山區高速公路的高路堤設計

鄭茂營

1 高路堤的形成原因、概念和特點

近年來，我國高速公路建設蓬勃發展，已經從平原發展到山區。由于山區地形起伏變化復雜，路線縱坡受到構造物及地形制約，一些狹窄的“V形”溝谷和傍山的地段不可避免的出現高填方路堤，也稱作高路堤。我國現行公路規范中對高路堤沒有明確、嚴格的定義，一般情況認為水稻田或長年積水地帶，用細粒土填筑的路堤高度在6 m以上，其他路堤填筑高度超過12 m(碎石、粗砂、中砂為路堤填料)或20 m(其他材料)可視為高填路堤[1]。與一般路堤比較而言，高填路堤具有以下幾個特點[2]:1)填筑高度大，需要對路堤邊坡進行驗證，要求路堤本身具有足夠的整體強度和邊坡穩定性;2)由于高路堤填筑斷面面積很大，填筑工程量巨大，路堤的填筑缺陷相對較多，填筑質量保證較為困難;3)路堤本身累積沉降大，對路堤單位填筑高度的工后沉降量要求更嚴格;4)由于荷載相對較大，需對地基強度進行驗算，要求地基承載力高、穩定性好;5)地基沉降大，填筑過程中需對地基進行監測，控制總沉降量和沉降速率，確保高路堤地基的穩定。

2 高路堤設計內容

1)填料的確定與壓實標準;2)確定路基橫斷面的邊坡形式與邊坡坡率;3)穩定性驗算;4)路堤基底的處理;5)高路堤穩定與沉降的監測設計。下面本文以杭州—瑞麗高速公路湖北省陽新—通城段(通山—通城段，以下簡稱“杭瑞高速”)為實例，論述山區高速公路的高路堤設計。

3 高路堤實例設計

3.1 項目區地形地貌與地質概況

本項目地貌單元屬鄂南低山丘陵區，由一系列褶皺山地構成，地形地貌骨架主要受東西向及部分北東向構造所控制，山脈走向、地形地貌單元總體呈近東西向展布。線位區地勢從東往西總體呈現高低相間的串珠狀展布，即四個山地串聯三個呈東西向展布的盆地。微地貌類型以碳酸鹽巖、碎屑巖分布區的低山丘陵地貌和以松散巖、侵入巖為主的丘陵壟崗地貌交互出現，呈現低山、丘陵、壟崗、洼地相間組合。沿線出露地層巖性主要為:震旦系硅質灰巖，寒武系白云質灰巖、炭質灰巖，奧陶系灰巖，白云質灰巖，志留系粉砂巖、粉砂質頁巖、頁巖，白堊及第三系礫巖、含礫砂巖，砂礫巖，花崗巖、花崗閃長巖等中生代侵入巖。

3.2 高路堤劃分原則

本項目以路堤邊坡高度或中心填高是否不小于20 m來作為主要判定高路堤的原則，局部高度在15 m～20 m間的路堤，由于地基土的性質比較差，為設計安全考慮，也作為了高路堤來設計，本項目單獨作為工點設計的高路堤共有17處。

3.3 填料的確定與壓實標準

填料級配要求應滿足部頒規范要求。路基壓實采用重型壓實標準，路基填料最小CBR值、填料最大粒徑及壓實度指標應符合表1規定的要求。為提高路堤的強度與均勻性，避免路面的早期損壞，提高路面的服務水平，高路堤在施工至地面以上每4 m高時及上路堤頂面時，分別采用25 kJ三邊形沖擊式壓路機進行補壓，碾壓遍數為20遍。路堤的壓實度標準相應在規范要求的基礎上提高1%。為保證路基邊緣部分的壓實度，路堤兩側填筑寬各增加30 cm，最后削坡。

表1 高路堤填料最小CBR值、最大粒徑及壓實度標準

3.4 確定路基橫斷面的邊坡形式與邊坡坡率

目前在工程中，高路堤的橫斷面有兩種形式:折線型和平臺型。采用何種形式，需根據項目實際特點決定。本項目高路堤邊坡高度高，為增加路堤的穩定性，故采用有平臺折線型形式，即初步擬定在邊坡高度為8 m，20 m處設置2 m寬平臺，邊坡坡率上部第一級為1∶1.5，中間第二級為1∶1.75，下部第三級為 1∶2。

3.5 高路堤穩定性驗算

3.5.1 高路堤穩定性分析內容及方法

高路堤穩定性分析一般包括路堤堤身的穩定性、路堤和地基的整體穩定性[3]。用帶有粘性的土填筑的路堤，坍塌時的破裂滑動面形狀為一曲面，為簡化計算，通常近似為一圓柱面(圓弧)，實踐證明與實際情況差異不大。因此，對于高路堤堤身的穩定性、堤身和地基的穩定性驗算，路基規范采用了圓弧滑動法進行計算，推薦了計算精度較高、工程中最常用的簡化畢肖甫法。

3.5.2 高路堤穩定性結果分析

根據地基承載力情況，本項目高路堤工點基底類型可分為以下三類:1)軟土地基;2)軟弱地基(地基承載力介于100 kPa～150 kPa間的軟～可塑狀土層，下同);3)非軟土或非軟弱地基。對計算結果分析表明:1)堤身穩定性均大于規范規定的穩定安全系數取值，表明擬定的橫斷面尺寸是合理的;2)路堤和地基的整體穩定性除軟土或軟弱地基工點外，一般大于規范規定的穩定安全系數取值;3)對軟土或軟弱地基經過相關處理后，路堤和地基的整體穩定性也滿足了規范要求，表明處理措施是合理的。

