高速公路路基設計軟基的處理技術分析

摘要 為研究軟基技術在高速公路路基設計中應用，文章以某高速公路建設工程為研究對象，首先，介紹工程的實際情況，并針對工程地質勘察結果設計了施工方案；其次，結合工程實際情況，對比不同軟基處理技術的優點，選擇最佳軟基處理方式（換填法）；最后，分析換填法施工技術要點。結果表明，換填法在軟土路基的處理中效果顯著，換填層的承載力、沉降變形均滿足設計要求，對于類似工程建設有著十分重要的參考作用。

關鍵詞 高速公路；路基；軟土地基；碎石土

中圖分類號 U416.1 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）04-0138-03

0 引言

在經濟全球化的背景下，我國經濟發展的速度也逐漸加快，高速公路作為我國交通運輸網的重要組成部分，其建設質量直接影響著我國經濟的發展。因此，提升高速公路建設質量具有一定的社會效益與經濟效益。目前，我國高速公路工程建設規模不斷增大，但是由于建設環境較為惡劣，普遍在山區以及盆地之間，導致高速公路建設難度增加。軟土地基作為高速公路建設過程中常見的一種土質，其抗剪強度相對較低，在外界荷載作用下易發生不均勻沉降問題，故軟土地基的加固尤為重要。換填技術作為現階段較為常見的一種地基處理方式，具有耗材少、施工便捷等優勢，被廣泛應用于淺層軟土的處理中^[1]。對于此項技術而言，主要是將路基基礎中的軟土層挖出，采用具有一定級配的碎石進行分層回填并碾壓，確保回填碎石的承載力符合設計要求。有研究指出，換填法可用于長期積水且存在淤泥的路段換填，效果較為顯著^[2]。

基于此，該文以某高速公路建設工程為例，對碎石土換填技術在軟土地基中的應用進行分析，首先對工程區域的地質條件、水文條件進行分析；其次，結合工程的實際情況，選擇合適的地基處理方式，最終確定采用碎石換填技術，并計算換填土的深度與寬度；最后，介紹具體施工流程，并提出相應的質量控制方案，以期為類似工程提供相應的參考。

1 工程概況

某高速公路全長38.8 km，項目區地處四川盆地東部，構造剝蝕丘陵地貌，此外還有少量侵蝕堆積河谷地貌道路沿線為起伏相對較小的耕地與小山丘，道路經過富水區域，地層構造較為簡單，地質條件相對較好。地表水主要來源于大氣中，水流量相對較小，雨季水位上漲較快^[2]。沿線走廊帶為紅層地區，地貌上屬低山地貌，溝谷發育，溝槽寬緩，谷底或緩坡平臺處堆積殘坡積粉質黏土。在水田、塘及河堰區域，多常年積水，排水不暢，受地表水浸泡，多呈軟塑～流塑狀，形成軟弱地基土。

2 施工方案設計

對于該工程而言，其工期為三年，道路等級為高速公路，設計速度為120 km/h，路基寬度為34.5 m，路面厚度88 cm，主要技術指標詳見表1。

經過現場勘查得知，填土與淺層軟土地基承載力較低，難以滿足設計要求（≥125 kPa），為有效提升道路的承載力，需對軟土層進行處理^[3]。現階段常用的軟土地基處理方式主要分為排水固結法、碎石樁法、換填法等。但是，排水固結法、碎石樁法難以用于該項目的路基處理，故該工程決定采用換填法對軟土地基進行處理，換填材料選用粒徑為5～60mm重度為16 kN/m³的碎石土。

3 碎石土換填理論計算

3.1 碎石土換填層埋置深度

在開展換填施工的過程中，需確保換填土的厚度與承載力滿足施工設計要求，在通常情況下，墊層厚度在0.5～3 m范圍內。對于該工程而言，碎石土換填的墊層厚度需滿足下臥層強度要求，即：

P_z+P_cz≤f_az（1）

式中，P_z、P_cz、f_az——為墊層底面附加應力值、墊層底面處碎石自重應力值、修正后地基承載力設計值（kPa）。

其中，P_z可通過應力擴圖形計算。根據巖土勘察報告，粉質黏土層承載力特征值f_az為93 kPa。由于墊層厚度控制在0.5～3 m范圍內，假設碎石墊層壓力擴散角θ為30 °，此時換填厚度可表示為：

