高速公路特殊性巖土的特殊路基設(shè)計(jì)分析

王方方

（華設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司，江蘇 南京 210000）

在高速公路膨脹土和軟（弱）土路段，倘若未能做好路基設(shè)計(jì)，很容易造成路基坍塌、沉降等質(zhì)量問題，直接影響高速公路行車的安全穩(wěn)定。探討膨脹土和軟（弱）土路基的設(shè)計(jì)方案，以提高路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，保證工程質(zhì)量。

1 工程概況

既有寧杭高速公路于2008年8月建成通車，上坊互通至東山樞紐段既有高速公路為雙向8車道，設(shè)計(jì)車速為120 km/h，路基寬度為42.0m；東山樞紐至淳化互通段既有高速公路為雙向6車道，設(shè)計(jì)車速為120km/h，路基寬度為34.5m。沿線分布有膨脹土和軟（弱）土。高塑性、高液限、低強(qiáng)度的膨脹土均不能直接用于路基填筑。

2 特殊性巖土的特點(diǎn)與判別

2.1 膨脹土

膨脹土屬于一種特性較強(qiáng)的黏土，具有持水性、親水性、可塑性及黏聚性等特性，按照自由膨脹率等指標(biāo)可以對(duì)其進(jìn)行分類（表1）。

表1 膨脹土填料分類

2.2 軟（弱）土

軟（弱）土是指淤泥、淤泥質(zhì)土和部分沖填土、雜填土及其他高壓縮性土。在凈水或緩慢的水環(huán)境中沉積的具有下面工程地質(zhì)特征的土壤應(yīng)認(rèn)定為軟（弱）土。①天然含水量：w≥wL；②天然孔隙比：e≥1.0；③壓縮系數(shù)：a0.0-0.2＞0.5 MPa-1；④標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)錘擊數(shù)：N＜3；⑤力觸探比貫入阻力：Ps≤750 kPa；⑥“十”字板抗剪強(qiáng)度：Cu＜35 kPa。

黏性土具有上述多種特征，呈現(xiàn)出軟塑、流塑狀，具備高壓縮性、低強(qiáng)度、透水性差及高敏感性。

2.3 路基填料土樣檢測(cè)

無論是設(shè)計(jì)階段還是施工之前都應(yīng)對(duì)膨脹土路段路基的填料土進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)一步對(duì)土體的特性和類別進(jìn)行判別，主要是為后續(xù)路基形式設(shè)計(jì)和施工方法選擇方面提供重要的依據(jù)。抽取本次項(xiàng)目路基填料進(jìn)行試驗(yàn)，其各項(xiàng)數(shù)值結(jié)果見表2。

表2 填料土樣檢測(cè)結(jié)果

3 高速公路不良地質(zhì)特殊路基設(shè)計(jì)

3.1 不良地質(zhì)地段

項(xiàng)目區(qū)主要特殊土為填土、軟（弱）土、膨脹土、粉質(zhì)黏土夾碎石，無不良地質(zhì)現(xiàn)象。

3.1.1 填土

項(xiàng)目主要填土為1a層素填土和1b層填筑土。1a素填土層，灰黃色為主，以黏性土為主，土質(zhì)不均，局部夾少量碎石；本次勘察揭示層厚為0.50～5.50 m。施工時(shí)路基及橋臺(tái)路基段建議進(jìn)行清理換填處理，建議橋梁以樁基穿過。1b填筑土層，灰黃色為主，松散、稍密、中密，以黏性土為主，夾少量碎石及建筑垃圾，碎石粒徑為0.2～4 cm。主要分布于既有路段，層厚為2.00～2.30m。建議橋梁以樁基穿過。

3.1.2 軟（弱）土

項(xiàng)目沿線軟（弱）土主要為1-2層。1-2層軟（弱）土土性為淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土，灰黑色，流塑至軟塑狀，高孔隙比，高壓縮性，局部含腐殖物，揭示層底埋深為1.80～12.00m，層頂埋深為0.60～4.50m，層底高程為-2.94～21.93 m，層厚為0.80～8.60 m；主要分布于K5+130～K5+720段。有機(jī)質(zhì)含量為0.45%，為無機(jī)土。該層軟（弱）土埋深有一定起伏，埋深不大于3.0 m段建議進(jìn)行換填處理，埋深大于3.0 m段可采用水泥攪拌樁、預(yù)制管樁等處理措施。

