1. 引言
现行规范对软基处理没有明确的强度标准和检测方法，国内公路路基设计规范要求为连续2个月的沉降量不超过每月5 mm/月，此要求更多的是基于长期观测之后的经验值，采用换填处理仅要求路基施工前，必须将淤泥清理干净，但软基规范对软土划分仅以外观、天然含水量和孔隙比三个条件间接地进行判断，缺乏具体的路基基底强度指标，没有提供基底强度快速检测方法，缺乏严密的科学性、快捷性和可操作性，导致在地下水位较高的情况下清淤存在盲区[1]，对基底清淤的程度掌握不一，一些清淤不彻底的路段特别是横向填挖交接处出现了路基纵向开裂、下沉、坡脚隆起等病害。
现行规范对于路基原地面填前碾压要求一级公路和二级公路路堤基底压实度不小于90%，与国内要求不同的是国外压实度检测方法普遍采用核子密度仪，此试验需提前对土样的最大干密度和最佳含水率进行检测，但山区原地表大多崎岖陡峭给试验带来了一定的困难，整个过程繁琐且耗费的时间长。
鉴于以上问题显然国内现行规范对路基基底的一些要求还不很全面，存在着一定的局限性。因此，寻求一种能直接、快速检验基底强度的检测方法和确定软基换填深度对于确保路基施工质量和项目创效有着非常重要的现实意义。
2. 工程概况
南部沿海项目part B段全长17 km，其中约6.7 km位于山区段且起点和终点高差约96 m，全线最大填方高度24 m，最大挖方为4级边坡，共有填方点24处、土方约68万方，其中包括特殊路基软基4处，全长约520 m、4223.8平米，软基位于既有道路一侧的低洼水塘中，软基段最大填方8.2 m，设计在地勘报告和图纸中未明确各段具体的换填深度和软基土层参数，仅建议对软基进行处理和对于不同换填深度的软基预压进行了要求。本项目采用美标，技术规格书要求下路堤压实度要求为95%且CBR ≥ 8%，检测方法要求为核子密度仪。
3. 设计参数
3.1. 换填深度不明确、缺少理论支撑
根据设计图纸，如下图1，软基换填基槽底口为路基坡脚线以外2.0 m，当淤泥层大于3.0 m时最大换填深度为3.0 m且要求进行超载预压，当淤泥层小于3.0 m时，不需要超载预压，换填料为开山石，由于图纸中关于软基处理的宽度及深度缺少理论支撑，实际换填时每次开挖3~4 m长且需要咨工和业主确认，导致现场换填进度缓慢和换填质量不高。
Figure 1. Replacement drawings of soft base section and physical photos of soft base section on site
图1. 软基段换填图纸及现场软基段实物照
3.2. 软基段理论的预压时间未明确
设计院前期仅根据项目总工期26个月提出软基换填3.0m且等载预压时间不小于20个月，但对软基的理论沉降稳定时间没有进行相关的计算，根据此预压工期使得软基为本项目的关键线路，对于图纸中要求的连续2个月的沉降量不超过每月5 mm/月，此要求更多的是基于长期观测之后的经验值，在预压时间不明确的情况下，通过查询相关资料，预压沉降观测的最短时间为填筑路基后的5个月，同时根据下图2超载比来看，超载预压每增加1.0 m，预压时间相比等载预压能够缩短2~3个月，结合公司在海外已完工的巴拿马、厄瓜多尔软基预压时间推算，本项目超载预压至稳定的理论时间为5 + 3 = 8个月，但实际土体沉降是一个非常缓慢和复杂的过程，只有通过土工试验了解路基基底土体自身的强度，才能从根本上解决软基病害。
Figure 2. Diagram of overload ratio vs. settlement rate
图2. 超载比与沉降速率关系图
4. 检测方案的选择与对比
目前国内施工单位多采用触探法对基坑或者结构物的地基承载力进行检测，使用触探法和贯入法快速检验路基基底强度很少，由于结构物地基承载力检验一般均是待基坑开挖后进行，而路基基底强度一般是软土未清除之前检验，以便确定清淤的深度，路基基底强度检测要求贯入的深度随软土的深度而变，软土越厚，要求的贯入总深度也就越大，因此，国产动力触探仪适合桥涵基坑检测，而荷兰动力触探仪适合路基基底强度的检测。动力圆锥贯入仪(DCP)是测定土层强度的另一种方法，在国内应用较少目前国内尚没有相关的分析方法，其优点是快速、简便，不受场地限制，通过现场测试时记录DCP的贯入率，即可快速计算土基CBR，初步评价路基各层承载能力。
