摘要 為提高軟土地區(qū)公路項(xiàng)目建設(shè)水平，總結(jié)了軟土分類標(biāo)準(zhǔn)和主要工程特性，分析了軟土路基地表處理、填筑極限高度計(jì)算、沉降計(jì)算和邊坡斷面設(shè)計(jì)方法，并探討了換填、強(qiáng)夯、排水固結(jié)和CFG樁在軟土地基處理中地具體應(yīng)用。同時(shí)，依托某高速公路，利用軟件PLAXIS計(jì)算了軟土路基在不同CFG樁長(zhǎng)下的工后沉降。

關(guān)鍵詞 公路；軟土路基；設(shè)計(jì)要點(diǎn)；地基處理；工后沉降

中圖分類號(hào) U416.6 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2023）06-0105-03

0 引言

中國(guó)地大物博，工程地質(zhì)條件較為復(fù)雜，遇上軟土是公路建設(shè)的必然。軟土一般指沉降變形大、抗剪強(qiáng)度的淤泥、淤泥質(zhì)土、泥炭、泥炭質(zhì)土等。如果在路基設(shè)計(jì)期間沒能采取合理的處治措施，在運(yùn)營(yíng)期間反復(fù)車輛荷載作用下，公路容易出現(xiàn)路面沉陷、邊坡失穩(wěn)等病害，干擾行車安全性和舒適度，并造成不良的社會(huì)影響。國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者也采用理論推導(dǎo)、數(shù)值模擬、室內(nèi)試驗(yàn)等手段對(duì)軟土路基沉降變形規(guī)律開展研究，并提出了許多處治措施。但由于軟土變形機(jī)理的復(fù)雜性，并未形成統(tǒng)一成果來指導(dǎo)軟土地區(qū)公路工程的設(shè)計(jì)和施工[1]。因此，進(jìn)一步研究軟土地區(qū)公路路基設(shè)計(jì)及地基處治措施是一項(xiàng)十分有價(jià)值的工作。

1 軟土路基分類及工程特性

1.1 軟土路基分類

軟土分類方法眾多，目前尚無統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，甚至不同建設(shè)主管部門所頒布的規(guī)范也不一致?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D300—2015）以天然含水量、孔隙比、內(nèi)摩擦角、壓縮系數(shù)、內(nèi)摩擦角和剪切強(qiáng)度為評(píng)價(jià)指標(biāo)來判定軟土，具體參數(shù)見表1[2]。建議公路路基在設(shè)計(jì)期間參考現(xiàn)行公路行業(yè)規(guī)范。

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(shù)很?。s1×10-5～1×10-6 cm/s），透水性能差。同時(shí)，軟土的滲透系數(shù)表現(xiàn)出明顯的各向異性，各方向的透水能力不同，不僅會(huì)使土體內(nèi)水分難以排出，影響軟土固結(jié)速率，還會(huì)受車輛荷載影響產(chǎn)生動(dòng)水壓力，破壞土體結(jié)構(gòu)。

1.2.2 沉降量大

軟土路基孔隙比大、壓縮性高，在車輛反復(fù)加荷－卸荷作用下，軟土路基會(huì)出現(xiàn)較大的彈塑性變形。公路軟土路基總沉降等于瞬時(shí)沉降、主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降之和。根據(jù)相關(guān)研究成果，主固結(jié)沉降在軟土地基總沉降的占比最大，可達(dá)90%以上，而瞬時(shí)沉降和次固結(jié)沉降是隨時(shí)間動(dòng)態(tài)變化，沉降量也較小，在設(shè)計(jì)時(shí)一般不考慮。

1.2.3 抗剪強(qiáng)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(qiáng)度指標(biāo)低（快剪粘結(jié)力＜10 kPa，快剪內(nèi)摩擦角＜5°）易發(fā)生剪切破壞，造成路面沉陷、邊坡失穩(wěn)、滑坡等病害。

2 公路軟土路基填筑設(shè)計(jì)原則及設(shè)計(jì)要點(diǎn)分析

2.1 軟土路基設(shè)計(jì)原則

為了保證軟土路基在建設(shè)和運(yùn)營(yíng)期間的安全，在設(shè)計(jì)期間應(yīng)堅(jiān)持以下原則[3]：①對(duì)于設(shè)置在軟土路段的涵洞和擋土墻等構(gòu)造物，應(yīng)結(jié)合穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果確定地基處理方式，并在地基沉降穩(wěn)定后再修筑構(gòu)造物，以免軟土地基變形過大對(duì)其產(chǎn)生破壞。②為避免路面在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)大面積開裂、沉陷等，減輕路橋過渡段不均勻沉降，應(yīng)結(jié)合公路等級(jí)、工程位置等嚴(yán)格控制軟土路基容許工后沉降。對(duì)于高速公路和一級(jí)公路，一般路段、箱涵和箱型通道處、橋臺(tái)與路基相鄰處的容許工后沉降控制在30 cm、20 cm和10 cm。對(duì)于干線二級(jí)公路，一般路段、箱涵和箱型通道處、橋臺(tái)與路基相鄰處的容許工后沉降控制在50 cm、30 cm和20 cm。

