山區(qū)高速公路的高路堤設計

鄭茂營

1 高路堤的形成原因、概念和特點

近年來，我國高速公路建設蓬勃發(fā)展，已經(jīng)從平原發(fā)展到山區(qū)。由于山區(qū)地形起伏變化復雜，路線縱坡受到構(gòu)造物及地形制約，一些狹窄的“V形”溝谷和傍山的地段不可避免的出現(xiàn)高填方路堤，也稱作高路堤。我國現(xiàn)行公路規(guī)范中對高路堤沒有明確、嚴格的定義，一般情況認為水稻田或長年積水地帶，用細粒土填筑的路堤高度在6 m以上，其他路堤填筑高度超過12 m(碎石、粗砂、中砂為路堤填料)或20 m(其他材料)可視為高填路堤[1]。與一般路堤比較而言，高填路堤具有以下幾個特點[2]:1)填筑高度大，需要對路堤邊坡進行驗證，要求路堤本身具有足夠的整體強度和邊坡穩(wěn)定性;2)由于高路堤填筑斷面面積很大，填筑工程量巨大，路堤的填筑缺陷相對較多，填筑質(zhì)量保證較為困難;3)路堤本身累積沉降大，對路堤單位填筑高度的工后沉降量要求更嚴格;4)由于荷載相對較大，需對地基強度進行驗算，要求地基承載力高、穩(wěn)定性好;5)地基沉降大，填筑過程中需對地基進行監(jiān)測，控制總沉降量和沉降速率，確保高路堤地基的穩(wěn)定。

2 高路堤設計內(nèi)容

1)填料的確定與壓實標準;2)確定路基橫斷面的邊坡形式與邊坡坡率;3)穩(wěn)定性驗算;4)路堤基底的處理;5)高路堤穩(wěn)定與沉降的監(jiān)測設計。下面本文以杭州—瑞麗高速公路湖北省陽新—通城段(通山—通城段，以下簡稱“杭瑞高速”)為實例，論述山區(qū)高速公路的高路堤設計。

3 高路堤實例設計

3.1 項目區(qū)地形地貌與地質(zhì)概況

本項目地貌單元屬鄂南低山丘陵區(qū)，由一系列褶皺山地構(gòu)成，地形地貌骨架主要受東西向及部分北東向構(gòu)造所控制，山脈走向、地形地貌單元總體呈近東西向展布。線位區(qū)地勢從東往西總體呈現(xiàn)高低相間的串珠狀展布，即四個山地串聯(lián)三個呈東西向展布的盆地。微地貌類型以碳酸鹽巖、碎屑巖分布區(qū)的低山丘陵地貌和以松散巖、侵入巖為主的丘陵壟崗地貌交互出現(xiàn)，呈現(xiàn)低山、丘陵、壟崗、洼地相間組合。沿線出露地層巖性主要為:震旦系硅質(zhì)灰?guī)r，寒武系白云質(zhì)灰?guī)r、炭質(zhì)灰?guī)r，奧陶系灰?guī)r，白云質(zhì)灰?guī)r，志留系粉砂巖、粉砂質(zhì)頁巖、頁巖，白堊及第三系礫巖、含礫砂巖，砂礫巖，花崗巖、花崗閃長巖等中生代侵入巖。

3.2 高路堤劃分原則

本項目以路堤邊坡高度或中心填高是否不小于20 m來作為主要判定高路堤的原則，局部高度在15 m～20 m間的路堤，由于地基土的性質(zhì)比較差，為設計安全考慮，也作為了高路堤來設計，本項目單獨作為工點設計的高路堤共有17處。

3.3 填料的確定與壓實標準

填料級配要求應滿足部頒規(guī)范要求。路基壓實采用重型壓實標準，路基填料最小CBR值、填料最大粒徑及壓實度指標應符合表1規(guī)定的要求。為提高路堤的強度與均勻性，避免路面的早期損壞，提高路面的服務水平，高路堤在施工至地面以上每4 m高時及上路堤頂面時，分別采用25 kJ三邊形沖擊式壓路機進行補壓，碾壓遍數(shù)為20遍。路堤的壓實度標準相應在規(guī)范要求的基礎上提高1%。為保證路基邊緣部分的壓實度，路堤兩側(cè)填筑寬各增加30 cm，最后削坡。

