基于長期性能的山區不均勻軟土路基設計方法研究

摘要：依托四川省S204、S208建設工程，分析了山區公路的地形、地質、地貌特點，研究了軟土路基長期服役性能的要求，對比分析了提升軟土路基長期服役性能的加固方法，提出了保障軟土路基長期服役性能的邊坡防護構造及截、排水系統設施，總結了高填深挖及特殊路基設計方法，并探討了山區省道公路的性能設計、綠色環保等新理念，為依托工程建設提供了技術支撐。

關鍵詞：不均勻軟土路基； 山區公路； 長期性能； 填筑壓實； 排水工程

中國分類號：U416.1+6A

［定稿日期］2022-12-07

［作者簡介］姚瀚林（1987—），男，本科，工程師，研究方向為山區道路結構與材料。

0 引言

我國交通經濟的迅猛發展，公路建設質量的要求和需求隨之日益增長，省道公路作為連接城市與城市的重要通道，更是改善城市區縣交通、完善路網結構、改善區域內交通條件、縮短運輸里程的交通干線公路。但省道公路修筑條件較為復雜多樣，尤其是山區環境下具有差異顯著的地質、氣候條件，因此需要設計人員和施工人員在設計施工的過程中對路基工程的基本設計原理熟悉并合理運用［1-2］。本文根據路基工程對2個山區公路的實際工程項目進行分析，對山區公路路基相關設計施工工作提供一定的參考和幫助。

1 工程概況

省道204線諾（水河）華（鎣）公路通江縣至諾水河段新建工程項目（簡稱項目一）全長52.8 km，起于通江縣環城北路與既有S204線交叉口處，共設連接線7處，樞紐互通1處，接在建諾水河至光霧山一級公路（米倉大道），整體式路基寬度為21.5 m，分離式路基寬度為10.75 m，全線采用瀝青混凝土路面。省道208線鄰水境高灘至九龍（川渝界）建設工程項目（簡稱項目二）起于廣安市鄰水縣高灘鎮，與重慶省道204平面交叉。項目位于廣安市鄰水縣境內，是《四川省普通省道布局》中南北縱線S208線青海至九龍（鄰水）公路中的重要一段，也是廣安市規劃的“九縱五橫六環十二聯”普通干線公路網的組成部分，“五縱六橫”的交通主骨架，項目整體布置如圖1所示。

根據設計前的實地調查統計可知，項目一中軟土路基基礎共計922 m，13處，作為示例，其中某一區段軟弱地基處置平面布置如圖2所示。項目一和項目二區段內均多為低山、低中山地貌，沖溝發育，溝谷內分布有水田和魚塘，山間坳溝地帶低液限黏、粉土分布，低液限黏土一般厚約1～5 m，土性軟弱，承載力低，同樣具有高含水率、高壓縮性等特點，這些土體所構成的路線走廊帶內局部分布的軟弱地基，由于項目所處單面坡，沿線局部被開墾為水田，其厚度一般不大。

2 軟土路基長期服役性能及提升方法

2.1 軟土路基長期服役性能

基礎作為路基的支撐體，關系到路基的長期性能。山區沖積淤積層、高填深挖道路基礎由軟弱地層作為支撐，軟土路基的力學性和安全性較為薄弱，需要在施工前進行適當的處理，用以避免或減輕軟土地層基礎對道路施工過程和運營期間的穩定和安全所產生的威脅。在高路基結構的施工過程中，人員和設備安全往往面臨著因軟土路基基礎失去承載力而發生的路基的坍塌事故的威脅。不僅如此，軟土路基基礎自身孔隙率和壓縮性等特性都對路基服役性能產生著不利影響，軟土地層流動性大，在重載車輛動荷載的作用下容易因局部破損而發生塑性變形和不均勻沉降［3］。

在路基基礎設計中，應根據不同地質情況，利用先進技術對軟土地層進行加固，以確保其滿足路基施工和通車的必備條件。在進行軟土地層的加固時，常采用淺層加固和整體加固2類方法改變軟土地層的結構與性質，其中淺層加固是較為高效簡便且經濟的加固方式，直接作用于軟弱路基層進行處理，常常使用表面排水法、墊層施工法、表層排水固結法以及鋪灑添加劑法；而深層加固則通過加固樁法、灌漿加固法、化學加固法和強夯法等外力來改善軟土地層和整體地基的性能，進而將施工過程中軟土地層基礎改變為共同受力變形的整體結構，與淺層加固相比，深層加固法實施難度較大，耗費人力物力更多，通常在性能更差、對施工和運營維護要求更高的道路上使用，以達到更高標準的工程質量［4-6］。