2.2 地基表面處理設(shè)計(jì)

2.2.1 清表

軟土路基在填筑之前，需用挖掘機(jī)、推土機(jī)等機(jī)械設(shè)備對(duì)地基表面進(jìn)行處理，清表厚度一般在20～30 cm。如果軟土所在地區(qū)地下水位高，還應(yīng)在路基兩側(cè)開挖臨時(shí)排水溝，降低地下水對(duì)路基濕度的影響，使路基長(zhǎng)期保持干燥狀態(tài)。

2.2.2 填前碾壓

軟土地基表層應(yīng)采用不小于20 t的壓路機(jī)碾壓密實(shí)，以保證地基承載力，降低路基工后沉降?！豆仿坊O(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D300—2015）要求二級(jí)及二級(jí)以上公路的地基壓實(shí)度不小于90%，三、四級(jí)公路的地基壓實(shí)度不小于85%。公路軟土地基壓實(shí)度K檢驗(yàn)一般選擇灌砂法或環(huán)刀法，計(jì)算可按式（1）[4]：

（1）

式中，ρ—軟土現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)干密度（g/cm3）；ρ0——軟土室內(nèi)試驗(yàn)最大干密度（g/cm3）。

2.3 路堤填筑設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.3.1 極限高度確定

軟土路基填筑的極限高度指在天然地基上快速填土，能確保路堤穩(wěn)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(duì)其補(bǔ)充相應(yīng)的處治措施。軟土路基極限高度值與地基土及填料性質(zhì)、滑動(dòng)面位置等因素密切相關(guān)。當(dāng)?shù)鼗浲翆虞^薄和軟土路基極限高度Hc計(jì)算用式（2）：

（2）

式中，Nc——穩(wěn)定因數(shù)（無量綱）；ck——軟土的黏聚力（kPa）；γ——軟土路基填料重度，通常取17.5～19.5 kN/m3。

如果地基軟土層很厚，滑動(dòng)面不一定能和軟土層底面相切，此時(shí)根據(jù)式（3）計(jì)算路基極限高度Hc：

（3）

對(duì)于非均質(zhì)軟土地基，不同土層的物理力學(xué)參數(shù)不同，變形能力也不同，其路基極限高度不能按上式簡(jiǎn)單推算。設(shè)計(jì)人員可利用極限平衡法或數(shù)值模擬法對(duì)不同高度的軟土路基進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，通過試算找出路基失穩(wěn)時(shí)（安全系數(shù)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(yè)主單位可要求施工單位在現(xiàn)場(chǎng)填筑試驗(yàn)段，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)圖紙中的極限填土高度。

2.3.2 應(yīng)力及沉降計(jì)算

公路軟土路基沉降大小與路基自重應(yīng)力和地基附加應(yīng)力密切相關(guān)。隨著填土高度的增加，路基自重應(yīng)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(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D300—2015）對(duì)路基各個(gè)結(jié)構(gòu)層的壓實(shí)度要求不同（比如高速公路上路床要求96%壓實(shí)度、上路堤要求93%壓實(shí)度），導(dǎo)致各個(gè)結(jié)構(gòu)層的填土重度有差異。因此，在計(jì)算路基填土重力時(shí)，應(yīng)根據(jù)路基壓實(shí)度分層計(jì)算。路基填土在地基中引起的附加應(yīng)力計(jì)算時(shí)，可將路基視作條形基礎(chǔ)，根據(jù)深度與基礎(chǔ)寬度的比值查規(guī)范附錄中的附加應(yīng)力系數(shù)表或平均附加應(yīng)力系數(shù)表計(jì)算[5]。軟土地基主固結(jié)沉降可用“分層總和法”計(jì)算。該方法公式簡(jiǎn)單，計(jì)算所需參數(shù)少，不考慮地層的橫向漲縮，計(jì)算公式如下：

（4）

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(yīng)力（kPa）；n—土層個(gè)數(shù)。

此外，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和有限元理論的完善，越來越多的軟土路基在計(jì)算沉降時(shí)也開始采用ANSYS、Midas、FLAC3D、PLAXIS等有限元軟件。

2.3.3 路基斷面設(shè)計(jì)

