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(shè)計(jì)院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

20 世紀(jì)末和21 世紀(jì)初，各行各業(yè)經(jīng)過(guò)時(shí)間的洗禮，實(shí)現(xiàn)了跨越式發(fā)展，工程建設(shè)行業(yè)更是五年一小步、十年一大步，其中尤其以交通運(yùn)輸行業(yè)和房屋建筑行業(yè)發(fā)展最為迅猛。以交通運(yùn)輸行業(yè)中公路一項(xiàng)為例，建設(shè)規(guī)模增長(zhǎng)迅速，投資金額逐年增加，理念適時(shí)恰當(dāng)轉(zhuǎn)換，截至2020 年末，全國(guó)公路總里程519.81 萬(wàn)km[1]，比2019 年末增加18.56 萬(wàn)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(zhǎng)11%。建設(shè)規(guī)模逐年擴(kuò)大的同時(shí)，養(yǎng)護(hù)成為公路行業(yè)的重中之重，以養(yǎng)強(qiáng)建成為行業(yè)通識(shí)，2020 年公路養(yǎng)護(hù)里程514.40 萬(wàn)km，占比達(dá)公路總里程99.0%，高密度的養(yǎng)護(hù)為新建工程提供了堅(jiān)實(shí)的后勤保障。在建設(shè)和養(yǎng)護(hù)過(guò)程中，出現(xiàn)軟弱土地基必不可免，在治理過(guò)程中，對(duì)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(huì)相對(duì)保守，不可避免會(huì)導(dǎo)致造價(jià)過(guò)高、工期過(guò)長(zhǎng)，進(jìn)而造成資源浪費(fèi)，因此在現(xiàn)階段市場(chǎng)大環(huán)境各種因素制約下，治理方案要結(jié)合工程安全性、造價(jià)合理性、工期適應(yīng)性、施工質(zhì)量可靠度等多個(gè)角度綜合考慮。本文從工程實(shí)際出發(fā)，綜合考慮路基填方地基軟弱土存在位置及對(duì)上部結(jié)構(gòu)影響程度，綜合對(duì)比采用擋墻收坡、正常放坡?lián)Q填墊層和布設(shè)CFG 樁提高承載力等治理方案，為類(lèi)似情況提供治理方案比選思路與工程經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概述

1.1 項(xiàng)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(gòu)造物的制約，平面及縱斷面調(diào)整空間均極為有限，110 m 長(zhǎng)路基段落不可避免地布設(shè)于較為濕軟地基范圍，段落采用兩車(chē)道三級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，公路路基寬度7.5 m，設(shè)計(jì)速度為30 km/h，路堤邊坡高度約14 m，對(duì)應(yīng)樁號(hào)為K0+000—K0+110。現(xiàn)場(chǎng)踏勘發(fā)現(xiàn)該處地基可能為卵石等強(qiáng)度較高的材料，但淺挖后未發(fā)現(xiàn)大粒徑石質(zhì)材料，以粉土為主同時(shí)存在黑褐色薄土夾層。

1.2 路基勘察結(jié)果

勘察工作以規(guī)范[2]為指導(dǎo)，采用工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆孔探測(cè)和取樣測(cè)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(guò)，路基范圍為土質(zhì)，植被以雜草為主，無(wú)大型樹(shù)木灌木，未見(jiàn)巖石出露，清表后可以看出表層為均勻黃色土質(zhì)。

在110 m 長(zhǎng)路基坡腳處等間距共布設(shè)3 處鉆孔，地質(zhì)剖面如圖1。根據(jù)揭露的地層情況，3 處鉆孔結(jié)果較為一致，穩(wěn)定水位深度約3.5 m，8.4 m 以內(nèi)為稍密粉土，其中上層3.0 m 為褐黃色，稍濕，土質(zhì)不均勻，含粉細(xì)砂，承載力基本特征值和摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值分別為90 kPa～120 kPa 和20 kPa～30 kPa，其余厚度土質(zhì)很濕，土質(zhì)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(biāo)準(zhǔn)值分別為300 kPa 和55 kPa。10.6～13.0 m 范圍為紅褐色、可塑粉質(zhì)黏土，承載力基本特征值和摩阻力標(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)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(biāo)準(zhǔn)值分別為350 kPa 和60 kPa。