表1 高路堤填料最小CBR值、最大粒徑及壓實度標準

3.4 確定路基橫斷面的邊坡形式與邊坡坡率

目前在工程中，高路堤的橫斷面有兩種形式:折線型和平臺型。采用何種形式，需根據(jù)項目實際特點決定。本項目高路堤邊坡高度高，為增加路堤的穩(wěn)定性，故采用有平臺折線型形式，即初步擬定在邊坡高度為8 m，20 m處設置2 m寬平臺，邊坡坡率上部第一級為1∶1.5，中間第二級為1∶1.75，下部第三級為 1∶2。

3.5 高路堤穩(wěn)定性驗算

3.5.1 高路堤穩(wěn)定性分析內(nèi)容及方法

高路堤穩(wěn)定性分析一般包括路堤堤身的穩(wěn)定性、路堤和地基的整體穩(wěn)定性[3]。用帶有粘性的土填筑的路堤，坍塌時的破裂滑動面形狀為一曲面，為簡化計算，通常近似為一圓柱面(圓弧)，實踐證明與實際情況差異不大。因此，對于高路堤堤身的穩(wěn)定性、堤身和地基的穩(wěn)定性驗算，路基規(guī)范采用了圓弧滑動法進行計算，推薦了計算精度較高、工程中最常用的簡化畢肖甫法。

3.5.2 高路堤穩(wěn)定性結(jié)果分析

根據(jù)地基承載力情況，本項目高路堤工點基底類型可分為以下三類:1)軟土地基;2)軟弱地基(地基承載力介于100 kPa～150 kPa間的軟～可塑狀土層，下同);3)非軟土或非軟弱地基。對計算結(jié)果分析表明:1)堤身穩(wěn)定性均大于規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)取值，表明擬定的橫斷面尺寸是合理的;2)路堤和地基的整體穩(wěn)定性除軟土或軟弱地基工點外，一般大于規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)取值;3)對軟土或軟弱地基經(jīng)過相關處理后，路堤和地基的整體穩(wěn)定性也滿足了規(guī)范要求，表明處理措施是合理的。

3.5.3 加強高路堤穩(wěn)定性的措施

本項目為了增加路堤堤身的穩(wěn)定性，在每處路堤堤身中下部布置了3層土工格柵，垂直間距2 m，最底下一排距離地表不小于1 m。土工格柵幅寬4 m，其極限抗拉強度要求縱、橫向均不小于50 kN/m，極限伸長率不大于3%;采用凸結(jié)點加筋格網(wǎng)，以減少網(wǎng)格間脫落現(xiàn)象，結(jié)點剝離力應大于400 N。施工時格柵鋪設與路基土填筑交替進行;路基填料應嚴格分層壓實，其壓實順序應先從格柵靠近錨釘?shù)囊欢碎_始，逐步碾壓至格柵尾部。土工格柵鋪設時，端部應反折2 m，同時沿路線縱向結(jié)合部應重疊0.5 m。

3.6 路堤基底的處理

3.6.1 換填或拋石擠淤處理

本項目以3 m厚度為界限，對于厚度不大于3 m的軟弱路段以及地基承載力不足的非軟弱路段采用換填碎石土，并碾壓處理，壓實度大于90%。唯一的軟土地基高路堤，由于軟土分布范圍小，且厚度不是很深，為此采用換填與拋石擠淤相結(jié)合的措施處理，即坡腳洼地地表3.5 m內(nèi)換填碎石土并碾壓處理，壓實度應大于90%;坡腳下部3.5 m～4.6 m采用拋塊石后沖擊碾壓，塊石材料必須為不易風化、較完整的石塊，當塊石拋到換填底部以上1 m時，在表面采用沖擊式碾壓20遍處理，使得塊石擠壓密實，軟塑狀粉質(zhì)黏土被充分擠出。

