庞壮
中交第二公路勘察设计研究院有限公司
摘 要：为提高软土地区公路项目建设水平，总结了软土分类标准和主要工程特性，分析了软土路基地表处理、填筑极限高度计算、沉降计算和边坡断面设计方法，并探讨了换填、强夯、排水固结和CFG桩在软土地基处理中地具体应用。同时，依托某高速公路，利用软件PLAXIS计算了软土路基在不同CFG桩长下的工后沉降。
关键词：公路;软土路基;设计要点;地基处理;工后沉降;
作者简介：庞壮（1996—）,男,本科,助理工程师,从事路桥设计工作。;
0 引言
中国地大物博，工程地质条件较为复杂，遇上软土是公路建设的必然。软土一般指沉降变形大、抗剪强度的淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等。如果在路基设计期间没能采取合理的处治措施，在运营期间反复车辆荷载作用下，公路容易出现路面沉陷、边坡失稳等病害，干扰行车安全性和舒适度，并造成不良的社会影响。国内外很多学者也采用理论推导、数值模拟、室内试验等手段对软土路基沉降变形规律开展研究，并提出了许多处治措施。但由于软土变形机理的复杂性，并未形成统一成果来指导软土地区公路工程的设计和施工[1]。因此，进一步研究软土地区公路路基设计及地基处治措施是一项十分有价值的工作。
1 软土路基分类及工程特性
1.1 软土路基分类
软土分类方法众多，目前尚无统一标准，甚至不同建设主管部门所颁布的规范也不一致。《公路路基设计规范》（JTG D300—2015）以天然含水量、孔隙比、内摩擦角、压缩系数、内摩擦角和剪切强度为评价指标来判定软土，具体参数见表1[2]。建议公路路基在设计期间参考现行公路行业规范。
表1 公路软土路段判定标准 下载原图
1.2 软土路基工程特性
1.2.1 渗透性差
公路软土地基渗透系数很小（约1×10-5～1×10-6 cm/s），透水性能差。同时，软土的渗透系数表现出明显的各向异性，各方向的透水能力不同，不仅会使土体内水分难以排出，影响软土固结速率，还会受车辆荷载影响产生动水压力，破坏土体结构。
1.2.2 沉降量大
软土路基孔隙比大、压缩性高，在车辆反复加荷-卸荷作用下，软土路基会出现较大的弹塑性变形。公路软土路基总沉降等于瞬时沉降、主固结沉降、次固结沉降之和。根据相关研究成果，主固结沉降在软土地基总沉降的占比最大，可达90%以上，而瞬时沉降和次固结沉降是随时间动态变化，沉降量也较小，在设计时一般不考虑。
1.2.3 抗剪强度低
在路基填土重力和车辆荷载下，软土由于含水量高，抗剪强度指标低(快剪粘结力<10 k Pa，快剪内摩擦角<5°)易发生剪切破坏，造成路面沉陷、边坡失稳、滑坡等病害。
2 公路软土路基填筑设计原则及设计要点分析
2.1 软土路基设计原则
为了保证软土路基在建设和运营期间的安全，在设计期间应坚持以下原则[3]:(1)对于设置在软土路段的涵洞和挡土墙等构造物，应结合稳定性验算结果确定地基处理方式，并在地基沉降稳定后再修筑构造物，以免软土地基变形过大对其产生破坏。(2)为避免路面在运营期间出现大面积开裂、沉陷等，减轻路桥过渡段不均匀沉降，应结合公路等级、工程位置等严格控制软土路基容许工后沉降。对于高速公路和一级公路，一般路段、箱涵和箱型通道处、桥台与路基相邻处的容许工后沉降控制在30 cm、20 cm和10 cm。对于干线二级公路，一般路段、箱涵和箱型通道处、桥台与路基相邻处的容许工后沉降控制在50 cm、30 cm和20 cm。
2.2 地基表面处理设计
2.2.1 清表
软土路基在填筑之前，需用挖掘机、推土机等机械设备对地基表面进行处理，清表厚度一般在20～30 cm。如果软土所在地区地下水位高，还应在路基两侧开挖临时排水沟，降低地下水对路基湿度的影响，使路基长期保持干燥状态。