2.2 軟土路基長期服役性能提升方法

填筑壓實是路基整體性能的綜合體現，填筑壓實技術直接影響到路基的承載性能與沉降指標，特別是對于軟土路基，填筑壓實施工決定了路基工程質量的重要因素和核心環節［7］。由于填筑壓實施工的復雜性和重要性，在設計階段應當給出明確詳細的施工方案，并提前做好施工流程控制，選擇合適的施工設備。填筑壓實這一工序細分可以區分為攤鋪填料階段以及碾壓施工階段，當填筑材料被運輸到填料路段，攤鋪施工時根據各層松散厚度分別進行卸料，卸料完成然后需要進行對應分層的攤鋪和平整施工，應當特別注意的是攤鋪不均勻會對后續的施工工藝和施工預定時間節點產生直接影響，留下安全隱患，所以每一次分層填筑時攤鋪和平整施工都應盡可能快速及時地進行［8-9］。

在進行碾壓施工時，需要確保碾壓設備的工作性能穩定，一次性連貫完成分段碾壓施工工序。首先是初步壓實階段，采用專用壓路機并利用其自重進行初始碾壓，然后進行靜力壓實和振動壓實，壓實過程需要確保壓路機根據道路線形以均勻、緩慢的行駛速度前進，通過被壓實路段，在行駛過程中還要求駕駛員盡可能避免驟停和振動，施工人員需配合壓路機駕駛員指揮其行駛方向，以提升路基填筑壓實的工藝質量。在進行填筑壓實時，還需要考慮路基施工的具體地質、氣候以及作業條件，當多個路段同時進行施工時，需分配不同施工區域各設備的最優組合方式，滿足施工效率和施工質量的最優化，并控制壓路機碾壓速率以及頻次，明確攤鋪適宜厚度，估算材料含水率等參數，及時提取各部分施工的參數，評估填筑壓實階段各層填土或者填石的施工質量是否符合規定要求，如果施工參數發生變化，則需要根據參數變化，動態調整好施工進度，確保攤鋪壓實作業的工程質量，使填筑壓實施工階段滿足后續路基施工質量的基本要求。根據路基基礎設計性能原則，對于軟土路基本項目均采用換填處治，如圖3所示。需要注意的是，換填厚度在施工中根據軟土厚度、軟土性質、路堤填高等因素綜合分析確定。換填填料具體要求采用遇水不軟化的材料，并采用沿線挖方中新鮮的砂巖以及直徑不大于30 cm的塊石［10］。

2.3 軟土路基長期服役性能保障設施

為了對軟土路基的長期服役性能提供保障，邊坡防護的設計必不可少。邊坡防護作為路基兩側的保護性措施，其主要所用是將路基與道路環境進行一定程度的分離，以及對人們的行車安全產生一定程度的保護。一般而言省道公路的路基填高不大，出現高路基結構施工的情況相對較少，施工作業和行車駕駛安全性較高，較少出現邊坡穩定失效的問題，因此對于省道路基工程而言，邊坡防護在一定程度上加強了邊坡穩定的同時具有另一作用，即增加道路的美觀。山區公路的邊坡防護主要以表層防護為主，在設置過程中需要注意簡單而有效達到邊坡防護的基本要求即可。

綜合分析考慮山區省道公路的邊坡防護主要有植物防護和截、排水系統，圖4展示的是一類邊坡植物防護及截、排水設計方案。首先是植物防護，植物防護的設置思路是通過種植花草樹木、安裝人工草皮等方式對邊坡進行植被的覆蓋和隔離，其主要思路是隨著植物的自然生態系統在生長過程中的根部扎根基礎，邊坡防護效果隨之而更加穩定，通過植物防護就能達到因地制宜的天然維護效果。植物防護的要點是選擇適宜當地且容易存活、根系發達的植物作為防護材料進行種植，并配合當地山區地形地貌作出適當調整變化，適應山區氣候、風貌，與整體道路規劃協調統一。植物防護在穩定和加固邊坡的同時，通過植物呼吸作用還可以吸收汽車行駛所產生的尾氣、凈化山區公路的環境［11-12］。

