軟弱土地基綜合治理措施研究

秦小超

（山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

20 世紀末和21 世紀初，各行各業(yè)經(jīng)過時間的洗禮，實現(xiàn)了跨越式發(fā)展，工程建設行業(yè)更是五年一小步、十年一大步，其中尤其以交通運輸行業(yè)和房屋建筑行業(yè)發(fā)展最為迅猛。以交通運輸行業(yè)中公路一項為例，建設規(guī)模增長迅速，投資金額逐年增加，理念適時恰當轉換，截至2020 年末，全國公路總里程519.81 萬km[1]，比2019 年末增加18.56 萬km，年增速接近4%，全年完成公路固定資產(chǎn)投資24 312 億，比2019 年增長11%。建設規(guī)模逐年擴大的同時，養(yǎng)護成為公路行業(yè)的重中之重，以養(yǎng)強建成為行業(yè)通識，2020 年公路養(yǎng)護里程514.40 萬km，占比達公路總里程99.0%，高密度的養(yǎng)護為新建工程提供了堅實的后勤保障。在建設和養(yǎng)護過程中，出現(xiàn)軟弱土地基必不可免，在治理過程中，對治理方案的選擇是重中之重，若僅從安全角度出發(fā)，治理方案難免會相對保守，不可避免會導致造價過高、工期過長，進而造成資源浪費，因此在現(xiàn)階段市場大環(huán)境各種因素制約下，治理方案要結合工程安全性、造價合理性、工期適應性、施工質量可靠度等多個角度綜合考慮。本文從工程實際出發(fā)，綜合考慮路基填方地基軟弱土存在位置及對上部結構影響程度，綜合對比采用擋墻收坡、正常放坡?lián)Q填墊層和布設CFG 樁提高承載力等治理方案，為類似情況提供治理方案比選思路與工程經(jīng)驗。

1 工程概述

1.1 項目概況

該工程位于某段公路路基處，該段道路線位受到地形及現(xiàn)有構造物的制約，平面及縱斷面調整空間均極為有限，110 m 長路基段落不可避免地布設于較為濕軟地基范圍，段落采用兩車道三級公路標準建設，公路路基寬度7.5 m，設計速度為30 km/h，路堤邊坡高度約14 m，對應樁號為K0+000—K0+110。現(xiàn)場踏勘發(fā)現(xiàn)該處地基可能為卵石等強度較高的材料，但淺挖后未發(fā)現(xiàn)大粒徑石質材料，以粉土為主同時存在黑褐色薄土夾層。

1.2 路基勘察結果

勘察工作以規(guī)范[2]為指導，采用工程地質調繪、鉆孔探測和取樣測試3 種方法綜合勘察。從地基原狀可以看出，線位沿山體以填方路基為主從現(xiàn)有高速橋梁下穿通過，路基范圍為土質，植被以雜草為主，無大型樹木灌木，未見巖石出露，清表后可以看出表層為均勻黃色土質。

在110 m 長路基坡腳處等間距共布設3 處鉆孔，地質剖面如圖1。根據(jù)揭露的地層情況，3 處鉆孔結果較為一致，穩(wěn)定水位深度約3.5 m，8.4 m 以內為稍密粉土，其中上層3.0 m 為褐黃色，稍濕，土質不均勻，含粉細砂，承載力基本特征值和摩阻力標準值分別為90 kPa～120 kPa 和20 kPa～30 kPa，其余厚度土質很濕，土質均勻。8.4～10.6 m 范圍為礫砂，褐黃色，中密，飽和，顆粒均勻，粒徑大于2 mm 的顆粒含量為38.4%～55.2%，承載力基本特征值和摩阻力標準值分別為300 kPa 和55 kPa。10.6～13.0 m 范圍為紅褐色、可塑粉質黏土，承載力基本特征值和摩阻力標準值分別為150 kPa 和40 kPa。13.0～17.5 m 范圍為褐黃色、中密、飽和粉砂，夾薄層粉土，粒徑大于0.075 mm 的顆粒含量為81.4%，具中等液化，承載力基本特征值和摩阻力標準值分別為80 kPa 和35 kPa。17.5～20.0 m 范圍為褐黃色、中密、飽和粗砂，顆粒均勻，夾薄層粉土，具中等液化，承載力基本特征值和摩阻力標準值分別為350 kPa 和60 kPa。