P_z+P_cz=bL（P?P_c）/[（b+2ztgθ）（L+2ztgθ）]≤93 kPa（2）

通過上述計算得知，在壓力擴散角θ為30 °時，z為2.1。因此，換填層厚度定為2.1m時，可確保P_z+f_az≤同一標高處軟土層的容許承載力。

3.2 碎石土換填層寬度確定

在開展換填施工的過程中，為確保路基滿足設計要求，需對換填層的寬度進行設計，只有確保設計的合理性，才能確保在應力擴散過程中填層材料向兩側擠動。若寬度設計不合理，將會導致基礎下沉的概率變大^[4]。針對此種情況，該文通過擴散角法確定換填層的擴散度。在通常情況下，換填層頂面需超出基礎底面0.3 m，故在寬度設計過程中，寬度b′需滿足基礎底面壓力擴散要求，即：

b′≥b+2ztgθ （3）

對于該工程而言，路基設計寬度為34.5 m，選用碎石土作為換填材料，不僅具有較強的換填強度，而且還具有較大的變形模量，穩定性相對較高。因此，換填層寬度設計過程中，兩側應路基寬度1.04 cm，因此將換填層寬度確定為34.5 m+1.04 m+1.04 m=36.58 m，換填寬度取37 m。

3.3 換填后地基承載力計算

當換填層厚度處于0～4 m范圍之間時，地基承載力的計算需考慮換填土層的自重、路面荷載、車輛荷載^[5]。對于該工程而言，碎石土的重度為16 kN/m³，路面設計厚度為80 cm，重度為17 kN/m³。車輛荷載可通過均勻分布的方式，將其分布在四個輪胎上，輪胎與路面接觸面看似一個矩形（如圖1所示），每個輪胎與路面接觸的面積為0.12 m²。

此時，通過Boussinesq方程計算得：

通過計算得知，在換填層厚度為2.1 m，壓力擴散角為30 °的條件下，σz為133 kPa。由此得知，地基承載力滿足設計要求^[6]。

3.4 地基變形計算

根據《公路路基設計手冊》規定，對地基變形情況進行計算，取P_c∶f_az=1∶2，此時有效壓縮層厚度為2.1 m，各土層的沉降值可通過分層總和法計算，結果詳見表2。

通過分析表2中的計算結果得知，地基中心點的整體沉降為14.30 mm，符合《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）容許沉降≤0.3 m的要求^[7]。

4 碎石土換填層施工技術

4.1 施工工藝流程

施工流程如圖2所示。

土方開挖。對于該工程而言，土方開挖主要通過挖掘機進行，在開挖之前，首先將路基附近的積水排除，然后通過挖掘機將深度為1 m的軟土層挖出。

基底清理。在將軟土挖出后，將基底中多余雜質清除干凈，并對其進行平整和碾壓處理。

回填料準備。從施工現場附近開采粒徑為5～60 mm的碎石土，并將其運輸至施工區域。

分層填筑。采用分層填筑的方式進行填筑，填筑時，每層厚度需控制在20～30 cm范圍內。在填筑完成后，采用自重為20 t的振動壓路機碾壓，在此過程中，需嚴格控制每層壓實度，通常超過95%為宜。

4.2 質量控制措施

（1）在施工前，需在路基周圍以及中間增設排水溝，確保施工過程中排水暢通。同時，根據施工現場地形條件，在軟基路段增設縱橫向排水溝，對于部分排水難度較大的路段，可采用集水坑的方式，將路基中的積水匯集并將其抽出，避免影響施工質量，確保后續路基處理施工順利開展。

（2）為避免施工時基坑中積水，可采用分段逐步從大小樁號兩頭同時開挖換填施工的方法，在確保施工正常進行的同時，確保施工質量符合要求。

（3）由于換填土的含水率對施工質量影響較大，在實際施工過程中，需將其含水率控制在合理的范圍內，在提升道路換填壓實質量的同時，有效提升整體施工質量^[8]。

（4）在分層壓實過程中，需確保換填土的含水率處于最優狀態。同時，還需嚴格控制壓實厚度與壓實度，通常情況，每層壓實厚度超過30 cm為宜，壓實度超過95%為宜。在填筑壓實過程中，需嚴格控制松鋪系數，通常小于30 cm為宜。

5 施工效果

在施工完成后，對施工質量進行檢測。通過驗收后得知，通過上述施工方法處理軟土路基具有顯著效果，且換填層的承載力、沉降變形滿足《公路路基設計規范》（JTG D30—2015）要求。

6 結語

為研究高速公路建設工程中的軟土地基處理技術，該文以某高速公路待建工程為例，對換填法在軟土地基處理中的應用進行了深入分析，并提出相應的施工控制措施。施工效果表明，此種方法可有效改善路基承載力，降低路基沉降變形值，對于提升高速公路施工質量有著十分重要的作用。

參考文獻

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收稿日期：2023-12-05

作者簡介：盧華誠（1989—），男，本科，工程師，研究方向：道路設計。