3.5.3 加強高路堤穩定性的措施

本項目為了增加路堤堤身的穩定性，在每處路堤堤身中下部布置了3層土工格柵，垂直間距2 m，最底下一排距離地表不小于1 m。土工格柵幅寬4 m，其極限抗拉強度要求縱、橫向均不小于50 kN/m，極限伸長率不大于3%;采用凸結點加筋格網，以減少網格間脫落現象，結點剝離力應大于400 N。施工時格柵鋪設與路基土填筑交替進行;路基填料應嚴格分層壓實，其壓實順序應先從格柵靠近錨釘的一端開始，逐步碾壓至格柵尾部。土工格柵鋪設時，端部應反折2 m，同時沿路線縱向結合部應重疊0.5 m。

3.6 路堤基底的處理

3.6.1 換填或拋石擠淤處理

本項目以3 m厚度為界限，對于厚度不大于3 m的軟弱路段以及地基承載力不足的非軟弱路段采用換填碎石土，并碾壓處理，壓實度大于90%。唯一的軟土地基高路堤，由于軟土分布范圍小，且厚度不是很深，為此采用換填與拋石擠淤相結合的措施處理，即坡腳洼地地表3.5 m內換填碎石土并碾壓處理，壓實度應大于90%;坡腳下部3.5 m～4.6 m采用拋塊石后沖擊碾壓，塊石材料必須為不易風化、較完整的石塊，當塊石拋到換填底部以上1 m時，在表面采用沖擊式碾壓20遍處理，使得塊石擠壓密實，軟塑狀粉質黏土被充分擠出。

3.6.2 強夯法處理

1)根據《建筑地基處理技術規范》中按地基土類和單擊夯擊能列出的有效加固深度參考，確定單擊夯擊能為1 000 kN/m。2)一般情況下夯錘重可取10 t～20 t，其底面形式宜采用圓形，錘底面積宜按土的性質確定，錘底靜壓力值可取25 kPa～40 kPa，對于細顆粒土錘底靜壓力宜取小值;錘的底面宜對稱設若干個與其頂面貫通的排氣孔，孔徑可取250 mm～300 mm。3)夯擊次數:應按現場試夯得到的夯擊次數和夯沉量關系曲線確定，且應同時滿足最后兩擊的平均夯沉量不大于50 mm、夯坑周圍地面不應發生過大的隆起以及不因夯坑過深而發生起錘困難這三個條件。4)夯擊點位置可采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布置。第一次夯擊點間距可取5 m，以后逐次交錯移動夯點位置，直至互相搭接1/2夯痕為止。5)根據初步確定的夯擊參數，提出滿夯試驗方案，進行現場試夯。應根據不同土質條件待試夯結束數周后，對試夯場地進行測試，并與夯前測試數據進行對比，檢驗滿夯效果，確定工程采用的各項夯擊參數。

3.6.3 沖擊碾壓處理

本項目對于厚度在2 m以內、地基承載力與所需承載力差值在100 kPa以內的非軟土或軟弱地基土采用了25 kJ三邊形沖擊式壓路機進行補壓，碾壓遍數為20遍。其施工工藝為:以CYZ25三邊形沖擊壓實機為例，輪寬0.9 m，輪間距1.17 m，往返一次沖碾寬度4.0 m。當采用沖擊碾壓法進行補壓時，每行駛兩次為一遍，每單雙兩遍為一沖壓單元。施工時首先清理、平整場地，放線確定沖碾補壓范圍，并進行第一遍第一次沖碾，完畢進行第一遍第二次沖碾時，單輪從第一次沖壓輪正中通過。第三遍則又回復到第一遍的位置沖碾，直至達到最終的設計遍數。

3.6.4 挖臺階處理

當高路堤地基地面自然橫坡陡于1∶5時，應在原有坡面或換填坡面開挖臺階，每級臺階寬為2.0 m，設2%向內傾斜的橫坡，以增加路堤的壓實與穩定性。

3.7 高路堤穩定與沉降的監測設計

高路堤施工監測主要調查范圍為路槽底部的調查，邊坡坡面及坡腳的調查以及施工完畢布設的觀測樁的調查。主要調查內容為這些位置有無裂縫、凹陷、鼓脹以及邊坡有無變形，同時記錄這些問題產生的時間，發展情況。觀測樁采用木樁或者預制混凝土圓樁(或方樁)，長50 cm，直徑8 cm，嵌入地面或堤身 45 cm，所有觀測樁需布設在同一斷面上。前期每3 d觀測一次，若出現異常情況，可加密監測周期，觀測數據應反映出水平向位移與垂直向位移的數據。當路堤沉降和穩定趨于平穩后，可半月或一個月觀測一次，整個觀測過程持續到路面工程施工開始。

4 結語

高路堤是山區高速公路路基設計中主要的控制工程之一。當路線方案不能優化而不得不形成高填方路基時，高路堤方案需與橋梁方案做安全、經濟方面的比較，從而選擇最優方案。當高路堤方案較優時，對其設計我們必須引起高度重視，因為高路堤的設計內容并不是獨立的，而是相互聯系、制約的，任何一部分的設計錯誤或欠缺都會導致路基病害的發生，從而影響行車安全。目前，杭瑞高速公路的路基主體部分已施工完畢，每處高路堤均未發生病害，可見上述設計是合理的。

[1] JTG F10-2006，公路路基施工技術規范[S].

[2] 王明懷.高等級公路施工技術與管理[M].北京:人民交通出版社，1999:33-39.

[3] JTG D30-2004，公路路基設計規范[S].

[4] 林 彤.地基處理[M].武漢:中國地質大學(武漢)出版社，1998:5.