圖1 地質剖面圖

根據(jù)試驗規(guī)程[3]進行取樣測試，結果見表1。該段落地基土天然含水＜30%，且小于土質液限，同時天然孔隙比＜1.0，故而根據(jù)相關規(guī)范[4]可知該段落地基土尚未達到軟土鑒別指標，可將之作為軟弱土考慮。

表1 樣品土工試驗結果匯總表

2 治理方案

對于該段軟弱土地基，通過實際操作，現(xiàn)場預壓和拋片石兩種方案對于消除軟弱性效果不明顯，參考軟土路基驗算方法，結合路基工后沉降、地基承載力和穩(wěn)定性，制定不同處理方案，綜合多方因素比選最佳治理措施。

2.1 換填墊層

換填墊層法是處理軟弱土地基的常用方法[5]，對于濕軟程度較弱、層厚較薄的地基處理效果較好，當濕軟程度高時簡單粗暴地采用換填墊層不一定能達到消除濕軟的目的。

2.1.1 沉降計算

地基沉降計算采用《公路路基設計規(guī)范》[6]中要求采用的分層總和法進行計算，其算法原理為：

式中：S為地基總沉降量，mm；ms為沉降系數(shù)；Sc為主固結沉降，mm；n為地基變形計算深度范圍內所劃分的圖層數(shù)；p0為對應荷載效應永久組合時的基礎底面處的附加壓力；Esi為基礎底面下第i層土的壓縮模量，MPa，取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計算；zi、zi-1為基礎底面至第i層土、第i-1層土底面的距離；ai、ai-1為基礎底面計算點至第i層土、第i-1 層土底面范圍內平均附加壓力系數(shù)。

其中，沉降系數(shù)根據(jù)規(guī)范采用經(jīng)驗值，主固結沉降采用壓縮模量法。

由于該項目建設標準為三級公路，設計使用年限為10 年，故工后沉降基準期結束時間為120 個月，根據(jù)施工進度安排，路堤荷載施加級數(shù)為2 級，分別為0～6個月路堤施工，6～8 個月路面施工，8～120 個月為工后沉降基準期，計算結果見表2。由表2 可知，工后沉降基準期內路基的沉降量僅為0.258 m，遠小于規(guī)范要求的0.5 m，因而在不進行處理的情況下工后沉降是滿足要求的。

表2 不同時期地基沉降值

2.1.2 穩(wěn)定性計算

地基穩(wěn)定性計算采用《建筑地基基礎設計規(guī)范》[7]中瑞典圓弧滑動法中的有效固結應力法進行驗算，按式（3）、式（4）計算：

式中：K為穩(wěn)定安全系數(shù)；Wi為第i個土條的自重力；MR為抗滑力矩，kN·m；MS為滑動力矩，kN·m；αi為第i個土條的重垂線與護面半徑的夾角；φi為第i個土條的內摩擦角；Ci為第i個土條的巖土黏聚力；Li為第i個土條的長度，m。

其中土條寬度取2～4 m，式（3）、式（4）可以算出某一個滑面的穩(wěn)定系數(shù)K，但確定最危險的滑面是一項龐大的計算過程，需要假設一系列的滑面進行試算，最終用最小的K值確定臨界圓弧，即最危險滑面，故通過理正巖土計算軟件中編制程序進行機助分析，采用自動搜索最危險滑裂面得到臨界圓弧，計算結果見表3。由表3 可以看出，不同時間段路基土體的安全系數(shù)均小于1.2，故該段濕軟路基穩(wěn)定性不滿足要求。

