龐壯
中交第二公路勘察設計研究院有限公司
摘 要：為提高軟土地區公路項目建設水準，總結了軟土分類标準和主要工程特性，分析了軟土路基地表處理、填築極限高度計算、沉降計算和邊坡斷面設計方法，并探讨了換填、強夯、排水固結和CFG樁在軟土地基進行中地具體應用。同時，依托某高速公路，利用軟體PLAXIS計算了軟土路基在不同CFG樁長下的工後沉降。
關鍵詞：公路;軟土路基;設計要點;地基處理;工後沉降;
作者簡介：龐壯（1996—）,男,大學,助理工程師,從事路橋設計工作。;
0 引言
中國地大物博，工程地質條件較為複雜，遇上軟土是公路建設的必然。軟土一般指沉降變形大、抗剪強度的淤泥、淤泥質土、泥炭、泥炭質土等。如果在路基設計期間沒能采取合理的處治措施，在營運期間反複車輛荷載作用下，公路容易出現路面沉陷、邊坡失穩等病害，幹擾行車安全性和舒适度，并造成不良的社會影響。國内外很多學者也采用理論推導、數值模拟、室内試驗等手段對軟土路基沉降變形規律開展研究，并提出了許多處治措施。但由于軟土變形機理的複雜性，并未形成統一成果來指導軟土地區公路工程的設計和施工[1]。是以，進一步研究軟土地區公路路基設計及地基處治措施是一項十分有價值的工作。
1 軟土路基分類及工程特性
1.1 軟土路基分類
軟土分類方法衆多，目前尚無統一标準，甚至不同建設主管部門所頒布的規範也不一緻。《公路路基設計規範》（JTG D300—2015）以天然含水量、孔隙比、内摩擦角、壓縮系數、内摩擦角和剪切強度為評價名額來判定軟土，具體參數見表1[2]。建議公路路基在設計期間參考現行公路行業規範。
表1 公路軟土路段判定标準 下載下傳原圖
1.2 軟土路基工程特性
1.2.1 滲透性差
公路軟土地基滲透系數很小（約1×10-5～1×10-6 cm/s），透水性能差。同時，軟土的滲透系數表現出明顯的各向異性，各方向的透水能力不同，不僅會使土體内水分難以排出，影響軟土固結速率，還會受車輛荷載影響産生動水壓力，破壞土體結構。
1.2.2 沉降量大
軟土路基孔隙比大、壓縮性高，在車輛反複加荷-卸荷作用下，軟土路基會出現較大的彈塑性變形。公路軟土路基總沉降等于瞬時沉降、主固結沉降、次固結沉降之和。根據相關研究成果，主固結沉降在軟土地基總沉降的占比最大，可達90%以上，而瞬時沉降和次固結沉降是随時間動态變化，沉降量也較小，在設計時一般不考慮。
1.2.3 抗剪強度低
在路基填土重力和車輛荷載下，軟土由于含水量高，抗剪強度名額低(快剪粘結力<10 k Pa，快剪内摩擦角<5°)易發生剪切破壞，造成路面沉陷、邊坡失穩、滑坡等病害。
2 公路軟土路基填築設計原則及設計要點分析
2.1 軟土路基設計原則
為了保證軟土路基在建設和營運期間的安全，在設計期間應堅持以下原則[3]:(1)對于設定在軟土路段的涵洞和擋土牆等構造物，應結合穩定性驗算結果确定地基處理方式，并在地基沉降穩定後再修築構造物，以免軟土地基變形過大對其産生破壞。(2)為避免路面在營運期間出現大面積開裂、沉陷等，減輕路橋過渡段不均勻沉降，應結合公路等級、工程位置等嚴格控制軟土路基容許工後沉降。對于高速公路和一級公路，一般路段、箱涵和箱型通道處、橋台與路基相鄰處的容許工後沉降控制在30 cm、20 cm和10 cm。對于幹線二級公路，一般路段、箱涵和箱型通道處、橋台與路基相鄰處的容許工後沉降控制在50 cm、30 cm和20 cm。
2.2 地基表面處理設計
2.2.1 清表