3.1.3 膨脹土

本次勘察在沿線取土樣進(jìn)行膨脹性試驗(yàn)，根據(jù)《公路工程地質(zhì)勘察規(guī)范》（JTG C20—2011）相關(guān)規(guī)定[1]，進(jìn)行膨脹性分級(jí)，K5+048.662～K5+130段具弱膨脹性，其膨脹性等級(jí)與實(shí)際工程場(chǎng)地較為匹配。經(jīng)沿線地質(zhì)調(diào)查，沿線民用建筑、天然邊坡等均未發(fā)現(xiàn)較明顯的膨脹土病害情況。膨脹土對(duì)路基存在一定的安全影響，將其作為路基填料使用時(shí)，必須進(jìn)行摻灰或摻石料處理，并且應(yīng)做好排水措施，避免地基問題的出現(xiàn)。路基施工選用分段快速施工法，施工期間不允許暴露在陽光下或浸泡在水中，雨季施工作業(yè)時(shí)應(yīng)做好相關(guān)防水措施。

3.1.4 粉質(zhì)黏土夾碎石

沿線連續(xù)分布的4-1粉質(zhì)黏土夾碎石，性質(zhì)為灰黃色、紫紅色，可塑至硬塑狀，碎石粒徑為0.2～3 cm，含量約5%，較連續(xù)分布。4-1層粉質(zhì)黏土夾碎石由于局部碎石含量較多，粒徑較大，容易造成樁基施工困難，所以設(shè)計(jì)及施工時(shí)應(yīng)注意其對(duì)樁基施工的影響。

3.2 特殊路基處理原則

3.2.1 填土

本項(xiàng)目主要為淺層填土，路基段采用換填碎石處理。

3.2.2 軟（弱）土

從穩(wěn)定性、沉降和滿足結(jié)構(gòu)承載力要求等方面對(duì)地基處理進(jìn)行分析。采用有效固結(jié)應(yīng)力法對(duì)路堤穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。地基沉降量的主固結(jié)沉降Sc可以應(yīng)用分層總和法（Es和e-p曲線）進(jìn)行計(jì)算，并使用經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)進(jìn)行修正。經(jīng)驗(yàn)系數(shù)Ms為1.2～1.4。采用太沙基固結(jié)理論計(jì)算地基固結(jié)度。路基填筑期為120 d，路面施工期控制為90 d。地基處理基期為15年。地震力的計(jì)算應(yīng)符合現(xiàn)行《公路工程抗震規(guī)范》（JTG B02—2013）的規(guī)定，僅考慮水平向地震力[2]。

地基處理的控制指標(biāo)為工后沉降和路基穩(wěn)定性。壓縮層計(jì)算深度的控制原則是計(jì)算層底面上的附加應(yīng)力和有效自重應(yīng)力之比不得大于0.15，或者計(jì)算直至相對(duì)較硬層截止。在穩(wěn)定性驗(yàn)算過程中，根據(jù)路堤施工期和公路運(yùn)營(yíng)期的荷載，采用圓弧滑動(dòng)法計(jì)算穩(wěn)定安全系數(shù)。施工過程與運(yùn)營(yíng)期分別應(yīng)用直剪快剪指標(biāo)和固結(jié)快剪指標(biāo)，結(jié)合固結(jié)有效應(yīng)力法，兩者容許值分別為1.10和1.20。

根據(jù)《高速公路改擴(kuò)建設(shè)計(jì)細(xì)則》（JTG/T L11—2014）：路基拼寬部分必須符合橋頭工后沉降小于5cm、通道及涵洞處小于10cm、其他一般路段不大于15cm的要求[3]。根據(jù)《高速公路擴(kuò)建工程技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（DB32/T 3219—2017，江蘇省地方標(biāo)準(zhǔn)）：拼寬部分路基總沉降不大于15 cm，工后沉降不大于5 cm，既有道路中心附加沉降不大于3 cm[4]。根據(jù)省內(nèi)項(xiàng)目成功經(jīng)驗(yàn)及江蘇地方標(biāo)準(zhǔn)，本項(xiàng)目沉降控制標(biāo)準(zhǔn)：①拼寬路基的總沉降必須控制在小于15cm，同時(shí)工后沉降也要符合小于5cm的要求；②拓寬路基的路拱橫坡增加值應(yīng)控制在小于0.5%，相鄰路段不均勻沉降所誘發(fā)的縱坡變化應(yīng)小于0.4%。

