公路软土路基设计中几个问题的探讨
周应华1，缪胜林1，杨有辉2
（1．中铁二院工程集团有限责任公司交通设计研究院 成都 600031 2. 重庆交通科研设计院 重庆 400067）
摘要：在我国东部与沿海地区存在着大量淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等地层，这些地层具有高含水量、高压缩性、大孔隙比和低强度的特点，工程上称为软土。在这些软土地基上填筑路堤，路堤的稳定性和沉降往往都要起控制作用，合理而有效对这些软土路基进行设计成为建设高质量、高标准公路的关键问题之一。在软土路基设计中，设计参数的选取是设计是否可靠的前提，而难点在于加固区的沉降和路基稳定性计算，作者分别就这几个方面提出了一些自己的观点，重点在于加固区的沉降计算方法和路基稳定性控制方法在柔性桩复合地基和刚性桩复合地基中的差别。
关键词：软土路基；设计参数；排水固结；复合地基
Study on Several problems in Design of highway sbugrades
Zhou ying-hua1, Miao Shenglin1, Yang you-hui2
(1. Communication design and research institute of the China Railway Eryuan Engineering Group Co. Ltd., 610031 2. Institute of research and transportation design of Chongqing)
ABSTRACT：There are a large amount of mud, silt soil, peat, peat soil strata in Chinese eastern coastal areas. These sediments known as soft soil have high water content, high compression, porosity and low intensity characteristics of the project. Filling in these soft roadbed on the embankment always result in the embankment unstability and unexpect large settlement. Rational and effective design of these subgrades often become one of the key issue in high-quality, high-standard highways construction. In soft soil subgrades design, the selection of design parameters is a prerequisite mission for reliable design. and the difficulty lies in calculation of strengthened areas settlement and subgrade stability. Several views have been proposed in this paper and the focus on differences between flexible composite foundation and rigid composite foundation in calculation of strengthened areas settlement and subgrade stability. Focus on the strengthened areas settlement calculation method and subgrade stability control in flexible pile and rigid pile composite foundation composite foundation the differences.
KEYWORDS：Soft soil subgrade; Design Parameters; Drainage Consolidation; Composite Foundation