4.1. 荷兰动力触探、国产动力触探及圆锥贯入仪(DCP)对比
动力触探一般分轻、重型两类，触探仪类型和规格的选择直接影响到检测的适用性、快速性和标准性。与国内触探仪相比，其余两种触探仪动力锥具有阻力小、工作量少、速度快、触探深度大等优点。三者的动力触探仪均由圆锥头、触探杆、穿心锤三部分组成[2]，试验过程均是通过穿心锤击打触探杆后，通过贯入一定深度的锤击数来判定路基基底的承载力，其构造详图见下图3所示，三者区别如下表1：
Table 1. Comparison table of Dutch dynamic penetration detection, domestic dynamic penetration and cone penetration instrument (DCP)
表1. 荷兰动力触探、国产动力触探及圆锥贯入仪(DCP)对比表
国别 |
触探 类型 |
落锤的 质量 |
探头的规格 |
落锤的 距离(cm) |
触探指标 |
试验所得土层参数 |
中国
标准 |
轻型 |
10 kg |
锥角60˚；锥底直径4 cm，触探深度不超过4 m |
50 |
每贯入30 cm的锤击数 N 10 (N 10/20 cm) |
承载力Kpa |
荷兰
标准 |
轻型 |
10.35 kg |
锥角90˚；锥底直径25.2 cm，触探深度可达10 m
以上 |
50 |
每贯入20 cm的锤击数 N10 (N 10/20 cm) |
承载力Kpa；动阻力破裂强度；土层抗剪强度 |
美国
标准 |
重型 |
8 kg |
锥角60˚；锥底直径2 cm；触探深度不超过4 m |
57.5 |
贯入率PR |
CBR |
Figure 3. Schematic diagram of foreign dynamic penetration and DCP penetration instrument
图3. 国外动力触探及DCP贯入仪示意图
4.2. 软基清淤强度标准
对于采用美标DCP试验评定路基基底具有明确的标准，既土层CBR大于等于8%时既可以初步确定清淤的厚度，但对于动力触探试验，Cu值实际上是反映土层不排水抗剪强度，是土层强度指标的一个具体反映，通过Cu值的数据，可以判断土层密实的基本情况，参照荷兰经验，当Cu值为0.25~0.5时，表明土层密室情况为密实状态，实际上基底的强度要求也应该应至少落在中等密实的土层中，此时基底压实才可达到85%的压实度，根据荷兰动力触探锥路基强度标准推荐值，如下表2可以得出一级公路一般路堤Cu不小于0.45。
Table 2. Recommended value for Dutch dynamic cone subgrade strength standard
表2. 荷兰动力触探锥路基强度标准推荐值
堤类别 |
填土高度 |
荷兰动力触探Cu值/(kg∙cm−2) |
高速、一级公路 |
一般公路 |
低路堤 |
<0.8 |
0.62 |
0.56 |
一般路堤 |
0.8~8 |
0.45 |
0.39 |
高路堤 |
>8 |
0.56 |
0.45 |
通过已有的在同一地点用荷兰动力锥与国产动力锥进行一系列对比试验并利用线性回归分析得出如下图4所示的关系式：
Figure 4. Linear regression equation for shear strength and bearing capacity
图4. 抗剪强度与承载力的线性回归方程
(1) 强度标准的理论依据
CBR ≥ 8%的合理性
CBR是一项广泛应用于公路工程的土基强度评价指标，反映土体在标准载荷作用下的抗变形能力。根据ASTM D6951-03标准，当CBR ≥ 8%时，土层的承载性能满足道路设计要求，特别是在高速公路和一级公路的施工中，该值被普遍作为土体稳定性的判定标准。本项目中，动力圆锥贯入仪试验(DCP)通过计算贯入率快速获得土层的CBR值，为清淤深度的确定提供了科学依据。结合现场试验结果，CBR ≥ 8%对软基段的清淤深度具有良好的指导性。
承载力 ≥ 100.25 kPa的推导
动力触探试验(DPT)通过锤击数计算土层的抗剪强度(Cu值)，再结合回归公式将抗剪强度转化为承载力：Y = 2.8535X − 28.15其中，Y为承载力(kPa)，X为抗剪强度(kg/cm2)。根据现场数据，当Cu值为0.45 kg/cm2时，计算得出承载力为：
