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粉土在路基回填工程中的设计应用
摘要：对路堤回填设计的内容包括有：不同高度下的路堤坡度、分级数和马道宽度；包边厚度，水泥改性土的水泥掺量等因素进行确定，通过校核路堤运营期堤身稳定系数和路堤沿斜坡地基滑动的稳定性来确定设计是否合理，对于土质路堑，jtg d30-2004公路路基设计规范详细规定了不同类别的土对应的边坡坡率，及路堤堤身的稳定性要求。基于此，作者针对路堤高度为30米左右的粉土路堤进行粉土改良回填后压实度研究，在满足路堤施工期和运营期堤身的安全要求外，尽量避免粉土自身特性带来的安全隐患，提出合理的施工设计建议。对该类工程提供一定的借鉴。
关键词：粉土 高路堤回填 压实度 施工设计 安全校核

粉土是介于无黏性土与黏性土间的、一种力学性质差异极大的土种,在我国各地,粉土也难以类同；即使在同一场地、同一土层内的粉土,也常会有不同的塑性、颗粒级配；其物理力学性质差异极为显著,是难以用同一个定值方程列表加以评价的。粉质土作为路基不良填料,其主要特点为：在野外观测时,用手搓捻有干粉末感,肉眼观察时可明显看出砂粒与粉土粒状；干时无胶结,干土块用手轻压即碎；潮湿时呈流动的溶解状态,且潮湿时将土搓捻,摇动时易使土球为饼状,不能搓成细土条。粉质土为较差的筑路材料,原因主要由于其含有较多的粉土粒,干时虽稍有黏结性,但易被压碎,扬尘大,浸水时很快被湿透,易成流体状态(稀泥),并且粉质土的毛细水上升高度大,在季节性冰冻地区更容易使路基产生水分集聚,造成严重的冬季冻胀,春时翻浆[1]。
根据以上特征，若不加以防治措施，粉土填筑的路堤将在雨季和高温条件下无法正常施工，工程完工后在雨季和高温条件下也无法正常运营，因此，必须有相应工程措施保障路堤填筑粉土性质的改良和粉土路堤在施工和运营期含水量的保持。现有较为常见的方法有：
土工格栅方案：
根据武汉理工大学张苡铭的硕士论文研究内容，可知土工格栅在路堤工程应用中针对2m左右的较矮土坡有以下结论[2]：
（1）与未加筋的路堤相比，在加入了不同间距的格栅层后，路堤的整体沉降明显减小且变形均匀，并且格栅还可以在一定程度上限制土体的侧向位移，提高并加强路堤的整体稳定性；
（2）随着格栅铺设间距减小与格栅层数增多，路堤底部的土压力值逐步减小；
（3）改善路堤填土的性质可以在一定程度上降低路堤的沉降量，即增加路堤填土的弹性模量，或提高内摩擦角这种作用都比较明显；
（4）地基土和土工格栅的性质也是影响格栅加筋路堤效果的重要因素，随着地基土模量和格栅量的增大，加筋效果明显增强。
但土工格栅不能有效地对较高粉土路堤进行加固，土工格栅在雨季不能有效阻隔路堤侧向降雨入渗，高温季节不能有效防止坡体内的水分蒸发。该方案不宜采用。
混凝土格构方案：
该方案针对软土来说，其效益并不理想，尤其是对较高层软土回填路堤。因为混凝土格构和软土之间强度差异性太大，软土的沉降是避免不了，而混凝土只可能随地基一起整体沉降，两者特性会导致建成后公路路面下陷，路肩边缘出现拉裂缝。而且大量采用钢筋和水泥，主材成本和运输费用高，模板施工也会产生较高成本。此外，由于粉土对防水有较高要求，格构中需设置挡泥板，该措施也会极大增大成本。同时，该方法在施工中无法有效解决坡体渗水的问题。以上两种方案都不能很好的针对粉土的特性从工程上和经济上发挥相应的作用，本人根据现状，查阅关于粉土的相关文献提出下述方案并进行了施工期和运行期安全校核。部分水泥改善土+浆砌石护坡方案：根据试验和计算成果有针对性对部分粉土进行掺拌水泥的性质改良，极大降低了水泥掺量；能有效降低施工期及运营期路堤的降雨入渗量；一定厚度的改善土包边和浆砌石护坡能有效阻隔路堤的降雨入渗。该方案成本大大低于混凝土格构方案。

1设计方案及参数确定
针对路堤高度为30米左右的粉土回填进行分析研究，在满足路堤堤身的安全要求外，尽量避免粉土自身特性带来的安全隐患，提出合理的设计建议。
初拟设计方案如下：
其中：根据jtg d30-2004公路路基设计规范对高度不超过20米的粉土、粉质粘土、塑性指数大于3的粉土路堑边坡坡率的规定是1:1；对边坡高度超过20米的路堤或地面斜坡坡率陡于1:2.5的路堤，以及不良地质特殊地段的路堤，应进行个别勘察设计，对重要的路堤应进行稳定性监控。本路堤设计高度约为30米。设计路堤斜坡坡率和分级马道宽度如图所示：第一级高度为8米，坡率为1:1.5，第二级高度为12米，坡率1:1.75，最后一级高度为8米，坡率为1:2。马道宽度为2米,对于30米高的路堤来说,改良土铺设间距不应该大于2米。该设计方案在满足规范要求的基础上参考了类似工程的设计。在坡率与马道宽度，间隔2米，以及包边厚度2米。
2 稳定性校核
运营期稳定性校核：我国公路与城市道路设计规范中均以100kn作为标准轴重，由于本公路路宽26m，为6车道，其中两道是极少情况下使用，故设计最危险情况下的四辆车同行，均布荷载选用25kn/m。
下面就通过极限平衡和有限元两种方法加以验证
验证方法是在原来设计模型和参数下，根据规范要求在路面加以局部均布荷载，来计算不同工况下的路基稳定系数。计算结果如表1。
其结果分析考虑行车荷载下的路堤安全性较不考虑行车荷载时要低，这是符合实际的。其安全系数仍在规范要求范围内，说明其稳定性是能够满足以100kn作为标准轴重的行车要求的。
通过类似工程拟定变形模量和泊松比，再通过flac3d试算水平向改良土隔层厚度为0.5m下公路在运营期能否达到的稳定性水平，变形模量及泊松比取值如下表：
上述有限元计算结果统计如表3。
备注：正负指向与坐标轴方向一致
路堤中心剩余沉降量（见表3）在工程允许范围内（公路软土地基路堤设计与施工技术规范jtj017-96条文说明当土方工程结束后立即铺筑高等级路面时路堤中心处剩余沉降量的限值，对一般路段为0.1m-0.3m；与桥梁等邻接的填土部位为0.5m-0.1m）。
3结论
采用改良土方法能有效的保障路堤的稳定性,且能有效的防水保水,尤其是在斜坡铺设一定厚度的护面墙更能保障路堤的整体稳定性,和防水保水。通过验证,以2m为间距铺设0.5米后的改良方案所示可以应用到路堤粉土回填的。，其压实度要求是粉土不小于91%，粉土压实度93%以上。
参考文献
[1] 唐郢.含砂低液限粉土在太长高速公路路基中的应用.山西交通科技.2004.12
[2] 胡幼常,张苡铭等.土工格栅加筋路堤影响因素研究.武汉理工大学学报(交通科学与工程版)2008.02