在我国东部沿海地区存在着大量淤泥、淤泥质土、泥炭、泥炭质土等地层，这些地层具有高含水量、高压缩性、大孔隙比和低强度的特点，工程上称为软土。东部沿海属于我国经济重点区域，对道路交通要求较高，兴建了大量的高速公路。其对地基变形的要求非常高，既要保证在路基填筑过程中及路堤永久荷载作用下地基的稳定性，又要减少或尽量消除工后沉降。避免桥涵与路段连接处出现过大的沉降差和沿路纵向、横向的不均匀沉降，防止运行后出现桥头跳车、路面不平整和开裂损坏等现象。
本文从软土路基设计参数的选取入手，结合软土路基各种处治措施自身的特点，分别就排水固结法的稳定性分析控制，柔性桩和刚性桩复合地基的沉降和稳定计算方法选用的差别提出了自己的观点。
1 软土路基设计参数的选用
软土路基设计的成败，不仅取决于处治方案的选择是否合理，往往还和软基土体参数的合理选用有密切的关系。
软土的设计参数主要包括两个方面：力学性质和压缩性质。
软土力学性质的确定主要采用原位测试和室内试验结合，原位测试以静力触探和十字板剪切为基础，可以确定软土的承载力和抗剪能力，与室内试验对原状样进行快剪和固结快剪所得的抗剪指标综合分析，确定软土的抗剪强度。
压缩性质的确定主要采用对原状土样进行径向和竖向压缩以模拟在进行排水处理情况下，土体径向和竖向的排水能力。高精度的勘察是准确获取设计参数的前提条件，在勘察资料可靠的情况下，设计人员在设计时仍然有一些问题需要注意：
（1）孔隙比、含水量和密度等物理参数选取一般不存在很大的问题，直接采用试验结果即可；
（2）在进行沉降分析时尽量采用e-p曲线，而不要采用压缩模量Es-p曲线，因为这二者中e-p曲线是原始的，而压缩模量Es-p曲线是通过e-p曲线导出的，在推导过程中可能产生一定的误差。
（3）在进行路基稳定分析时，快剪和固结快剪的指标选取要注意室内实验和原位测试相结合，一般室内实验（包括直剪和三轴）比现场测试（十字板剪切、平板载荷试验等）得到的土体内聚力要小得多，设计时应结合土体性质和工程的重要性，综合选取。
2 排水固结法
软土地基中的孔隙水在路堤荷载作用下产生超孔隙水压力，促使孔隙水逐渐排除，软土孔隙被压缩，引起路基的沉降变形，这一阶段产生的沉降变形即为路基的固结沉降。为了使沉降变形在路基施工阶段完成，需要加快地基的固结沉降速率，减小路基工后沉降，为此常用塑料板排水和袋装砂井排水等措施通过改善地基土体的渗透性和缩短排水路径的措施处治软土地基。
软土地基固结沉降分析多采用二维固结理论，软土路基稳定性分析出于安全不考虑土体内聚力c随着固结而逐渐提高，而只考虑土体摩擦角的提高，并且不考虑袋装砂井中砂其对土体强度的影响。如果稳定系数不满足可考虑在软基表面铺设土工格栅（或编织式土工布）和反压护道等措施进行处理。
3 桩体复合地基设计
复合地基在20世纪60年代就已经广泛的应用于地基处理，目前积累了比较丰富的经验，并且在理论分析方面取得了显著的成就，为复合地基的广泛应用奠定了扎实的基础[1]。复合地基的工程特性主要体现在以下几个方面[2]：能够提高地基的承载力，减少上部结构物的沉降变形；采用复合地基提高地基密实度，改善地基的排水条件等，提高沙性土的抗液化能力；桩体在地基中具有加筋作用，能够提高地基土的抗剪强度，增强地基土的抗滑能力。根据复合地基中桩体材料的不同，可以将桩分为柔性桩和刚性桩两类，不同类型的桩体复合地基其设计方法各不相同，对其分述如下：
3.1柔性桩复合地基设计
复合地基的相对刚度定义为： ，其中桩的柔性指数 （E为桩体的弹性模量，Gs为桩间土体的剪切模量），桩的长径比 ，以K是否大于1来判断刚性还是柔性复合地基。柔性桩复合地基的特点是桩体的刚度相对桩间土体来说不大，常用的处理方法有搅拌桩、旋喷桩、碎石桩、土桩、灰土桩和石灰桩等，其中碎石桩兼有排水固结的功能。
这类复合地基加固区的主固结沉降计算方法主要有复合模量法、应力修正法和桩身压缩模量法[3]。因我们设计中关心地基的工后沉降，如采用复合模量法，则工后沉降难以确定，只有根据经验将总沉降乘以一个系数得到工后沉降。采用应力修正法计算压缩量时，根据桩间土分担的荷载，按照桩间土的压缩模量，采用分层总和法计算加固区土层的压缩量，在计算分析中忽略桩体的存在。此时桩间土体的分担的荷载为：
（1）
式中： —应力降低系数，为 ； —桩土应力比， ；m—为置换率；
p—为复合地基上平均荷载密度。