表3 不同時期最不利滑動面計算結果

2.1.3 承載力計算

下臥土層承載力按式（5）進行驗算，計算結果見表4。

表4 承載力計算結果

式中：Pz為下臥層頂面處的附加應力值，kPa；Pcz為下臥層頂面處土的自重壓力值，kPa；faz為下臥層頂面處經(jīng)深度修正后的地基承載力值，kPa。

由表4 可以看出，下臥土層承載力滿足要求。

綜上所述，在不進行處治時，路基土體基準期內工后沉降和承載力滿足要求，但穩(wěn)定性不滿足要求，有出現(xiàn)沿薄弱層滑移的潛在風險，可能對行車造成安全隱患，因而考慮采用換填墊層方案提高地基土穩(wěn)定性。參考類似已建工程及良好效果，采取方案一：路基清表后回填片石+砂礫，同時在砂礫層頂部鋪設全斷面防滲土工布隔斷地下水上滲致使路堤含水率提高，并且附以護坡等其他防護工程杜絕路基外界水源對路基邊坡可能產(chǎn)生的浸泡侵蝕影響，治理方案見圖2。換填墊層將一部分地基形成具有平整性與密實性且強度相對較高的墊層，有效削弱路基濕軟性，提高地基的承載力及穩(wěn)定性，避免地基破壞。換填墊層也可以減少地基的大部分沉降量，同時墊層的地基應力擴散作用也相應減少下臥土層的沉降量[8]。

圖2 方案一治理措施

2.2 擠密法

為根治路基濕軟，徹底消除滑移風險，考慮采用樁體擠密法進行處理，結合近幾年項目處理效果及采用普遍程度，針對該工程特點選用可以充分發(fā)揮擠密作用、同時可以形成置換作用的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），通過利用工業(yè)廢料粉煤灰充分發(fā)揮黏性材料樁的特性，形成復合地基，加固土樁采用直徑0.5 m、長度10 m、間距2.5 m，正方形形式布置。同時采取與治理措施方案一相同設置護坡等防水設施進行邊坡防水處理，治理方案見圖3。

圖3 方案二治理措施

主固結沉降采用公路軟基樁土應力比法，并根據(jù)規(guī)范計算地基沉降（見表5）。表5 計算結果可以看出，工后沉降得到明顯改善，同時安全系數(shù)均高于1.2，地基土穩(wěn)定性得到顯著提高，并且地基承載力得到提高，此處不羅列承載力計算結果。

表5 不同時期沉降量及安全系數(shù)

2.3 擋墻收坡

項目建設標準為三級公路，等級較低，為減少占地，提高與林業(yè)水利等部門協(xié)調的可能性，考慮通過擋土墻收縮坡腳，盡可能將用地邊線向路基范圍靠攏。路堤邊坡高度約14 m，超過設置路肩擋土墻規(guī)范要求，為實現(xiàn)目的，可設置適當填土高度的路堤擋土墻，經(jīng)過在橫斷面上比較，反復試算后，考慮擋土墻穩(wěn)定性及工程經(jīng)濟性等，選擇填土8 m 墻高8 m 的路堤擋土墻，通過設置擋墻收縮坡腳一定程度上使路基離開濕軟嚴重范圍，但墻底地基承載力不滿足要求，擋墻下方設置雙排間距1 m長10 m 鋼花管進行小石子混凝土注漿加固，提高擋墻抗滑移性能和擋墻基底承載力，治理方案見圖4。

圖4 方案三治理措施

3 治理措施選擇

以上提及的3 種方案各有優(yōu)缺點，結合工程安全性、造價合理性、工期適應性、施工質量可靠度等現(xiàn)將各方案優(yōu)缺點匯總于表6。綜合考慮之后，推薦采用方案一。并且建議在路基填筑施工結束后，自然靜置6 個月，期間觀測路基沉降和穩(wěn)定性，對出現(xiàn)的不利情況做到及時發(fā)現(xiàn)、及時解決。

表6 不同方案優(yōu)缺點

4 結語

軟弱土地基是特殊性基礎中較為常見的一種，其治理結果對上部構筑物有著至關重要的影響，以往的工程經(jīng)驗中，工程人以安全第一為行為準繩無可厚非，但有時候一味追求過度安全，不可避免會造成過度治理，造價的提高必然會增加資源浪費，面對如今工程資金嚴重不足、工程周期極度緊縮、工程隊伍質量混雜的市場大環(huán)境，結合安全、造價、工期、質量等多方面因素，進行詳細勘察、公式計算、工程對比、經(jīng)驗總結的綜合分析比選，在提高安全系數(shù)，做好監(jiān)控監(jiān)測基礎上，選擇低造價、易操作、便修正、工期短、質量高的治理方案是較好的選擇，能夠為工程建設的順利進行提供可選思路。