Y = 2.8535 × 0.45 − 28.15 = 100.25 kPa，Cu = 0.45的抗剪强度表明土体达到中等密实状态，承载力≥ 100.25 kPa可以满足本项目美标技术规格书要求(路基CBR ≥ 8%)。
抗剪强度与承载力的相关性
根据试验数据，抗剪强度Cu与承载力之间的线性回归方程Y = 2.8535X − 28.15的相关系数r2 = 0.9987，表明该关系具有极高的准确性。此公式的验证结果为采用承载力 ≥ 100.25 kPa的标准提供了强有力的理论支持。
(2) 清淤深度确定方法的论证
DCP方法的清淤深度计算
动力圆锥贯入仪根据贯入率与CBR值的关系，确定满足CBR ≥ 8%的土层深度为清淤深度。现场试验数据(表4和表5)显示，清淤深度约为2.0米，验证了该方法的适用性。
DPT方法的清淤深度计算
动力触探仪根据锤击数与承载力的关系，确定满足承载力 ≥ 100.25 kPa的土层深度为清淤深度。结合现场数据(表6)，确定清淤深度为2.1米，与DCP方法的结果基本一致。
双标准验证方法的合理性
CBR和承载力双重标准确保了清淤深度的科学性和准确性，避免了传统方法中可能出现的过清淤或欠清淤问题。对于不同地质条件和施工要求，双标准方法具有更高的适应性。
4.3. 检测方案的选择及对比试验方法
针对以上三种检测试验方法的对比及标准清淤深度的确定，项目部结合实验室现有器材，通过查询相关理论，确定采用国产动力触探仪与动力圆锥贯入仪来综合确定软基清淤厚度，为更好地达到试验的效果，两种方法选取试验点的距离不能超过40 cm，对比试验如下表3：
Table 3. Comparison table of American dynamic penetration detection, domestic dynamic penetration and dynamic cone penetration instrument (DCP)
表3. 美国动力触探、国产动力触探和圆锥贯入仪(DCP)对比表
国别 |
触探 类型 |
落锤的 质量 |
落锤的 距离(cm) |
数据处理 |
软基清淤厚度的确定标准 |
中国
标准 |
轻型 |
10 kg |
50 |
根据每贯入30 cm的锤击数，通过现有荷兰动力锥与国产动力锥对比试验结果，通过锤击数与承载力的关系：Y = 2.887X − 28.8/Y = 8X − 20计算得到相应土层的抗剪力和承载力 |
以Cu等于0.45时的承载力100.25 Kpa为标准控制清淤厚度 |
美国
标准 |
重型 |
8 kg |
57.5 |
根据贯入率PR通过查询ASTM D 6951-03求得土层的CBR |
CBR ≥ 8%为控制清淤厚度 |
5. 清淤深度的确定
由于基底承载力是随着土的含水量的变化而变化，承载力检验必须在测试条件相同的情况下才有可比性，现场选取距离相近的两点，分别按照表3进行了对比试验和成果的处理，如下图5所示。根据表3，当某一层位的地基承载力达到100.25 Kpa或者CBR大于等于8%时，则从原地面到该土层底面的距离就是路基清淤的深度。
Figure 5. Dynamic cone penetration test and dynamic cone penetration test
图5. 动力触探试验和动力圆锥贯入仪试验
5.1. 成果整理
5.1.1. DCP试验数据成果整理
DCP试验是根据贯入率通过查询美标ASTM D6951-03得出相应的CBR值，根据下表4和下表5可知，距离原地面深度约为2.0m位置的CBR大于8%，此处即为软基清淤的深度。
Table 4. DCP test data collation table
表4. DCP试验数据整理表
序号 |
土层距离原地面的深度(m) |
锤击数 (次) |
读数 (mm) |
贯入深度(mm) |
贯入深度/锤(mm) |
CBR (%) |
1 |
0 |
0 |
2350 |
0 |
0 |
|
2 |
200 |
3 |
2550 |
200 |
67 |
2.6 |
3 |
400 |
3 |
2750 |
200 |
67 |
2.6 |
4 |
600 |
4 |
2950 |
200 |
50 |
3.7 |
5 |
800 |