3.2.3 膨脹土

選用分段快速作業(yè)法進(jìn)行膨脹土路基段基礎(chǔ)施工。施工期間，不得暴曬或浸泡在水中。雨天天氣施工時(shí)應(yīng)做好相應(yīng)防水措施；如果用作路基填料，應(yīng)加入一定量的石灰進(jìn)行改性。

3.3 特殊路基設(shè)計(jì)方案

3.3.1 拼寬路段特殊路基處理方案

經(jīng)考慮施工工藝、處理效果、對(duì)老路的影響及工期等因素，本階段特殊路基采用如下處理方案：①填土和軟（弱）土深度小于2m的路段可以應(yīng)用換填碎石法；②軟（弱）土深度小于2 m路段，原路地基未處理、應(yīng)用碎石墊層或砂墊層處理的拼寬路基采用水泥土雙向水泥攪拌樁處理。

3.3.2 縱斷面抬升路段

①地質(zhì)情況較好，既有道路和拼寬范圍沉降滿足要求時(shí)，均不處理；②既有道路抬升高度小，沉降滿足要求無須處理，如拼寬范圍不滿足要求，根據(jù)地質(zhì)情況采用泡沫輕質(zhì)土或雙向水泥土攪拌樁處理。

3.3.3 臨塘路段特殊路基處理技術(shù)

采用攪拌樁處理時(shí)，應(yīng)先打入河塘和坡腳范圍內(nèi)的樁基，然后進(jìn)行清淤和外部攪拌樁的施工。

3.3.4 臨界處處理方案

①橋樁臨近處（一般指互通樞紐匝道橋、支線上跨橋跨越主線和主線上跨橋跨被交路橋樁處）：應(yīng)在橋樁施工前進(jìn)行地基處理（優(yōu)先采用水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基處理形式），注意觀察沉降的速率，然后在立柱與上部結(jié)構(gòu)施工前鉆樁。②肋板式橋臺(tái)：應(yīng)在橋梁樁施工前期進(jìn)行地基處理工作（優(yōu)先采用水泥土雙向攪拌樁復(fù)合地基的處理形式），然后鉆樁，再澆筑承臺(tái)（肋板），最后填土。填土?xí)r，臺(tái)前臺(tái)后應(yīng)均衡填筑并壓實(shí)，臺(tái)前填土應(yīng)超寬50～100 cm填筑，最后削坡做錐坡。填土至臺(tái)帽底標(biāo)高以上后，再開挖路基至臺(tái)帽底標(biāo)高進(jìn)行臺(tái)帽施工，以保證臺(tái)帽下土的壓實(shí)度要求。③結(jié)構(gòu)物處處理方案。采用復(fù)合地基處理的結(jié)構(gòu)物路段，在開挖前先采用攪拌樁處理，處理后再開挖結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)。④泡沫輕質(zhì)土路段。路床上部壓頂采用C25水泥板壓頂，橫坡2%，水泥板最薄處為20 cm。下部采用輕質(zhì)土澆筑，當(dāng)路堤高度大于3 m時(shí)采用鋼筋混凝土擋墻，當(dāng)路堤高度小于3 m時(shí)路段采用裝配式護(hù)壁。在輕質(zhì)土澆筑前應(yīng)對(duì)澆筑區(qū)域的基底進(jìn)行檢查工作，保證基底沒有積水與雜物。⑤既有道路采用碎石墊層或砂墊層路段，拼寬范圍底部鋪設(shè)砂墊層，為了能將水排出，新建砂墊層要與原老路頂部砂、碎石墊層相連通。

3.4 膨脹土特殊路堤設(shè)計(jì)

3.4.1 膨脹土特殊路堤設(shè)計(jì)

試驗(yàn)段石灰儲(chǔ)量少但對(duì)環(huán)境污染大，可以應(yīng)用水泥對(duì)膨脹土進(jìn)行改性。特殊路堤結(jié)構(gòu)為膨脹土填充路堤。上封層用1.5m厚的4%水泥改性后的膨脹土，下封層用0.5 m厚的3%水泥改性土，邊緣包裹用3.5 m厚水泥改性土，填芯土以選用素膨脹土為主。

3.4.2 特殊膨脹土路堤邊坡設(shè)計(jì)