3.6.2 強夯法處理

1)根據(jù)《建筑地基處理技術規(guī)范》中按地基土類和單擊夯擊能列出的有效加固深度參考，確定單擊夯擊能為1 000 kN/m。2)一般情況下夯錘重可取10 t～20 t，其底面形式宜采用圓形，錘底面積宜按土的性質(zhì)確定，錘底靜壓力值可取25 kPa～40 kPa，對于細顆粒土錘底靜壓力宜取小值;錘的底面宜對稱設若干個與其頂面貫通的排氣孔，孔徑可取250 mm～300 mm。3)夯擊次數(shù):應按現(xiàn)場試夯得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關系曲線確定，且應同時滿足最后兩擊的平均夯沉量不大于50 mm、夯坑周圍地面不應發(fā)生過大的隆起以及不因夯坑過深而發(fā)生起錘困難這三個條件。4)夯擊點位置可采用等邊三角形、等腰三角形或正方形布置。第一次夯擊點間距可取5 m，以后逐次交錯移動夯點位置，直至互相搭接1/2夯痕為止。5)根據(jù)初步確定的夯擊參數(shù)，提出滿夯試驗方案，進行現(xiàn)場試夯。應根據(jù)不同土質(zhì)條件待試夯結(jié)束數(shù)周后，對試夯場地進行測試，并與夯前測試數(shù)據(jù)進行對比，檢驗滿夯效果，確定工程采用的各項夯擊參數(shù)。

3.6.3 沖擊碾壓處理

本項目對于厚度在2 m以內(nèi)、地基承載力與所需承載力差值在100 kPa以內(nèi)的非軟土或軟弱地基土采用了25 kJ三邊形沖擊式壓路機進行補壓，碾壓遍數(shù)為20遍。其施工工藝為:以CYZ25三邊形沖擊壓實機為例，輪寬0.9 m，輪間距1.17 m，往返一次沖碾寬度4.0 m。當采用沖擊碾壓法進行補壓時，每行駛兩次為一遍，每單雙兩遍為一沖壓單元。施工時首先清理、平整場地，放線確定沖碾補壓范圍，并進行第一遍第一次沖碾，完畢進行第一遍第二次沖碾時，單輪從第一次沖壓輪正中通過。第三遍則又回復到第一遍的位置沖碾，直至達到最終的設計遍數(shù)。

3.6.4 挖臺階處理

當高路堤地基地面自然橫坡陡于1∶5時，應在原有坡面或換填坡面開挖臺階，每級臺階寬為2.0 m，設2%向內(nèi)傾斜的橫坡，以增加路堤的壓實與穩(wěn)定性。

3.7 高路堤穩(wěn)定與沉降的監(jiān)測設計

高路堤施工監(jiān)測主要調(diào)查范圍為路槽底部的調(diào)查，邊坡坡面及坡腳的調(diào)查以及施工完畢布設的觀測樁的調(diào)查。主要調(diào)查內(nèi)容為這些位置有無裂縫、凹陷、鼓脹以及邊坡有無變形，同時記錄這些問題產(chǎn)生的時間，發(fā)展情況。觀測樁采用木樁或者預制混凝土圓樁(或方樁)，長50 cm，直徑8 cm，嵌入地面或堤身 45 cm，所有觀測樁需布設在同一斷面上。前期每3 d觀測一次，若出現(xiàn)異常情況，可加密監(jiān)測周期，觀測數(shù)據(jù)應反映出水平向位移與垂直向位移的數(shù)據(jù)。當路堤沉降和穩(wěn)定趨于平穩(wěn)后，可半月或一個月觀測一次，整個觀測過程持續(xù)到路面工程施工開始。

4 結(jié)語

高路堤是山區(qū)高速公路路基設計中主要的控制工程之一。當路線方案不能優(yōu)化而不得不形成高填方路基時，高路堤方案需與橋梁方案做安全、經(jīng)濟方面的比較，從而選擇最優(yōu)方案。當高路堤方案較優(yōu)時，對其設計我們必須引起高度重視，因為高路堤的設計內(nèi)容并不是獨立的，而是相互聯(lián)系、制約的，任何一部分的設計錯誤或欠缺都會導致路基病害的發(fā)生，從而影響行車安全。目前，杭瑞高速公路的路基主體部分已施工完畢，每處高路堤均未發(fā)生病害，可見上述設計是合理的。

[1] JTG F10-2006，公路路基施工技術規(guī)范[S].

[2] 王明懷.高等級公路施工技術與管理[M].北京:人民交通出版社，1999:33-39.

[3] JTG D30-2004，公路路基設計規(guī)范[S].

[4] 林 彤.地基處理[M].武漢:中國地質(zhì)大學(武漢)出版社，1998:5.