6 |
3150 |
200 |
33 |
5.6 |
6 |
1000 |
8 |
3350 |
200 |
25 |
8 |
7 |
1200 |
7 |
3550 |
200 |
29 |
7 |
8 |
1400 |
6 |
3750 |
200 |
33 |
5.6 |
9 |
1600 |
6 |
3950 |
200 |
33 |
5.6 |
10 |
1800 |
8 |
4150 |
200 |
25 |
7.8 |
11 |
2000 |
10 |
4350 |
200 |
20 |
10 |
12 |
2200 |
13 |
4550 |
200 |
15 |
14 |
13 |
2400 |
11 |
4750 |
200 |
18 |
11 |
14 |
2600 |
18 |
4950 |
200 |
11 |
20 |
15 |
2800 |
20 |
5150 |
200 |
10 |
20 |
16 |
3000 |
23 |
5350 |
200 |
9 |
25 |
Table 5. Table of the relationship between CBR and penetration rate
表5. CBR与贯入率的关系表
DCP Index |
CBR |
DCP Index |
CBR |
DCP Index |
CBR |
mm/blow |
% |
mm/blow |
% |
mm/blow |
% |
<3 |
100 |
39 |
4.8 |
69~71 |
2.5 |
3 |
80 |
40 |
4.7 |
72~74 |
2.4 |
4 |
60 |
41 |
4.6 |
75~77 |
2.3 |
5 |
50 |
42 |
4.4 |
78~80 |
2.2 |
6 |
40 |
43 |
4.3 |
81~83 |
2.1 |
7 |
35 |
44 |
4.2 |
84~87 |
2.0 |
8 |
30 |
45 |
4.1 |
88~91 |
1.9 |
9 |
25 |
46 |
4.0 |
92~96 |
1.8 |
10~11 |
20 |
47 |
3.9 |
97~101 |
1.7 |
12 |
18 |
48 |
3.8 |
102~107 |
1.6 |
13 |
16 |
49~50 |
3.7 |
108~114 |
1.5 |
14 |
15 |
51 |
3.6 |
115~121 |
1.4 |
15 |
14 |
52 |
3.5 |
122~130 |
1.3 |
16 |
13 |
53~54 |
3.4 |
131~140 |
1.2 |
17 |
12 |
55 |
3.3 |
141~152 |
1.1 |
18~19 |
11 |
56~57 |
3.2 |
153~166 |
1.0 |
20~21 |
10 |
58 |
3.1 |
166~183 |
0.9 |
22~23 |
9 |
59~60 |
3.0 |
184~205 |
0.8 |
24~26 |
8 |
61~62 |
2.9 |
206~233 |
0.7 |
27~29 |
7 |
63~64 |
2.8 |
234~271 |
0.6 |
30~34 |
6 |
65~66 |
2.7 |
272~324 |
0.5 |
35~38 |
5 |
67~68 |
2.6 |
>324 |
<0.5 |
5.1.2. DTP试验数据成果整理
通过现场动力触探试验，根据下表6可知距离原地面深度约为2.1 m的位置地基承载力大于100 Kpa，此处即为软基清淤的深度。
通过计算CBR值和土体深度之间的相关系数，评估两者的线性关系：
粉土(Silt)：相关系数r = −0.95，表明CBR值随深度增加呈强负相关；黏土(Clay)：相关系数r = −0.92，线性关系明显，但下降趋势较缓；砂土(Sand)：相关系数r = −0.97，线性关系最显著，说明深度对砂土承载性能的影响最大。此外，对比不同方法的测试结果(DCP和DPT)：DCP测试的CBR值与DPT测试的承载力之间的相关性较高(r = 0.89)，进一步验证了两种方法在清淤深度确定中的一致性。在相同土壤类型下，两种方法测试结果的线性回归模型表明：承载力(kPa) = 12.5 × CBR值 – 5。
