含水量控制在规定范围值内极其关键。

2.2 抗剪强度较低

上述中提到软土地基的含水量系数较高的特征，这也会直接影响到整个施工作业区域内土体的抗剪力强度，同时，受软基自身土层结构排水性能较弱因素的制约，加之存在于土体内部的摩擦角阻碍地下水有效排出的影响，在荷载不稳定的状态下，软基地段的抗剪强度会出现较为明显的强弱调替的结果。

2.3 土壤强度不高

介于软基渗透性弱、压缩性强等缺点，在实际的地基作业中，整个软弱地基范围内的土层结构会根据机械设备运作的强弱程度发生不同的沉降和损坏现象，由此产生的活土流动结果也会直接影响到施工作业中的安全性，故为降低该现象发生的概率，技术人员需在施工前将软基范围内的土壤渗透系数控制在规定范围值10-8～10-6cm/ s 以内，由此为后续路面工程的继续开展提供支撑和保障。

3 公路工程路基、路面的优化设计

3.1 路基标准横断面

初步设计全线为山岭重丘区高速公路标准，双向四车道，路基宽度25.5m，设计行车速度100km/ h。为了提高高速公路的通行服务能力，结合项目实际情况以及现行的行业规范优化路基宽度，即由原本的25.5m 增加至26.5m，简易双向六车道，中央分隔带采用宽度为0.57m的新泽西护栏，路基两侧不设紧急停车岛，设宽度为1.5m 的护坡道。主线桥梁为整体横断面形式，该处中央分隔带与路基分隔带的宽度保持一致。

3.2 路基填土高度

结构物的结构特性会影响路基填土高度，为此深入现场、详细调查，明确各结构物处被交道路的实际情况，包含角度、高度、宽度等，同时准确掌握结构周边的地质、地形、排水等方面的情况[1]。基于现场调查结果灵活调整路线纵坡，降低路基填土高度，保证该值的合理性。

（1）调整结构物的布设方式，例如跨径、角度、净空，保证各项指标参数的合理性；对于路线纵坡较大的通道，则充分到周边路网的规划情况，尽可能采取合并措施，不具备合并条件时适当改移。若为斜交角度较大的通道，条件允许时适度改村路，以保证交角的合理性。

（2）由于沿线通道数量较多而明显加大路线纵坡设计难度时，需要在现场详细调查，严格核查各建筑物的控制标高，确保该值不存在误差，且不留过多的富余。

（3）部分路段易于排水时，在主线上跨结构物处适当下挖被交叉道路，采取此方法的目的在于减小路基填土高度（以免出现通道积水问题）。

（4）项目建设集中分布在山岭重丘区，沿线含较多的沙岗，为了顺利推进公路路基路面施工进程，将沙岗挖至原地面，然后逐层向上填筑施工，经过对原沙岗的开挖处理后，尽可能使其与周边地形齐平，此方式的优势在于便于施工，同时适度减小路基的高度。

3.3 路面结构

本公路分为1 号段和2 号段，针对两部分做相应的优化设计。其中，1 号段初步设计的路面结构为：4cm 细粒式改性沥青混凝土+6cm 中粒式沥青混凝土+8cm 粗粒式沥青混凝土+ 改性乳化沥青下封层+36cm 水泥稳定碎石基层+18cm 水泥稳定碎石底基层；2 号段路面结构初步设计方案为：4cm 细粒式改性沥青混凝土+6cm 中粒式沥青混凝土+8cm 粗粒式沥青混凝土+ 同步沥青碎石封层+36cm 水泥稳定碎石基层+20cm 5%水泥稳定碎石底基层。随着项目的发展，项目由新公司接管，专业人员针对前述提及的初步设计方案展开可行性分析，基于分析结果采取优化措施，认为两段沿线在地质条件、地形、车流量几方面具有高度的趋同性，因此为了便于工程建设以及后续的运维管理，采用统一的路面结构。经过优化后，确定如下方案：4cm 细粒式改性沥青混凝土（上面层）+6cm 中粒式沥青混凝土（中面层）+10cm 沥青稳定碎石（下面层）+0.8cm 改性乳化沥青稀浆封层+36cm 水泥稳定碎石基层+18cm 水泥稳定碎石底基层。

（1）下面层采用10cm 沥青稳定碎石，具有突出的抗裂性能，相比于原设计方案中的8cm 沥青稳定碎石下面层，厚度得到改进（做了增厚处理），更有利于抵抗行车荷载等外部因素的作用。

（2）不再采用半刚性路面结构，取而代之的是柔性路面，施工材料选用沥青稳定碎石，其力学性能突出。

（3）不再采取分段设计的方案，而是确定一套适用于沿线各段实际施工条件的方案，便于高效施工，也降低了后续的运营管理难度。

4 路基防护及排水的优化设计

4.1 路基边坡防护

考虑沿线地势、地质、气候（以降雨量较为关键）等条件，组织路基边坡防护的优化设计工作，确保路基设计方案兼顾路基稳定性和周边生态环境完整性的双重要求[2]。

（1）原设计方案中，路堤边坡均用黏土包边，厚度控制在0.8cm，但从沿线地质条件来看，以粉砂土居多，此类土质与黏土在最佳含水量方面有显著的差异，不利于正常施工，可能会由于性质的差异而加大施工控制难度，从而出现质量问题。为此，取消了黏土包边的方法。