高海拔山區雨雪天氣積水或地下滲水對軟土路基邊坡土體性質會產生重要影響，因此邊坡的截、排水系統的設置也尤為重要。邊坡截、排水防護系統主要目標是防止水浸路基地基土體以及巖土基體，通過規范要求估算邊坡坡度并設計系統實施方案，以減少雨水浸入邊坡，達到不影響周邊路基土體穩定性的目的。根據其設置原則通常在邊坡頂部設置截水溝，這樣設置的目的是將道路中多余的積水和滲水引出邊坡地基土體承壓空間范圍，可以減少路基土體的浸泡時長，除此之外通常在坡面和坡底設置排水溝系統，用以降低雨水對邊坡地基土體的浸泡效應，進一步加強了道路服役安全。

3 高填深挖及特殊路基設計方法

充分考慮設計規范要求，在一般山區公路路基設計時填方邊坡坡腳均設置護坡道，護坡道寬度為1 m（表1）。

經統計，項目一中高填路基節段共計算121 m合2處，高填深挖節段多在斜坡地段通過，局部溝谷較深段填方高度大于12 m，谷地處一般為旱地、水田、魚塘，第四系松散覆蓋層厚1～5 m，土體強度低，壓縮性高，存在沉降量大、穩定性差的問題，設計施工中利用廢方進行填方。因為項目中高填路段較少且長度較短，所以采用鋪設土工格柵、樁基托梁等措施進行處治。本項目局部路段雖然挖方高度沒有達到所規定的巖質邊坡超過30 m的深挖路塹，但是受限于基本農田，無法按穩定坡比放坡，所以綜合考慮分析后采用較陡坡比加邊坡防護。根據邊坡地形、地質條件、風化程度、結構面產狀及其與坡面關系、結構面膠結情況等因素，對于深挖路塹邊坡和坡比較陡的路段（圖5），采用錨桿（索）框架梁、抗滑樁等措施，經統計，項目一種錨桿框架梁共計3 719 m合43處，樁板墻1 860 m合16處，其示例如圖6和圖7所示。

4 山區省道公路設計新理念探討

山區公路途經路段自然資源豐富，生態環境的持續保護和改善也尤為重要。在設計山區公路時不但不能打破生態平衡，更應該提升并保護當地生態［13］。根據山區公路邊坡高度、巖性特點，結合綠化設計邊坡坡比的要求，采用放緩邊坡并種植相應植物的方法，對整個坡面進行了充分的植物防護，形成喬、灌、草結合的邊坡坡面，使邊坡成為灌草地，在美化道路容貌的同時，實現了工程的生態環保性，并節約了土地資源［14］。通過這樣的方式可以有效減少護面墻以及其他砌體的坡面防護建筑，不但讓道路變得更加環保美觀，適應周邊城鎮環境，還使道路和自然環境做到更佳融合，更加環保化、生態化，突出了道路設計修筑過程中的可持續發展思想。在項目二設計之初，將耕植土地考慮為不可再生的資源，充分地利用了耕植土地的空間，進一步實現道路修筑過程中多樣性利用價值的充分體現。設計嚴格遵守土地保護政策，根據道路設計的基本要求，盡可能選取最優路線進行設計布控。在滿足規范的前提下，盡最大可能減少對土地資源的占用和隔斷，減少對生態環境的破壞。對于道路設計的其他部分而言，通過合理利用資源，選線時繞開生態富足的區域，為自然生態的恢復和保持也提供了一定的有利條件。

5 結束語

對于山區復雜條件下的公路工程，路基基礎長期服役性能尤為重要。許多山區道路基礎由軟土地基作為支撐，軟土路基的力學性和安全性較為薄弱，需要進行必要的填筑壓實加固處治，采用淺層加固和整體加固相結合的方法改變軟土地層的結構與性質。為提升軟土路基的服役性能提升方法，需綜合考慮具體地質、氣候以及作業條件進行填筑壓實工藝，對于軟土路基采用換填處治，換填厚度在施工中根據軟土厚度、軟土性質、路堤填高等因素綜合分析確定；對于山區道路的高填深挖路段，嚴格按照規范采用鋪設土工格柵、樁基托梁等措施進行處治，對于深挖路塹邊坡和坡比較陡的路段，采用錨桿（索）框架梁、抗滑樁等措施；為保障山區軟土路基的長期服役性能，全坡面植物防護可以有效減少護面墻以及其他砌體的坡面防護建筑，不但讓道路變得更加環保美觀，而且使得道路和自然環境做到更佳地融合。截、排水系統則降低了山區充沛的雨水對邊坡地基土體的浸泡效應，進一步加強了道路安全。在山區公路設計新理念方面還需特別注意可持續發展，根據山區公路的設計要求，采用放緩邊坡并種植相應植物的方法，保護途經生態系統。

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