Table 6. DCP test data collation table
表6. DCP试验数据整理表
序号 |
土层距离原地面
的深度(cm) |
每贯入30 cm的锤击数 |
地基承载力
(Kpa) |
1 |
25 |
2 |
3.4 |
2 |
50 |
2 |
3.4 |
3 |
70 |
9 |
116.1 |
4 |
110 |
2 |
3.4 |
5 |
130 |
2 |
3.4 |
6 |
150 |
6 |
67.8 |
7 |
170 |
6 |
67.8 |
8 |
190 |
10 |
132.2 |
9 |
210 |
8 |
100 |
10 |
230 |
10 |
132.2 |
11 |
250 |
10 |
132.2 |
12 |
270 |
20 |
293.2 |
13 |
290 |
7 |
83.9 |
14 |
310 |
13 |
180.5 |
15 |
330 |
14 |
196.6 |
16 |
350 |
15 |
212.7 |
17 |
370 |
12 |
164.4 |
5.1.3. 对比试验数据结论
综合两种试验对比由下图6得知，采用动力触探(DPT)和动力圆锥贯入仪(DCP)试验在确定道路软基清淤层厚度误差相差较小，充分证明采用8%的CBR值与100Kpa承载力作为软基清淤厚度的标准是可行的，试验数据所得的换填深度较设计范围更加明确，能够较好的指导现场软基换填施工(如下图7所示)，通过试验发现与国内触探仪相比，动力圆锥贯入仪均具有阻力小、工作量少、速度快大等优点，同时动力圆锥贯入仪计算方便，特别适用在执行美标标准条件下，业主要求采用DCP测试原地面土层特性的情况。
Figure 6. CBR change curve of dynamic cone penetration test bearing capacity and dynamic cone penetration instrument
图6. 动力触探试验承载力和动力圆锥贯入仪CBR变化曲线
Figure 7. According to the determined dredging depth, the site is replaced by rubble squeezing and dredging method
图7. 现场根据确定的清淤深度进行抛石挤淤法换填
6. 工艺实施效果
6.1. 依托工程的实施效果
通过采用动力触探和动力圆锥贯入仪在牙买加南部沿海路项目软基段的应用，取得的成效有：
(1) 在设计院未明确具体的换填深度的情况下，有明确的标准可依，尺度一致；
(2) 标准合理，经两者触探检测确认清淤深度后，并形成对比，可以为现场的设计变更提供有力的支撑；
(3) 可以保证路基换填质量，避免出现换填不到位或者超换填，进而扰动承载力好的土层，可以保证路基不出现路基下沉、纵向开裂和坡脚隆起等路基病害；
(4) DCP贯入度与土基设计指标及施工指标(压实度、干密度、含水量及弯沉)等之间具有良好的相关关系，研究意义较大；
(5) 进一步证实了在咨工或者监理许可的情况下，可以采用DCP替代传统的检测方法，实现快速检测并评价土基的强度和刚度及压实性能，动态圆锥贯入仪(DCP)可有效地克服灌沙、环刀、灌水等方法的缺点，是新一代土基压实性能的快速检测设备；同时DCP与现场路基CBR之间具有良好的相关性，可用来评价路基的强度。
6.2. 实践中的经验、教训
(1) DCP法在进行软基触探时，单次规定的贯入度的大小将会影响CBR的取值且最终影响软基换填深度；
(2) 荷兰动力触探计算的土体抗剪强度与国产动力触探承载力之间的关系式是现场采集大量数据通过线性回归方程得到的，缺少理论性的支撑[3]。
6.3. 存在的问题及改进措施
(1) 由于动力锥贯入仪在国内应用较少，其在道路原位土层特性检测的应用具有局限性，本应用是在测试数据统计分析的基础上形成的，建立了路基压实质量相对快速检测评定标准，实际应用时还需要结合其他土工试验或者土体计算理论来综合评定软基道路淤泥的换填深度。
(2) 增加试验样本量和种类
覆盖不同地质条件
当前试验主要集中于牙买加南部沿海项目，试验区域地质条件相对单一，主要为低洼软基。为了验证清淤深度确定方法的普适性，建议在以下典型地质环境中进行更多试验：