軟土路基在填築之前，需用挖掘機、推土機等機械裝置對地基表面進行處理，清表厚度一般在20～30 cm。如果軟土所在地區地下水位高，還應在路基兩側開挖臨時排水溝，降低地下水對路基濕度的影響，使路基長期保持幹燥狀态。
2.2.2 填前碾壓
軟土地基表層應采用不小于20 t的壓路機碾壓密實，以保證地基承載力，降低路基工後沉降。《公路路基設計規範》（JTG D300—2015）要求二級及二級以上公路的地基壓實度不小于90%，三、四級公路的地基壓實度不小于85%。公路軟土地基壓實度K檢驗一般選擇灌砂法或環刀法，計算可按式（1)[4]:
式中，ρ—軟土現場實測幹密度（g/cm3）；ρ0——軟土室内試驗最大幹密度（g/cm3）。
2.3 路堤填築設計要點
2.3.1 極限高度确定
軟土路基填築的極限高度指在天然地基上快速填土，能確定路堤穩定的最大填高。路基橫斷面最大高度不宜超過極限高度，否則需對其補充相應的處治措施。軟土路基極限高度值與地基土及填料性質、滑動面位置等因素密切相關。當地基軟土層較薄和軟土路基極限高度Hc計算用式（2):
式中，Nc——穩定因數（無量綱）；ck——軟土的黏聚力（k Pa);γ——軟土路基填料重度，通常取17.5～19.5 k N/m3。
如果地基軟土層很厚，滑動面不一定能和軟土層底面相切，此時根據式（3）計算路基極限高度Hc:
對于非均質軟土地基，不同土層的實體力學參數不同，變形能力也不同，其路基極限高度不能按上式簡單推算。設計人員可利用極限平衡法或數值模拟法對不同高度的軟土路基進行穩定性驗算，通過試算找出路基失穩時（安全系數小于1）的路基填高，此值就是路基極限填土高度。如果施工工期不緊張，業主機關可要求施工機關在現場填築試驗段，以驗證設計圖紙中的極限填土高度。
2.3.2 應力及沉降計算
公路軟土路基沉降大小與路基自重應力和地基附加應力密切相關。随着填土高度的增加，路基自重應力也不斷增加，但增加速率并不是固定的。主要原因在于：《公路路基設計規範》（JTG D300—2015）對路基各個結構層的壓實度要求不同（比如高速公路上路床要求96%壓實度、上路堤要求93%壓實度），導緻各個結構層的填土重度有差異。是以，在計算路基填土重力時，應根據路基壓實度分層計算。路基填土在地基中引起的附加應力計算時，可将路基視作條形基礎，根據深度與基礎寬度的比值查規範附錄中的附加應力系數表或平均附加應力系數表計算[5]。軟土地基主固結沉降可用“分層總和法”計算。該方法公式簡單，計算所需參數少，不考慮地層的橫向漲縮，計算公式如下：
式中，hi—第i層土厚度（m);Esi—第i層土壓縮模量（MPa）；ΔPi—第i層土附加應力（k Pa);n—土層個數。
此外，随着計算機技術的發展和有限元理論的完善，越來越多的軟土路基在計算沉降時也開始采用ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS等有限元軟體。
2.3.3 路基斷面設計
若軟土路基坡高度≤20 m時，其坡率應不陡于表2中的參考值，坡面形式宜采用折線型。
表2 軟土路基邊坡坡率設計值 下載下傳原圖
如果軟土路基邊坡高度>20 m，并将其視作高路堤開展工點設計。邊坡坡率應結合路基安全系數計算結果确定，邊坡形式宜采用階梯形（平台寬度≥2 m）。
3 公路軟土地基常用處理方法
3.1 換填法
換填法是最簡單的軟土地基處理措施，隻需要利用挖土機械将公路紅線範圍内的軟弱土層挖除，回填強度好、承載力大的材料，并逐層壓實，壓實度≥93%。換填法的處理深度一般<3 m，深厚軟土地基使用換填法處理經濟效益不佳。