圖1 地質(zhì)剖面圖

根據(jù)試驗(yàn)規(guī)程[3]進(jìn)行取樣測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。該段落地基土天然含水＜30%，且小于土質(zhì)液限，同時(shí)天然孔隙比＜1.0，故而根據(jù)相關(guān)規(guī)范[4]可知該段落地基土尚未達(dá)到軟土鑒別指標(biāo)，可將之作為軟弱土考慮。

表1 樣品土工試驗(yàn)結(jié)果匯總表

2 治理方案

對(duì)于該段軟弱土地基，通過(guò)實(shí)際操作，現(xiàn)場(chǎng)預(yù)壓和拋片石兩種方案對(duì)于消除軟弱性效果不明顯，參考軟土路基驗(yàn)算方法，結(jié)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(duì)于濕軟程度較弱、層厚較薄的地基處理效果較好，當(dāng)濕軟程度高時(shí)簡(jiǎn)單粗暴地采用換填墊層不一定能達(dá)到消除濕軟的目的。

2.1.1 沉降計(jì)算

地基沉降計(jì)算采用《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]中要求采用的分層總和法進(jìn)行計(jì)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(jié)沉降，mm；n為地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的圖層數(shù)；p0為對(duì)應(yīng)荷載效應(yīng)永久組合時(shí)的基礎(chǔ)底面處的附加壓力；Esi為基礎(chǔ)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(jì)算；zi、zi-1為基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離；ai、ai-1為基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1 層土底面范圍內(nèi)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(yàn)值，主固結(jié)沉降采用壓縮模量法。

由于該項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為三級(jí)公路，設(shè)計(jì)使用年限為10 年，故工后沉降基準(zhǔn)期結(jié)束時(shí)間為120 個(gè)月，根據(jù)施工進(jìn)度安排，路堤荷載施加級(jí)數(shù)為2 級(jí)，分別為0～6個(gè)月路堤施工，6～8 個(gè)月路面施工，8～120 個(gè)月為工后沉降基準(zhǔn)期，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表2。由表2 可知，工后沉降基準(zhǔn)期內(nèi)路基的沉降量?jī)H為0.258 m，遠(yuǎn)小于規(guī)范要求的0.5 m，因而在不進(jìn)行處理的情況下工后沉降是滿足要求的。

表2 不同時(shí)期地基沉降值

2.1.2 穩(wěn)定性計(jì)算

地基穩(wěn)定性計(jì)算采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》[7]中瑞典圓弧滑動(dòng)法中的有效固結(jié)應(yīng)力法進(jìn)行驗(yàn)算，按式（3）、式（4）計(jì)算：

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

其中土條寬度取2～4 m，式（3）、式（4）可以算出某一個(gè)滑面的穩(wěn)定系數(shù)K，但確定最危險(xiǎn)的滑面是一項(xiàng)龐大的計(jì)算過(guò)程，需要假設(shè)一系列的滑面進(jìn)行試算，最終用最小的K值確定臨界圓弧，即最危險(xiǎn)滑面，故通過(guò)理正巖土計(jì)算軟件中編制程序進(jìn)行機(jī)助分析，采用自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑裂面得到臨界圓弧，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表3。由表3 可以看出，不同時(shí)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(shí)期最不利滑動(dòng)面計(jì)算結(jié)果

2.1.3 承載力計(jì)算

下臥土層承載力按式（5）進(jìn)行驗(yàn)算，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 承載力計(jì)算結(jié)果

