高速公路特殊性巖土的特殊路基設計分析

王方方

（華設設計集團股份有限公司，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計，很容易造成路基坍塌、沉降等質量問題，直接影響高速公路行車的安全穩定。探討膨脹土和軟（弱）土路基的設計方案，以提高路基的整體強度和穩定性，保證工程質量。

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，設計車速為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，設計車速為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 特殊性巖土的特點與判別

2.1 膨脹土

膨脹土屬于一種特性較強的黏土，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可以對其進行分類（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境中沉積的具有下面工程地質特征的土壤應認定為軟（弱）土。①天然含水量：w≥wL；②天然孔隙比：e≥1.0；③壓縮系數：a0.0-0.2＞0.5 MPa-1；④標準貫入試驗錘擊數：N＜3；⑤力觸探比貫入阻力：Ps≤750 kPa；⑥“十”字板抗剪強度：Cu＜35 kPa。

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

2.3 路基填料土樣檢測

無論是設計階段還是施工之前都應對膨脹土路段路基的填料土進行檢測，進一步對土體的特性和類別進行判別，主要是為后續路基形式設計和施工方法選擇方面提供重要的依據。抽取本次項目路基填料進行試驗，其各項數值結果見表2。

表2 填料土樣檢測結果

3 高速公路不良地質特殊路基設計

3.1 不良地質地段

項目區主要特殊土為填土、軟（弱）土、膨脹土、粉質黏土夾碎石，無不良地質現象。

3.1.1 填土

項目主要填土為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。施工時路基及橋臺路基段建議進行清理換填處理，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

項目沿線軟（弱）土主要為1-2層。1-2層軟（弱）土土性為淤泥質粉質黏土，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。有機質含量為0.45%，為無機土。該層軟（弱）土埋深有一定起伏，埋深不大于3.0 m段建議進行換填處理，埋深大于3.0 m段可采用水泥攪拌樁、預制管樁等處理措施。

3.1.3 膨脹土

本次勘察在沿線取土樣進行膨脹性試驗，根據《公路工程地質勘察規范》（JTG C20—2011）相關規定[1]，進行膨脹性分級，K5+048.662～K5+130段具弱膨脹性，其膨脹性等級與實際工程場地較為匹配。經沿線地質調查，沿線民用建筑、天然邊坡等均未發現較明顯的膨脹土病害情況。膨脹土對路基存在一定的安全影響，將其作為路基填料使用時，必須進行摻灰或摻石料處理，并且應做好排水措施，避免地基問題的出現。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，雨季施工作業時應做好相關防水措施。

3.1.4 粉質黏土夾碎石

沿線連續分布的4-1粉質黏土夾碎石，性質為灰黃色、紫紅色，可塑至硬塑狀，碎石粒徑為0.2～3 cm，含量約5%，較連續分布。4-1層粉質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，所以設計及施工時應注意其對樁基施工的影響。

3.2 特殊路基處理原則

3.2.1 填土

本項目主要為淺層填土，路基段采用換填碎石處理。

3.2.2 軟（弱）土

從穩定性、沉降和滿足結構承載力要求等方面對地基處理進行分析。采用有效固結應力法對路堤穩定性進行計算。地基沉降量的主固結沉降Sc可以應用分層總和法（Es和e-p曲線）進行計算，并使用經驗修正系數進行修正。經驗系數Ms為1.2～1.4。采用太沙基固結理論計算地基固結度。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。地震力的計算應符合現行《公路工程抗震規范》（JTG B02—2013）的規定，僅考慮水平向地震力[2]。

地基處理的控制指標為工后沉降和路基穩定性。壓縮層計算深度的控制原則是計算層底面上的附加應力和有效自重應力之比不得大于0.15，或者計算直至相對較硬層截止。在穩定性驗算過程中，根據路堤施工期和公路運營期的荷載，采用圓弧滑動法計算穩定安全系數。施工過程與運營期分別應用直剪快剪指標和固結快剪指標，結合固結有效應力法，兩者容許值分別為1.10和1.20。

根據《高速公路改擴建設計細則》（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《高速公路擴建工程技術標準》（DB32/T 3219—2017，江蘇省地方標準）：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]。根據省內項目成功經驗及江蘇地方標準，本項目沉降控制標準：①拼寬路基的總沉降必須控制在小于15cm，同時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控制在小于0.5%，相鄰路段不均勻沉降所誘發的縱坡變化應小于0.4%。

