公路工程软土路基设计问题分析

2023-10-24马平川罗砚

运输经理世界 2023年20期

马平川、罗砚

（遵义市交通勘察设计有限公司，贵州遵义 563000）

0 引言

在道路工程中，路基不仅要承受路面自重，还要承受车辆荷载，因此路基必须具备较高的承载能力。即便是高等级公路，也会出现因路基承载能力差引发的不均匀沉降、路面开裂等问题。在高速公路施工中，经常会遇到软土路基，为提高路基的承载能力，必须对软土路基处理方案进行有效设计。基于此，文章对公路工程软土路基设计问题进行分析，以期提高设计水平，为公路工程整体施工质量提供保障。

1 软土路基的特性

软土土体类型主要是指天然含水率超过40%，其中淤泥及淤泥质土体的天然含水率更高，局部可达80%以上，基本呈流动状，综合承载能力较低，天然孔隙率大于土体液限值，经碾压后难以成型。根据最新颁布的《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）的相关要求，鉴别软土路基时，主要以表1 中列出的主要参数为鉴定标准。

表1 公路工程软土路基鉴定标准

在外部荷载和不良环境耦合作用下，土体将出现较大的变形，而大变形在工程中是绝对不允许出现的。由于软土土体的压缩性能较高，其压缩系数值与其天然含水率呈现明显的正相关关系。在工程施工过程中，在外部荷载的扰动下，软土土体的承载能力会迅速下降；卸载后，其强度有所恢复但总体上还是低于设计强度。

因此，为了确保软土路基的安全性和稳定性，在公路施工中需要采取有效的措施进行处理。常用的软土处理技术包括软土路基回填土处理技术、排水砂垫层处理技术、高压喷射灌浆处理技术、挤实砂桩处理技术等，选择处理技术时，需要考虑软土的性质、厚度、工程要求等因素。

2 公路工程软土路基设计要点

在公路工程中，对软土路基的设计需要根据不同的软土性质选择不同的处理形式和设计方案，具体而言，要注意以下几个方面：

第一，进行软土路基填筑设计时，需要考虑地质条件、坡高、填料等因素，科学设计路基的斜坡速率，确保符合实际施工条件。例如，在加宽支线或干线的高速公路路段，坡高不能超过8m，路基边坡的坡度率宜控制在1∶1.5；当坡高为8～12m 时，应控制上坡比为1∶1.5，下坡比为1∶1.75。为了保护边坡，可以设计各种类型的挡土结构，如在填方坡底设护坡，护坡宽度宜控制在1m 左右，横坡倾斜度宜控制在4%左右。

第二，进行低填浅挖路基设计时，为了确保路基密实度和强度满足设计要求，可采用石渣替代软黏土填料，并对盲沟内的碎石结构进行科学设计，以提高其排水效能，提高设计效果。

第三，设计填挖交接段路基时，垂直段可以按照1∶5 的斜率进行斜坡设计，同时要重视梯级挖掘，确保梯级宽度的设计值不超过2m，坡体内侧坡度不超过4%；进行纵向台阶开挖时，应首先维持路基底部的基本标高，之后按路基方向相应开挖10m，以确保公路路基与路面连接的质量和过渡效果，相应的路基压实度应维持在96%以上。在此基础上，还需根据具体的工程条件，进行路基开挖和压实方案的设计。进行基坑工程施工时，必须结合基坑工程的施工路线，有效控制路堑的实际挖深。在施工过程中，必须充分考虑土体的密实度、含水量和坡度等因素，以防止开挖给工程带来不利影响。比如，进行开挖岩质边坡设计时，应全面考虑边坡稳定性、开挖高度、岩石状态、地表水和岩石平衡等因素，以提升开挖路基的整体安全性和稳定性[2]。

3 软土路基的控制要点与处理方法

3.1 软土路基控制要点

在设计勘察和施工中，采取合理的防范措施和处理方法是降低软土路基对工程影响的关键。软土路基的强度和稳定性较差，容易产生沉陷，因此需要在施工中进行补强。

首先，进行软土路基设计时，应严格控制路基高程，以保证符合实际情况。在选材上，应选择轻质、薄质的材料，以减轻路基荷载。同时，可以在地基上加设桩基，进一步加强路基承载能力。

其次，在施工阶段，要严格控制软土路基排水板的深度和间距，确保施工标准与设计要求一致。同时，需要为软土路基设置排水系统，进行快速排水，以提高路基的稳定性和强度。

最后，在工程实践中，经加固处理，软土路基的强度满足规范要求，才能进行后续施工。

3.2 软土路基回填土处理技术

采用回填加固技术能够确保软土路基的构造达到设计要求。为此，需要明确相应的技术应用过程：

首先，应根据实际情况和设计要求，明确回填材料，一般可以采用碎石、粗砂等材料，以提高软土路基的结构强度。

其次，必须对软土路基进行充分的风干，然后按照一定的顺序进行回填，以避免软土路基出现沉降等问题。

最后，使用铲运机等设备进行回填处理，保证路基平整。当路基平整度达到设计要求时，进行规定的振捣次数，以确保回填施工质量。

3.3 排水砂垫层处理技术

进行软土路基构造设计时，往往会面临土层较薄、含水率较高的问题。为了解决这些问题，可以采用排水砂垫层处理技术，砂垫层在软弱地基中能够起到类似于排水层的作用，将水分迅速排出。采用该技术可以有效地解决软土地基中结构性土层厚度小、含水量高的难题[3]。