由于膨脹土填料的膨脹和收縮非常容易引起路堤病害，危害行車安全，所以應(yīng)依據(jù)膨脹土的性質(zhì)、類型和施工環(huán)境條件等因素來設(shè)計(jì)[5]。在檢驗(yàn)特殊膨脹土路堤穩(wěn)定性時(shí)，應(yīng)綜合考慮在不同含水量下膨脹土的強(qiáng)度變化特征，選用浸水條件下對(duì)抗剪強(qiáng)度值折減進(jìn)行特殊路堤檢驗(yàn)的整體穩(wěn)定性，而干收縮和濕膨脹條件下的衰減強(qiáng)度值應(yīng)當(dāng)做特殊路堤邊坡表層穩(wěn)定性的校核指標(biāo)。高速公路的路堤高度小于8m，故坡率采用1∶1.5單級(jí)坡。

3.4.3 膨脹土特殊路堤邊坡防護(hù)

由于膨脹土穩(wěn)定性比較差，路堤邊坡可選用支撐滲溝的方式，把長(zhǎng)、大填土坡面分成多個(gè)短小坡面，對(duì)邊坡土進(jìn)行加固，支撐路堤邊坡，優(yōu)化邊坡排水系統(tǒng)。根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)情況，坡面采用拱形骨架植草防護(hù)措施。砌體用碎石的強(qiáng)度不得低于30MPa，砌筑采用M7.5水泥砂漿，抹面和勾縫均采用M10水泥砂漿。

3.5 膨脹土特殊路塹設(shè)計(jì)

3.5.1 膨脹土特殊路塹設(shè)計(jì)

膨脹土特殊路塹施工過程中，先去除0.8 m厚的基礎(chǔ)膨脹土，并壓實(shí)基底。地基驗(yàn)收符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)后，在路基全寬范圍內(nèi)進(jìn)行雙層防水土工布鋪設(shè)，最后逐層鋪設(shè)水泥改性膨脹土。

3.5.2 膨脹土特殊路塹邊坡設(shè)計(jì)

膨脹土路塹邊坡設(shè)計(jì)采用工程地質(zhì)比擬與力學(xué)分析相結(jié)合的方法檢驗(yàn)邊坡的穩(wěn)定性。綜合考慮到試驗(yàn)段的路塹深度相對(duì)較小且已換填其地基，路塹邊坡設(shè)計(jì)采取以下處理方式：邊坡高度小于6 m時(shí)，選用單級(jí)邊坡1∶1.5；邊坡高度大于8 m時(shí)，選用多級(jí)平臺(tái)邊坡，同時(shí)邊坡每級(jí)的高度為6 m，邊坡坡率第一級(jí)為1∶1或1∶1.15，第二級(jí)及以上邊坡坡率為1∶1.5。此外，對(duì)于一些淺挖路塹，坡率可降至1∶1.25～1∶1。

3.5.3 膨脹土特殊路塹邊坡防護(hù)

采用漿砌片石護(hù)面墻進(jìn)行防護(hù)膨脹土路塹邊坡。如果開挖深度在8 m之內(nèi)，可以選用單級(jí)邊坡布置；如果開挖深度超出8 m之外，可以采用多級(jí)臺(tái)階邊坡布設(shè)方式，以每8 m設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，平臺(tái)的寬度設(shè)為2.0 m，平臺(tái)上的截水溝以0.4 m×0.4 m進(jìn)行設(shè)置。護(hù)坡墻縱向每隔10～15 m設(shè)置1道伸縮縫，縫內(nèi)使用瀝青麻筋進(jìn)行填充。如果開挖高度小于3 m時(shí)，可以不設(shè)耳墻；當(dāng)開挖高度小于6 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置1道耳墻；當(dāng)開挖高度大于6 m時(shí)，應(yīng)設(shè)置2道耳墻。

4 結(jié)語

膨脹土路基作為高速公路路基施工過程中一種特殊路基形式，非常容易發(fā)生嚴(yán)重的路基沉降病害。在進(jìn)行高速公路膨脹土路基的設(shè)計(jì)和施工期間，應(yīng)以科學(xué)優(yōu)化改良膨脹土的性能為前提，結(jié)合實(shí)際工程項(xiàng)目狀況，合理應(yīng)用換填法、樁基法及預(yù)濕（膨脹）法，力求促進(jìn)膨脹土路基施工質(zhì)量的提升。