2.2.2 填前碾压
软土地基表层应采用不小于20 t的压路机碾压密实，以保证地基承载力，降低路基工后沉降。《公路路基设计规范》（JTG D300—2015）要求二级及二级以上公路的地基压实度不小于90%，三、四级公路的地基压实度不小于85%。公路软土地基压实度K检验一般选择灌砂法或环刀法，计算可按式（1)[4]:
式中，ρ—软土现场实测干密度（g/cm3）；ρ0——软土室内试验最大干密度（g/cm3）。
2.3 路堤填筑设计要点
2.3.1 极限高度确定
软土路基填筑的极限高度指在天然地基上快速填土，能确保路堤稳定的最大填高。路基横断面最大高度不宜超过极限高度，否则需对其补充相应的处治措施。软土路基极限高度值与地基土及填料性质、滑动面位置等因素密切相关。当地基软土层较薄和软土路基极限高度Hc计算用式（2):
式中，Nc——稳定因数（无量纲）；ck——软土的黏聚力（k Pa);γ——软土路基填料重度，通常取17.5～19.5 k N/m3。
如果地基软土层很厚，滑动面不一定能和软土层底面相切，此时根据式（3）计算路基极限高度Hc:
对于非均质软土地基，不同土层的物理力学参数不同，变形能力也不同，其路基极限高度不能按上式简单推算。设计人员可利用极限平衡法或数值模拟法对不同高度的软土路基进行稳定性验算，通过试算找出路基失稳时（安全系数小于1）的路基填高，此值就是路基极限填土高度。如果施工工期不紧张，业主单位可要求施工单位在现场填筑试验段，以验证设计图纸中的极限填土高度。
2.3.2 应力及沉降计算
公路软土路基沉降大小与路基自重应力和地基附加应力密切相关。随着填土高度的增加，路基自重应力也不断增加，但增加速率并不是固定的。主要原因在于：《公路路基设计规范》（JTG D300—2015）对路基各个结构层的压实度要求不同（比如高速公路上路床要求96%压实度、上路堤要求93%压实度），导致各个结构层的填土重度有差异。因此，在计算路基填土重力时，应根据路基压实度分层计算。路基填土在地基中引起的附加应力计算时，可将路基视作条形基础，根据深度与基础宽度的比值查规范附录中的附加应力系数表或平均附加应力系数表计算[5]。软土地基主固结沉降可用“分层总和法”计算。该方法公式简单，计算所需参数少，不考虑地层的横向涨缩，计算公式如下：
式中，hi—第i层土厚度（m);Esi—第i层土压缩模量（MPa）；ΔPi—第i层土附加应力（k Pa);n—土层个数。
此外，随着计算机技术的发展和有限元理论的完善，越来越多的软土路基在计算沉降时也开始采用ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS等有限元软件。
2.3.3 路基断面设计
若软土路基坡高度≤20 m时，其坡率应不陡于表2中的参考值，坡面形式宜采用折线型。
表2 软土路基边坡坡率设计值 下载原图
如果软土路基边坡高度>20 m，并将其视作高路堤开展工点设计。边坡坡率应结合路基安全系数计算结果确定，边坡形式宜采用阶梯形（平台宽度≥2 m）。
3 公路软土地基常用处理方法
3.1 换填法
换填法是最简单的软土地基处理措施，只需要利用挖土机械将公路红线范围内的软弱土层挖除，回填强度好、承载力大的材料，并逐层压实，压实度≥93%。换填法的处理深度一般<3 m，深厚软土地基使用换填法处理经济效益不佳。
3.2 强夯法
强夯法处理软土地基的主要有主夯、副夯和满夯，具体步骤如下：清理整平场地→夯点放样→主夯→夯坑内回填碎石或砂砾→副夯→夯坑内回填碎石或砂砾→满夯→测量场地高程→地基承载力检验。强夯法设计关键是确定夯击次数和夯击能，以免周围土体隆起或夯坑过深。当单击夯击能在<2 000 k N·m、2 000～4 000 k N·m,>4 000 k N·m范围内，最后两击的平均夯沉量要求分别为≤50 mm、≤100 mm、≤200 mm。