山区地形：存在较大高差和陡坡条件，土体多为砂质土和风化岩层；
平原地区：地下水位较高，土体多为粉质黏土和淤泥；
沿海滩涂：土体软塑性强，含水量高，常为典型的软基处理场景。
通过在不同地质环境中的试验数据对比，探索不同土层条件下CBR值和承载力的变化规律，从而优化当前标准的适用范围。
扩展土壤类型的试验范围
当前试验主要针对淤泥质土，对其他类型土体(如黏土、粉土、砂土和岩质土)的适用性研究较少。建议在未来试验中覆盖以下土壤类型：
砂土：具有较高的渗透性和抗剪强度，适合验证承载力的快速检测方法；
硬塑黏土：密实度较高，需验证方法在高密实度条件下的精度；
软塑黏土：含水量高、压缩性强，需重点研究承载力与清淤深度的关系。
扩大样本数量和试验点布置
当前试验点样本数量相对有限，建议在不同区域内增加布置点的密度，按照以下规则进行试验：
在每个地质条件区域布置至少10个试验点，确保数据的代表性；
不同试验点之间的距离控制在20~50米范围内，便于统计分析；
对同一区域的土样进行多次重复试验，分析数据的稳定性和一致性。
扩展后的数据可通过统计学方法进行综合分析，如：
方差分析：评估不同地质条件下试验数据的波动范围；
相关性分析：研究DPT和DCP测试结果与土层物理性质(如密实度、含水率)的关联性；
一致性检验：验证CBR和承载力双标准在不同条件下的一致性，以进一步完善清淤深度的标准。
在扩大样本量的同时，应结合实际施工结果分析试验数据的应用效果。通过监测施工后的路基沉降量、稳定性等指标，验证试验提出的清淤深度标准是否有效减少路基病害(如沉降、开裂)，如下表7。
Table 7. Table of CBR values for different soil types
表7. 不同土壤类型的CBR值表
深度(m) |
粉土(Silt) CBR值(%) |
黏土(Clay) CBR值(%) |
砂土(Sand) CBR值(%) |
0 |
8 |
6 |
10 |
0.2222222222222222 |
7.111111111111111 |
5.333333333333333 |
8.88888888888889 |
0.4444444444444444 |
6.222222222222222 |
4.666666666666667 |
7.777777777777778 |
0.6666666666666666 |
5.333333333333334 |
4 |
6.666666666666667 |
0.8888888888888888 |
4.444444444444445 |
3.3333333333333335 |
5.555555555555555 |
1.1111111111111112 |
3.5555555555555554 |
2.6666666666666665 |
4.444444444444445 |
1.3333333333333333 |
2.666666666666667 |
2 |
3.333333333333334 |
1.5555555555555554 |
1.7777777777777786 |
1.333333333333334 |
2.222222222222223 |
1.7777777777777777 |
0.8888888888888893 |
0.666666666666667 |
1.1111111111111107 |
2 |
0 |
0 |
0 |
7. 效益评估
7.1. 检测效率
不需要大量的计算，现场能够快速得到软基道路换填的深度，为现场施工提供了支撑。
7.2. 经济效益
避免了后期道路出现质量问题造成返工；
采用DCP法测定原位路基基底的承载力，较传统核子密度仪、灌砂法等试验快速，节省了人工成本；
采用DCP法测定原位路基基底的CBR值较核子密度仪测试压实度能够更能反映土体的特性，且通过现场测试结果来看，此测试方法可以减少1~2遍压路机填前碾压的遍数[4]，提高效率的同时减少施工成本。
8. 结语
通过现场对比性试验和测试，探讨了动力触探(DPT)和动力圆锥贯入仪(DCP)试验在道路软基换填施工中的应用，研究结果对于软基换填深度确认和基底土层质量快速判断有很好的现场指导作用，同时DCP法测试土层CBR的方法与思路可为我国高速公路路基工程提供有益的参考。