可以看出此时的关键问题就变为确定一个合理的桩土应力比n，对于柔性桩体，根据等应变理论 ，大小一般在3~6之间。桩身压缩模量法是用桩身的压缩量加上桩底端刺入下卧层的沉降变形量得到加固区的压缩量，这种方法和应力修正法一样也要确定桩土应力比，另外该方法一个难点是确定桩体刺入下卧层土中的刺入量。
综合上述，在柔性桩复合地基的沉降计算时应该优选应力修正法。
柔性桩复合地基稳定可由容许承载力或路堤边坡稳定系数来控制，设计位于和结构物（如桥头和涵洞）相接的部位，宜用承载力控制，而一般路基段宜用边坡的稳定系数控制。
3.2 刚性桩复合地基设计
刚性桩复合地基就目前而言，常用的有CFG桩、水泥碎石桩。同时随着高速公路对沉降的要求越来越高，沿海地区开始将已在房建地基处理中广为应用的管桩引入软土路基处理中。
刚性桩复合地基的稳定一般用容许承载力控制，加固区沉降的计算则是该类复合地基设计中的难点。如用复合模量法，《建筑地基处理技术规范》（JGJ 79-2002）提供了复合土层的压缩模量与天然地基压缩模量的比值计算方法：
（2）
式中： ——天然地基承载力特征值（kPa）；
——复合地基承载力特征值（kPa）。
设计过程中由于无法预先做现场复合地基载荷试验，复合地基承载力只有根据上部填土荷载大小或结构物对承载力的要求来确定，这导致的结果是 将会是一个定值，以此来计算的加固区沉降也必将是一个定值，而与刚性桩的设计参数无关，显然不合理。
刚性桩复合地基的桩土应力比范围一般在20~100之间，难于确定，应力修正法也难于应用。
由于刚性桩复合地基一般置换率相对较低，复合地基的相对刚度高，一般来说桩的承载力可以充分发挥，用桩身压缩模量法计算是可行的，此时可不考虑桩体本身的压缩量，先按桩的极限状态荷载计算得到桩端的承载密度，计算桩体在下卧层的刺入量。此外张世民[4]介绍了一种极限应力法也较为实用，其思路同应力修正法，只是土体上的荷载密度 中应力降低系数 按下式计算：
（3）
式中 ： ——刚性单桩承载力发挥到其极限承载力时，桩体横截面的应力，其余参数意义同（1）式。
需要注意的是，路堤荷载作用下刚性桩复合地基桩顶应力过于集中，桩体容易破坏碎石垫层的整体性，产生桩顶刺入现象，造成土拱效应，影响高速公路的使用质量。为避免刚性桩刺入路堤内部，可增大垫层与桩体的接触面积，在桩顶配置桩帽。文献[5]通过试验研究表明，有帽单桩复合地基极限承载力约是无帽单桩复合地基极限承载力的1.8倍，说明桩帽作用显著，即在相同荷载作用下，有帽单桩复合地基的沉降变形要比无帽单桩复合地基的沉降变形小得多。
4 小结
本文根据软基不同处理措施的特点，对软土路基设计提出了以下的观点：
（1）软土路基设计参数的选用。进行沉降分析时尽量采用e-p曲线，而不要采用压缩模量Es-p曲线；在进行路基稳定分析时，一般室内实验比现场测试得到的土体内聚力要小得多，设计时应结合土体性质和工程的重要性，综合选取。
（2）采用排水固结法处理软土路基时安全不考虑土体内聚力c随着固结而逐渐提高，而只考虑土体摩擦角的提高，同时不考虑袋装砂井中砂其对土体强度的影响。
（3）在柔性桩复合地基的沉降计算时应该优选应力修正法。柔性桩复合地基稳定控制：位于和结构物（如桥头和涵洞）相接的部位，宜用承载力控制，而一般路基段宜用边坡的稳定系数控制。
（4）刚性桩复合地基的稳定一般用容许承载力控制，而加固区的沉降建议用桩身压缩模量法计算。
由于软土路基处理措施相当多，作者在此仅就自己常接触的一些处理措施提出了一些自己的观点，希望能为工程设计人员提供了一定的帮助，不当之处敬请批评指正。
参考文献：
1．李立新，段月明，陈维杰. 复合地基理论研究进展. 沈阳建筑工程学院学，17(Vol 3)，2001
2．冯仲仁，朱瑞赓. 我国高速公路软基处理研究的现状与展望. 武汉理大学学报，24(Vol 1)，2002
3. 龚晓南. 复合地基理论及工程应用[M].中国建筑工业出版社，2002
4. 张世民，张忠苗，魏新江等. 极限应力法计算复合桩基沉降. 岩石力学与工程学报， 25(Supp1)，2006
5．雷金波，张少钦，雷呈凤等. 带帽刚性桩复合地基荷载传递特性研究 岩土力学 27(Vol 8) 2006
作者联系方式：中铁二院工程集团有限责任公司交通设计研究院（成都通锦路3号） 周应华 电话：13882265816，Email:
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