式中：Pz為下臥層頂面處的附加應(yīng)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(jìn)行處治時(shí)，路基土體基準(zhǔn)期內(nèi)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(fēng)險(xiǎn)，可能對(duì)行車(chē)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(lèi)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(shí)在砂礫層頂部鋪設(shè)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(hù)坡等其他防護(hù)工程杜絕路基外界水源對(duì)路基邊坡可能產(chǎn)生的浸泡侵蝕影響，治理方案見(jiàn)圖2。換填墊層將一部分地基形成具有平整性與密實(shí)性且強(qiáng)度相對(duì)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(shí)墊層的地基應(yīng)力擴(kuò)散作用也相應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)，考慮采用樁體擠密法進(jìn)行處理，結(jié)合近幾年項(xiàng)目處理效果及采用普遍程度，針對(duì)該工程特點(diǎn)選用可以充分發(fā)揮擠密作用、同時(shí)可以形成置換作用的水泥粉煤灰碎石樁（CFG樁），通過(guò)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(fù)合地基，加固土樁采用直徑0.5 m、長(zhǎng)度10 m、間距2.5 m，正方形形式布置。同時(shí)采取與治理措施方案一相同設(shè)置護(hù)坡等防水設(shè)施進(jìn)行邊坡防水處理，治理方案見(jiàn)圖3。

圖3 方案二治理措施

主固結(jié)沉降采用公路軟基樁土應(yīng)力比法，并根據(jù)規(guī)范計(jì)算地基沉降（見(jiàn)表5）。表5 計(jì)算結(jié)果可以看出，工后沉降得到明顯改善，同時(shí)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(jì)算結(jié)果。

表5 不同時(shí)期沉降量及安全系數(shù)

2.3 擋墻收坡

項(xiàng)目建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)為三級(jí)公路，等級(jí)較低，為減少占地，提高與林業(yè)水利等部門(mén)協(xié)調(diào)的可能性，考慮通過(guò)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(guò)設(shè)置路肩擋土墻規(guī)范要求，為實(shí)現(xiàn)目的，可設(shè)置適當(dāng)填土高度的路堤擋土墻，經(jīng)過(guò)在橫斷面上比較，反復(fù)試算后，考慮擋土墻穩(wěn)定性及工程經(jīng)濟(jì)性等，選擇填土8 m 墻高8 m 的路堤擋土墻，通過(guò)設(shè)置擋墻收縮坡腳一定程度上使路基離開(kāi)濕軟嚴(yán)重范圍，但墻底地基承載力不滿足要求，擋墻下方設(shè)置雙排間距1 m長(zhǎng)10 m 鋼花管進(jìn)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(jiàn)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(diǎn)，結(jié)合工程安全性、造價(jià)合理性、工期適應(yīng)性、施工質(zhì)量可靠度等現(xiàn)將各方案優(yōu)缺點(diǎn)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(jié)束后，自然靜置6 個(gè)月，期間觀測(cè)路基沉降和穩(wěn)定性，對(duì)出現(xiàn)的不利情況做到及時(shí)發(fā)現(xiàn)、及時(shí)解決。

表6 不同方案優(yōu)缺點(diǎn)

4 結(jié)語(yǔ)

軟弱土地基是特殊性基礎(chǔ)中較為常見(jiàn)的一種，其治理結(jié)果對(duì)上部構(gòu)筑物有著至關(guān)重要的影響，以往的工程經(jīng)驗(yàn)中，工程人以安全第一為行為準(zhǔn)繩無(wú)可厚非，但有時(shí)候一味追求過(guò)度安全，不可避免會(huì)造成過(guò)度治理，造價(jià)的提高必然會(huì)增加資源浪費(fèi)，面對(duì)如今工程資金嚴(yán)重不足、工程周期極度緊縮、工程隊(duì)伍質(zhì)量混雜的市場(chǎng)大環(huán)境，結(jié)合安全、造價(jià)、工期、質(zhì)量等多方面因素，進(jìn)行詳細(xì)勘察、公式計(jì)算、工程對(duì)比、經(jīng)驗(yàn)總結(jié)的綜合分析比選，在提高安全系數(shù)，做好監(jiān)控監(jiān)測(cè)基礎(chǔ)上，選擇低造價(jià)、易操作、便修正、工期短、質(zhì)量高的治理方案是較好的選擇，能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)的順利進(jìn)行提供可選思路。