3.2 強夯法
強夯法處理軟土地基的主要有主夯、副夯和滿夯，具體步驟如下：清理整平場地→夯點放樣→主夯→夯坑内回填碎石或砂礫→副夯→夯坑内回填碎石或砂礫→滿夯→測量場地高程→地基承載力檢驗。強夯法設計關鍵是确定夯擊次數和夯擊能，以免周圍土體隆起或夯坑過深。當單擊夯擊能在<2 000 k N·m、2 000～4 000 k N·m,>4 000 k N·m範圍内，最後兩擊的平均夯沉量要求分别為≤50 mm、≤100 mm、≤200 mm。
3.3 排水固結法
排水固結法适用的最大處理深度約12 m，超出此深度，孔隙水壓力消散困難。公路軟土路基的排水固結體系包括排水體系（袋裝砂井、塑膠排水闆等）和加壓體系（堆載預壓、真空預壓等）兩部分，二者相輔相成，互相協同，才能将孔隙水順利排出。
3.4 CFG樁
CFG樁由碎石、粉煤灰、水泥等材料設計比例混合而成，屬于剛性樁，能有效加強深厚軟土地基。CFG樁的樁頂宜鋪一層厚度30～50 cm、最大粒徑<30 mm的褥墊層，樁體與樁間土借助褥墊層與路基連接配接，形成整體結構，共同承擔上覆填土重力和反複車輛荷載。同時，CFG樁加強軟土地基時，樁間距一般取4～5倍樁徑，樁長結合地基沉降計算結果确定（樁長不宜超過30 m），樁端應伸入承載力良好的持力層不小于50 cm，以充分發揮CFG樁的加強作用。
對于軟土工程性能較差、施工工期短的路段，可将上述多種措施聯合使用，加快軟土排水固結。
4 公路軟土地基處理執行個體
研究對象為某高速公路項目，計算斷面為K12+880處軟土路基。該斷面位于橋台與路基相鄰處，設計荷載為公路I級，路基寬度26 m，行車道和土路肩橫坡分别為2%、4%，路基中心填高為6.5 m，坡比為1∶1.5，路堤填料為砂土，地基土從上到下分别為雜填土、淤泥質粉土和粉砂持力層。由于淤泥質土埋深大，拟選擇水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）進行處理，樁間距取1.6 m，樁徑取0.5 m。為了确定CFG樁樁長，該文利用PLAXIS軟體建立二維平面模型，如圖1所示。
随後，利用PLAXIS軟體計算了樁長為6 m、8 m、10 m、12 m、14 m時軟土路基的工後最大沉降，計算結果見圖2。
由圖2可知：在樁間距和樁徑不變的條件下，軟土路基工後沉降随樁長的增加而降低。當樁長小于10 m，軟土路基沉降降低速率快；而當樁長超過10 m，工後沉降變化不明顯。這說明樁長10 m時，樁端已伸入承載力良好的持力層，繼續增加樁長對沉降的改善效果不明顯，也是不經濟的。
圖2 不同CFG樁樁長下軟土路基工後沉降 下載下傳原圖
5 結論
該文主要探讨了公路軟土路基的劃分标準、工程特性、設計要點和處治措施等，并利用有限元軟體計算了某高速公路路基工後沉降，得到以下幾方面的結論：
(1）軟土路基無統一劃分标準，但基本都具有滲透系數小、沉降量大、抗剪強度名額低等特征。
(2）公路軟土路基在填築前應清表和碾壓地基，并控制好填築極限高度、工後沉降、邊坡坡率等。
(3）公路軟土地基常用處治措施有換填、強夯、排水固結和CFG樁複合地基等，在設計時需對各種處理措施的适用範圍及工程造價進行對比。
(4）軟土路基工後沉降随樁長增加而降低，樁端進入持力層後繼續提高樁長意義不大。
圖1 CFG複合地基計算模型 下載下傳原圖
參考文獻
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