若軟土路基坡高度≤20 m時(shí)，其坡率應(yīng)不陡于表2中的參考值，坡面形式宜采用折線型。

如果軟土路基邊坡高度＞20 m，并將其視作高路堤開展工點(diǎn)設(shè)計(jì)。邊坡坡率應(yīng)結(jié)合路基安全系數(shù)計(jì)算結(jié)果確定，邊坡形式宜采用階梯形（平臺(tái)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(jiǎn)單的軟土地基處理措施，只需要利用挖土機(jī)械將公路紅線范圍內(nèi)的軟弱土層挖除，回填強(qiáng)度好、承載力大的材料，并逐層壓實(shí)，壓實(shí)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(jīng)濟(jì)效益不佳。

3.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)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(chǎng)地→夯點(diǎn)放樣→主夯→夯坑內(nèi)回填碎石或砂礫→副夯→夯坑內(nèi)回填碎石或砂礫→滿夯→測(cè)量場(chǎng)地高程→地基承載力檢驗(yàn)。強(qiáng)夯法設(shè)計(jì)關(guān)鍵是確定夯擊次數(shù)和夯擊能，以免周圍土體隆起或夯坑過深。當(dāng)單擊夯擊能在＜2 000 kN·m、2 000～4 000 kN·m，＞4 000 kN·m范圍內(nèi)，最后兩擊的平均夯沉量要求分別為≤50 mm、≤100 mm、≤200 mm。

3.3 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法適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(jié)體系包括排水體系（袋裝砂井、塑料排水板等）和加壓體系（堆載預(yù)壓、真空預(yù)壓等）兩部分，二者相輔相成，相互協(xié)同，才能將孔隙水順利排出。

3.4 CFG樁

CFG樁由碎石、粉煤灰、水泥等材料設(shè)計(jì)比例混合而成，屬于剛性樁，能有效加固深厚軟土地基。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，形成整體結(jié)構(gòu)，共同承擔(dān)上覆填土重力和反復(fù)車輛荷載。同時(shí)，CFG樁加固軟土地基時(shí)，樁間距一般取4～5倍樁徑，樁長(zhǎng)結(jié)合地基沉降計(jì)算結(jié)果確定（樁長(zhǎng)不宜超過30 m），樁端應(yīng)伸入承載力良好的持力層不小于50 cm，以充分發(fā)揮CFG樁的加固作用。

對(duì)于軟土工程性能較差、施工工期短的路段，可將上述多種措施聯(lián)合使用，加快軟土排水固結(jié)。

4 公路軟土地基處理實(shí)例

研究對(duì)象為某高速公路項(xiàng)目，計(jì)算斷面為K12+880處軟土路基。該斷面位于橋臺(tái)與路基相鄰處，設(shè)計(jì)荷載為公路I級(jí)，路基寬度26 m，行車道和土路肩橫坡分別為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，地基土從上到下分別為雜填土、淤泥質(zhì)粉土和粉砂持力層。由于淤泥質(zhì)土埋深大，擬選擇水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁）進(jìn)行處理，樁間距取1.6 m，樁徑取0.5 m。為了確定CFG樁樁長(zhǎng)，該文利用PLAXIS軟件建立二維平面模型，如圖1所示。

隨后，利用PLAXIS軟件計(jì)算了樁長(zhǎng)為6 m、8 m、10 m、12 m、14 m時(shí)軟土路基的工后最大沉降，計(jì)算結(jié)果見圖2。

由圖2可知：在樁間距和樁徑不變的條件下，軟土路基工后沉降隨樁長(zhǎng)的增加而降低。當(dāng)樁長(zhǎng)小于10 m，軟土路基沉降降低速率快；而當(dāng)樁長(zhǎng)超過10 m，工后沉降變化不明顯。這說明樁長(zhǎng)10 m時(shí)，樁端已伸入承載力良好的持力層，繼續(xù)增加樁長(zhǎng)對(duì)沉降的改善效果不明顯，也是不經(jīng)濟(jì)的。

5 結(jié)論

該文主要探討了公路軟土路基的劃分標(biāo)準(zhǔn)、工程特性、設(shè)計(jì)要點(diǎn)和處治措施等，并利用有限元軟件計(jì)算了某高速公路路基工后沉降，得到以下幾方面的結(jié)論：

（1）軟土路基無統(tǒng)一劃分標(biāo)準(zhǔn)，但基本都具有滲透系數(shù)小、沉降量大、抗剪強(qiáng)度指標(biāo)低等特征。

（2）公路軟土路基在填筑前應(yīng)清表和碾壓地基，并控制好填筑極限高度、工后沉降、邊坡坡率等。

（3）公路軟土地基常用處治措施有換填、強(qiáng)夯、排水固結(jié)和CFG樁復(fù)合地基等，在設(shè)計(jì)時(shí)需對(duì)各種處理措施的適用范圍及工程造價(jià)進(jìn)行對(duì)比。

（4）軟土路基工后沉降隨樁長(zhǎng)增加而降低，樁端進(jìn)入持力層后繼續(xù)提高樁長(zhǎng)意義不大。

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