3.3 排水固结法
排水固结法适用的最大处理深度约12 m，超出此深度，孔隙水压力消散困难。公路软土路基的排水固结体系包括排水体系（袋装砂井、塑料排水板等）和加压体系（堆载预压、真空预压等）两部分，二者相辅相成，相互协同，才能将孔隙水顺利排出。
3.4 CFG桩
CFG桩由碎石、粉煤灰、水泥等材料设计比例混合而成，属于刚性桩，能有效加固深厚软土地基。CFG桩的桩顶宜铺一层厚度30～50 cm、最大粒径<30 mm的褥垫层，桩体与桩间土借助褥垫层与路基连接，形成整体结构，共同承担上覆填土重力和反复车辆荷载。同时，CFG桩加固软土地基时，桩间距一般取4～5倍桩径，桩长结合地基沉降计算结果确定（桩长不宜超过30 m），桩端应伸入承载力良好的持力层不小于50 cm，以充分发挥CFG桩的加固作用。
对于软土工程性能较差、施工工期短的路段，可将上述多种措施联合使用，加快软土排水固结。
4 公路软土地基处理实例
研究对象为某高速公路项目，计算断面为K12+880处软土路基。该断面位于桥台与路基相邻处，设计荷载为公路I级，路基宽度26 m，行车道和土路肩横坡分别为2%、4%，路基中心填高为6.5 m，坡比为1∶1.5，路堤填料为砂土，地基土从上到下分别为杂填土、淤泥质粉土和粉砂持力层。由于淤泥质土埋深大，拟选择水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩）进行处理，桩间距取1.6 m，桩径取0.5 m。为了确定CFG桩桩长，该文利用PLAXIS软件建立二维平面模型，如图1所示。
随后，利用PLAXIS软件计算了桩长为6 m、8 m、10 m、12 m、14 m时软土路基的工后最大沉降，计算结果见图2。
由图2可知：在桩间距和桩径不变的条件下，软土路基工后沉降随桩长的增加而降低。当桩长小于10 m，软土路基沉降降低速率快；而当桩长超过10 m，工后沉降变化不明显。这说明桩长10 m时，桩端已伸入承载力良好的持力层，继续增加桩长对沉降的改善效果不明显，也是不经济的。
图2 不同CFG桩桩长下软土路基工后沉降 下载原图
5 结论
该文主要探讨了公路软土路基的划分标准、工程特性、设计要点和处治措施等，并利用有限元软件计算了某高速公路路基工后沉降，得到以下几方面的结论：
(1）软土路基无统一划分标准，但基本都具有渗透系数小、沉降量大、抗剪强度指标低等特征。
(2）公路软土路基在填筑前应清表和碾压地基，并控制好填筑极限高度、工后沉降、边坡坡率等。
(3）公路软土地基常用处治措施有换填、强夯、排水固结和CFG桩复合地基等，在设计时需对各种处理措施的适用范围及工程造价进行对比。
(4）软土路基工后沉降随桩长增加而降低，桩端进入持力层后继续提高桩长意义不大。
图1 CFG复合地基计算模型 下载原图
参考文献
[1] 刘磊波,余小江.高速公路路基设计及软土地基处理方法探索[J].江西建材,2013(4):204-205.
[2] 张骉.软土路基填筑及地基处理设计研究[J].黑龙江交通科技,2021(10):17-18.
[3] 崔强,钟杰,肖彬,等.Dynamo参数化设计在软土路基处理中的应用研究[J].重庆建筑，2021(2):24-27.
[4] 邓珍旺.影响软土路基沉降的因素及处理措施设计分析[J].运输经理世界,2021(1):13-14.
[5] 赵鑫.研究软土地区公路路基设计及处理方法[J].黑龙江交通科技,2020(6):69+71.
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