軟土公路路基設計要點分析

高 紫 君

(山西遠方路橋(集團)有限責任公司,山西 大同 037006)

0 引言

在省內的公路設計及施工實踐中，軟土路基結構形式較為常見，尤其是沿河及地下水充盈區域，公路路基的軟土特性尤為顯著；軟土結構由于天然含水率較高，土體顆粒間的內摩擦力值較小，經碾壓整平后的成型難度較大，在后期承載過程中容易出現局部應力集中，進而引起不均勻沉降，嚴重影響公路承載能力及行車平順性。因此，為了提升軟土路基的承載能力，控制軟土路基的不均勻沉降量，必須做好軟土路基的工程勘察及設計工作。文章以省內某軟土路基設計標段為研究案例，就軟土路基的設計要點進行案例分析。

1 公路軟土路基結構特性分析

根據最新頒布的JTG D30—2015公路路基設計規范中的相關要求，在對軟土路基進行鑒別過程中，主要以表1中列出的主要參數為鑒定標準。

根據表1相關數據指標并結合公路路基勘察設計實踐可知，全國范圍內的公路軟土路基相關參數及指標具有內在一致性，因此，可以認為省內的軟土路基也具備上述基本特性。軟土土體類型主要是指天然含水率超過40%，其中淤泥及淤泥質土體的天然含水率更高，局部可達80%以上，基本呈現流動狀，綜合承載能力較低，天然孔隙率大于土體液限值，經碾壓后難以成型。通過表1可知，軟土材料的天然孔隙率超過0.8，在外荷載和不良環境耦合作用下，土體將出現大變形，對于工程結構而言，大變形在工程上是絕對不允許出現的。由于軟土土體的壓縮性能較高，其壓縮系數值與其天然含水率呈現明顯的正相關關系。在工程施工過程中，在外荷載的擾動下，軟土土體的承載能力快速下降；卸載后，其強度有所恢復但總體上還是低于設計強度。此外，軟土的蠕變性特點也不容忽視，在軟土處理過程中，常用的處理方法有排水固結，在固結作用下，對軟土產生一定的剪切作用，軟土長期變形累積作用顯著，在外荷載作用下，很容易出現突然間的脆性破壞，瞬間喪失承載能力。

表1 公路軟土路基鑒定標準

2 公路軟土路基設計分析

在公路軟土路基設計實踐中，為了滿足設計質量，提升軟土路基的綜合承載能力和抗變形能力，必須遵循以下基本設計準則，以保證軟土路基在外荷載作用下的承載能力及沉降值始終處于可控制范圍內。

在軟土路基設計過程中，基本設計流程如下：第一，做好工程勘察工作，根據標段公路路面層及上部車輛荷載對軟土路基的承載要求，確定軟土路基的天然承載能力是否滿足設計需求；如果滿足設計要求，可以直接對天然路基進行夯實、平整，直接使用；如果軟土路基天然承載能力不滿足要求，應對軟土路基進行改良，提升路基的綜合承載能力及抗變形能力。表2中列出不同層面位置的軟土路基處理方式。以軟土路基的勘察資料為基礎，分析軟土路基的處理可行性，進行技術方式比選，以指導后續軟土路基施工實踐。

表2 不同層面位置的軟土路基處理方式

3 省內某省道軟土路基公路設計案例分析

3.1 項目概況

在公路軟土路基設計過程中，為了提升軟土路基的綜合承載能力，延長軟土路基公路的服役年限，做好公路軟土路基在外荷載作用下的沉降控制工作。文章以省內某標段公路軟土路基設計案例為研究對象，就軟土路基設計過程中的相關設計參數選取、復合式路基相關計算進行針對性分析，以提升省內軟土路基的綜合設計能力。通過分析工程勘察出具的地質勘察報告可知，該標段總里程為160 km，其中，部分標段處于沿河路段或者地下水充盈區域，天然路基土體含水率較高，土體天然孔隙率較大，根據現場勘察報告可知，軟土路基標段長度累計35 km，軟土類型主要以淤泥及淤泥質土為主。

3.2 標段軟土路基設計參數

基于既有的公路施工地質勘察資料及報告，根據軟土路基的力學特性，擬定選用CFG復合樁進行軟土路基處置和加固，在設計階段，相關的設計參數如下：

第一，CFG復合樁長度設計計算。根據地質勘察報告可知，軟土路基的不同土層的承載能力存在較大差異，根據不同的軟土路基承載能力特點，確定樁基礎的持力端實踐長度，實際樁長，該路段位置的淤泥質軟土的埋置深度介于3.5 m～7.5 m之間，CFG樁的設計長度均值為5.5 m，最大位置的樁長為9.8 m，滿足CFG復合樁能夠穿過對應位置的軟土層。

第二，CFG復合樁直徑設計。根據地質勘察資料確定選用振動沉管樁施工技術，沉管的直徑設計值為0.3 m，為了預留一定的承載裕度，將樁基礎的直徑值設定為0.4 m。

第三，CFG樁基礎間距。根據既有的工程經驗，選定樁基礎的設計樁間距值以樁基礎直徑的4倍～5倍為宜，據此，樁基礎的設計間距為1.5 m～2 m。

第四，CFG樁基礎強度等級。根據軟土地層的分布形式及相關參數，計算CFG樁基礎的承載能力標準值為220 kN，樁基礎的強度等級為5.5 MPa。綜合分析各種影響因素，最終確定的CFG復合樁的設計強度值為15 MPa。

第五，地下墊層厚度指標。該設計路段的上部結構屬于柔性路堤結構，荷載類型為柔性荷載；其中，CFG復合樁的地基墊層厚度值取用值為0.4 m，擬選用施工區域周邊的河砂，降低后期軟土路基的處置難度和資金投入。

第六，CFG復合樁分布方式。該工程項目中選用截面為方形的滿堂分布方式。

3.3 復合式軟土路基計算

在設計過程中，CFG復合樁地基承載能力計算選用以下計算公式：

其中，fspk為CFG復合樁基礎承載能力特征值，kPa；m為面積置換比例；Rα為單樁基礎豎向承載能力特征值，kN；Ap為樁基礎截面面積，m2；α為樁基礎強度提升系數；β為CFG復合樁承載能力折減系數值，位于0.7～0.85。

通過地質勘察資料可知，該路段位置的天然承載能力均值為70 kPa，β=0.7，CFG復合樁間距值為1.5 m,1.8 m,2 m，得到對應的樁基礎承載能力特征值分別為405 kPa,300 kPa,238 kPa。對應標段的軟土路基回填土厚度值為6.5 m，綜合分析路面承載能力、承載儲備，如果CFG樁基礎間距值為2 m，樁基礎的承載特征值為169 kPa，滿足設計容許值。

4 結語

軟土路基結構具備天然含水率高、承載強度值較低、夯實整平成型難度大等特點，是決定公路施工質量的關鍵因素。在軟土路基設計實踐中，應全面開展地質勘察工作，必須重視設計質量和精度，做好路基綜合承載力、沉降值計算，確保后續施工、交竣工階段順利推進。