3.4 高压喷射灌浆处理技术

对于软土路基，可以采用高压喷射灌浆技术进行加固。该技术借助高压喷射时产生的冲击力，将混凝土搅拌均匀，并将其浇筑成圆筒状，能够提高路基的密实度和强度，还能有效解决路基渗水问题。

3.5 挤实砂桩处理技术

挤实砂桩处理技术是指采用撞击、振动等方法，在软土路基上施加回填砂土，砂土能够与周边土层形成良好的黏结，改变原土体的软弱状态，使整体土层变得更加牢固，进而提高路基强度[4]。

3.6 加筋路基处理技术

该路基处理技术也是当前比较常用的一种公路工程软土路基加固技术。对于高填路堤，适宜借助土工布加以隔垫（见图1），这样可以在很大程度上限制软土路基和路基的侧向位移，也有利于增加其侧向的约束能力，降低整体的应力水平，以及提升公路路基的整体刚度和稳定性。在公路软土路基处理中有效运用加筋路基技术，有利于提升加固施工效率，缩短整体施工工期，降低加固施工成本，进而提高加固施工的整体效益。

图1 加筋路基处理中土工布设置

3.7 表层排水技术

由于软土层具有非均质的特性，因此容易出现非均匀侧向变形和沉降变形等问题。而利用表面排水技术可以改善地基的固结度。特别是在填料中加入助剂，可以提高表层黏土的结构稳定性，保证填料的固结度。试验和理论分析表明，这种方法既能有效地提高路基的抗压承载力，又能提高路基的结构性强度。在方案设计过程中，选择合适的面排水技术，可以进一步提高工程的质量和可靠性。

4 某省道软土路基公路设计案例分析

4.1 项目概况

进行软土路基设计时，需要有效控制其变形，以提高整体承载力和延长服役年限。结合某省一条高等级公路的软弱地基设计实例，详细分析在软弱地基设计中相关参数的选择以及复合地基相关参数的计算，以期提升软弱地基的整体设计水平。

根据工程调查发布的地质调查报告，该招标段总长度为160km，其中部分招标段位于河段沿线或地下水填充区，天然路基土含水率较高，天然孔隙率较高。通过实地勘察，确定了该地区的软土路基全长35km。软黏土以粉质黏土为主。

4.2 标段软土路基设计参数

基于已有的公路工程地质调研资料，结合软土地基的受力特点，选取CFG 复合桩作为处理与加固软土地基的主要方法。通过对软土地基的勘察，发现不同层次的承载能力有很大的差别。在此基础上，针对各种软黏土地基的承载特性，计算出桩的真实固结端长度及桩长。以此为基础，以CFG 桩基为研究对象，研究其在软土中的应用。最大桩长为9.8m，能够满足CFG 复合桩在对应部位能穿越软土的要求。

具体而言，通过研究确定了以下几个方面的设计参数：

一是碳纤维增强水泥基复合桩桩径的确定。在地质勘察的基础上，选择了振动沉桩的施工方法，沉管的直径为0.3m。为了保证桩身有足够的承载余量，桩身直径为0.4m。

二是CFG 桩基间距的确定。根据实际情况，桩基础的设计间距一般为4～5 倍桩基础的直径。因此，桩基的设计间距应在1.5～2m 之间。

三是确定CFG 桩基的强度水平。基于软土地层的分布特点和有关参数，对CFG 桩基的承载能力进行理论分析，得出CFG 桩基的承载能力标准为220kN，桩基的强度等级为5.5MPa。通过对各影响因素的分析，确定碳纤维增强水泥基复合桩承载力为15MPa。

四是确定下垫层的厚度指数。设计断面的上半部分为软土路基，采用CFG 复合桩垫层，厚度达0.4m。为降低软弱地基处理难度，减少后期投资，在施工现场选择河砂作为维护材料。

五是CFG 复合桩的分布情况。该项目选用正方形断面布置形式[5]。

4.3 复合式软土路基计算

进行复合式软土路基设计时，采用公式（1）：

式（1）中：fspk为CFG 复合桩基础承载能力特征值（kPa）；m为面积置换比例；Rα为单桩基础竖向承载能力特征值（kN）；Ap为桩基础截面面积（m2）；α为桩基础强度提升系数；β为CFG 复合桩承载能力折减系数值，介于0.7～0.85 之间；fsk为处理后的桩间土承载力特征值（kPa）。

计算结果表明，CFG 复合桩承载力衰减系数的取值范围为0.7～0.85。根据地质勘察资料可知，该路段位置的天然承载能力平均值为70kPa，取β=0.7，CFG 复合桩间距值分别为1.5m、1.8m、2m，则与之相对应的桩基础承载能力特征值分别为405kPa、300kPa、238kPa，相应标段的软土路基回填土厚度值为6.5m[6]。此外，对路面承载能力、承载储备进行全面分析，若CFG 桩基础的间距值为2m，则桩基础的承载特征值为169kPa，达到了设计容许值。