3.2.3 膨脹土

選用分段快速作業法進行膨脹土路基段基礎施工。施工期間，不得暴曬或浸泡在水中。雨天天氣施工時應做好相應防水措施；如果用作路基填料，應加入一定量的石灰進行改性。

3.3 特殊路基設計方案

3.3.1 拼寬路段特殊路基處理方案

經考慮施工工藝、處理效果、對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地質情況較好，既有道路和拼寬范圍沉降滿足要求時，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，根據地質情況采用泡沫輕質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

采用攪拌樁處理時，應先打入河塘和坡腳范圍內的樁基，然后進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）：應在橋樁施工前進行地基處理（優先采用水泥土雙向攪拌樁復合地基處理形式），注意觀察沉降的速率，然后在立柱與上部結構施工前鉆樁。②肋板式橋臺：應在橋梁樁施工前期進行地基處理工作（優先采用水泥土雙向攪拌樁復合地基的處理形式），然后鉆樁，再澆筑承臺（肋板），最后填土。填土時，臺前臺后應均衡填筑并壓實，臺前填土應超寬50～100 cm填筑，最后削坡做錐坡。填土至臺帽底標高以上后，再開挖路基至臺帽底標高進行臺帽施工，以保證臺帽下土的壓實度要求。③結構物處處理方案。采用復合地基處理的結構物路段，在開挖前先采用攪拌樁處理，處理后再開挖結構物基礎。④泡沫輕質土路段。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。下部采用輕質土澆筑，當路堤高度大于3 m時采用鋼筋混凝土擋墻，當路堤高度小于3 m時路段采用裝配式護壁。在輕質土澆筑前應對澆筑區域的基底進行檢查工作，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 膨脹土特殊路堤設計

3.4.1 膨脹土特殊路堤設計

試驗段石灰儲量少但對環境污染大，可以應用水泥對膨脹土進行改性。特殊路堤結構為膨脹土填充路堤。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計

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，所以應依據膨脹土的性質、類型和施工環境條件等因素來設計[5]。在檢驗特殊膨脹土路堤穩定性時，應綜合考慮在不同含水量下膨脹土的強度變化特征，選用浸水條件下對抗剪強度值折減進行特殊路堤檢驗的整體穩定性，而干收縮和濕膨脹條件下的衰減強度值應當做特殊路堤邊坡表層穩定性的校核指標。高速公路的路堤高度小于8m，故坡率采用1∶1.5單級坡。

3.4.3 膨脹土特殊路堤邊坡防護

由于膨脹土穩定性比較差，路堤邊坡可選用支撐滲溝的方式，把長、大填土坡面分成多個短小坡面，對邊坡土進行加固，支撐路堤邊坡，優化邊坡排水系統。根據施工現場情況，坡面采用拱形骨架植草防護措施。砌體用碎石的強度不得低于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 膨脹土特殊路塹設計

3.5.1 膨脹土特殊路塹設計

膨脹土特殊路塹施工過程中，先去除0.8 m厚的基礎膨脹土，并壓實基底。地基驗收符合相關標準后，在路基全寬范圍內進行雙層防水土工布鋪設，最后逐層鋪設水泥改性膨脹土。

3.5.2 膨脹土特殊路塹邊坡設計

膨脹土路塹邊坡設計采用工程地質比擬與力學分析相結合的方法檢驗邊坡的穩定性。綜合考慮到試驗段的路塹深度相對較小且已換填其地基，路塹邊坡設計采取以下處理方式：邊坡高度小于6 m時，選用單級邊坡1∶1.5；邊坡高度大于8 m時，選用多級平臺邊坡，同時邊坡每級的高度為6 m，邊坡坡率第一級為1∶1或1∶1.15，第二級及以上邊坡坡率為1∶1.5。此外，對于一些淺挖路塹，坡率可降至1∶1.25～1∶1。

3.5.3 膨脹土特殊路塹邊坡防護

采用漿砌片石護面墻進行防護膨脹土路塹邊坡。如果開挖深度在8 m之內，可以選用單級邊坡布置；如果開挖深度超出8 m之外，可以采用多級臺階邊坡布設方式，以每8 m設置一個平臺，平臺的寬度設為2.0 m，平臺上的截水溝以0.4 m×0.4 m進行設置。護坡墻縱向每隔10～15 m設置1道伸縮縫，縫內使用瀝青麻筋進行填充。如果開挖高度小于3 m時，可以不設耳墻；當開挖高度小于6 m時，應設置1道耳墻；當開挖高度大于6 m時，應設置2道耳墻。

4 結語

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，非常容易發生嚴重的路基沉降病害。在進行高速公路膨脹土路基的設計和施工期間，應以科學優化改良膨脹土的性能為前提，結合實際工程項目狀況，合理應用換填法、樁基法及預濕（膨脹）法，力求促進膨脹土路基施工質量的提升。