（2）填方边坡高度≤5.0m 时，采用三维植被网植草的方法，其兼具防护和绿化双重功能。部分路段填高超过5m，为保证防护效果设置拱形骨架，原设计方案中采用到现浇混凝土收面的方法，但其存在局限之处，即难以满足表观质量要求，为此调整为预制构件的设置方式，除了具有美观性外，还兼具施工便捷、质量可靠、美观等特性。

（3）沿线以填方路堤为主，仅有少部分区域存在挖方路段，鉴于挖方深度小、距离短的特点，采取三维网植草防护的方法。

（4）对于泄水槽，原设计方案采用现浇混凝土和预制构件相综合的形式，经过优化设计后统一采用预制构件，以便高效制作、安装、拼接，形成流程化施工作业模式。此外，原砂砾垫层调整为厚度为5cm 的水泥砂浆。

4.2 挡土墙

综合考虑“减少拆迁量、高效施工、降低成本”的要求，在局部路段设挡土墙，从现场调查情况来看，分离式立交桥北侧紧邻主线周边有新建厂房，其与主线的距离较小，填土高度较高（主要受到分离式立交标高的控制），主线放坡后会对厂房的日常生产造成影响，由此衍生出拆迁需求，但该厂房属于新建厂房，若拆迁则存在成本高、工作量大的问题。因此，需要探寻更为可行的应对方案。

经过优化设计后，决定在该路段设扶壁式轻型挡土墙，原因是现场地基的承载性能有限，该结构具有轻便化的特点，能够有效适应实际环境。常规的扶壁式挡土墙构造简单、施工便捷，可充分发挥出材料的强度性能。施工现场缺乏足够的石料时，将用一定量的水泥和钢材替代，此时原材料用量增加，工程造价增加，影响项目的经济效益。为了兼顾厂房防护和成本的双重要求，决定采用扶壁式轻型挡土墙，作为一种更具有轻便化特性的挡土墙，其对地基的附加应力相对较小，施工现场地基可有效承载该结构，在此方式下不用拆迁厂房，减少了公路工程的施工量，降低了施工成本，是一种优质的应对方案。

4.3 排水

项目地处山岭重丘区，顺势排水条件有限，易出现积水问题，因此做好排水优化设计工作至关重要[3]。综合考虑沿线的地质条件和水文条件进行深入优化设计，对于纵向水流无法排出的情况，加大对应路段边沟的尺寸，发挥出此类设施在储水、渗透等方面的作用，不再使用原设计方案中的集水坑方式；雨水会对路基造成冲刷作用，若缺乏有效的防护措施，随冲刷时间的延长路基易受损，为此，在边沟底部和外部两个区域设置六棱砖（空心混凝土预制结构）。为达到节约占地的效果，调整边沟外侧占地界，由原本的2m 更改为1m，不再设置土质挡水埝，而是以混凝土预制块为基础单元组成结构体。

取消路面边缘碎石盲沟，对于路基超高段，原方案采取的是在左侧路缘带设U 形排水沟的方式，适配合适规格的横向排水管，由该管道将水引至边坡的泄水槽中。在本次优化设计中，调整为钢筋混凝土预制缝隙式排水沟的方式，同时适配适量的硬聚氯乙烯双壁波纹管，作为横向排水管进行使用，在此方式下，以更高的效率将水引至边坡的泄水槽中，避免积水问题，保证路基路面的完整性与稳定性。

5 公路软基处理措施简述

5.1 施工前的准备

受自身强度低、压缩量高等因素的制约，软基的土层含量通常伴有特定的有机物质，由此带来沉稳不牢固等现象。为改善公路施工中的土层受力结构，制定更为科学合理的软基施工方案非常重要。技术人员要从实际出发，对项目场地展开专业的勘察工作，对施工场地内的地质环境做到了如指掌，结合现有相关文件展开分析和对比，确保施工方案的完整性与可行性。

5.2 加固处理

作为天然含水量较高的一种地基形态，软基自身具有高压缩性强以及抗剪能力低等缺点，在具体的地基施工作业中，不利于其他关联分项施工的顺利开展。作为整个工程项目的基础保障，软基部分需通过专业的加固方式来改善其自身的不足。以12m 为衡量标准，软基的深度在超过12m 的情况下，建议采用特质管桩托板+ 钢塑土工格栅相结合的方式予以加固处理；低于12m 时则直接用专业的水泥搅拌设备实现预压，增强自身的抗剪和抗压程度。

5.3 材料的选择与使用

作为人工合成的一种原始材料，土工合成料自身拥有的聚合物非常适合软基施工的填筑与夯垫。故而在实际的公路项目中，遇软基处理地段，技术人员会直接选用土工织物、土工膜等原始材料，用以实现新旧道路的完美连接，以此达到沉降范围小、两侧不变形的终极效果。同时，加强软基自身的土体承载力、抗压力以及抗剪力也是技术人员在施工作业中需要时刻注意和处理的问题。介于土工合成材料中的格栅自身弹性较为明显，因此可承受一定强度的碾压并保持不变形，利于软基的处理。