软弱土地基综合治理措施研究

秦小超

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西太原 030032）

0 引言

20 世纪末和21 世纪初，各行各业经过时间的洗礼，实现了跨越式发展，工程建设行业更是五年一小步、十年一大步，其中尤其以交通运输行业和房屋建筑行业发展最为迅猛。以交通运输行业中公路一项为例，建设规模增长迅速，投资金额逐年增加，理念适时恰当转换，截至2020 年末，全国公路总里程519.81 万km[1]，比2019 年末增加18.56 万km，年增速接近4%，全年完成公路固定资产投资24 312 亿，比2019 年增长11%。建设规模逐年扩大的同时，养护成为公路行业的重中之重，以养强建成为行业通识，2020 年公路养护里程514.40 万km，占比达公路总里程99.0%，高密度的养护为新建工程提供了坚实的后勤保障。在建设和养护过程中，出现软弱土地基必不可免，在治理过程中，对治理方案的选择是重中之重，若仅从安全角度出发，治理方案难免会相对保守，不可避免会导致造价过高、工期过长，进而造成资源浪费，因此在现阶段市场大环境各种因素制约下，治理方案要结合工程安全性、造价合理性、工期适应性、施工质量可靠度等多个角度综合考虑。本文从工程实际出发，综合考虑路基填方地基软弱土存在位置及对上部结构影响程度，综合对比采用挡墙收坡、正常放坡换填垫层和布设CFG 桩提高承载力等治理方案，为类似情况提供治理方案比选思路与工程经验。

1 工程概述

1.1 项目概况

该工程位于某段公路路基处，该段道路线位受到地形及现有构造物的制约，平面及纵断面调整空间均极为有限，110 m 长路基段落不可避免地布设于较为湿软地基范围，段落采用两车道三级公路标准建设，公路路基宽度7.5 m，设计速度为30 km/h，路堤边坡高度约14 m，对应桩号为K0+000—K0+110。现场踏勘发现该处地基可能为卵石等强度较高的材料，但浅挖后未发现大粒径石质材料，以粉土为主同时存在黑褐色薄土夹层。

1.2 路基勘察结果

勘察工作以规范[2]为指导，采用工程地质调绘、钻孔探测和取样测试3 种方法综合勘察。从地基原状可以看出，线位沿山体以填方路基为主从现有高速桥梁下穿通过，路基范围为土质，植被以杂草为主，无大型树木灌木，未见岩石出露，清表后可以看出表层为均匀黄色土质。

在110 m 长路基坡脚处等间距共布设3 处钻孔，地质剖面如图1。根据揭露的地层情况，3 处钻孔结果较为一致，稳定水位深度约3.5 m，8.4 m 以内为稍密粉土，其中上层3.0 m 为褐黄色，稍湿，土质不均匀，含粉细砂，承载力基本特征值和摩阻力标准值分别为90 kPa～120 kPa 和20 kPa～30 kPa，其余厚度土质很湿，土质均匀。8.4～10.6 m 范围为砾砂，褐黄色，中密，饱和，颗粒均匀，粒径大于2 mm 的颗粒含量为38.4%～55.2%，承载力基本特征值和摩阻力标准值分别为300 kPa 和55 kPa。10.6～13.0 m 范围为红褐色、可塑粉质黏土，承载力基本特征值和摩阻力标准值分别为150 kPa 和40 kPa。13.0～17.5 m 范围为褐黄色、中密、饱和粉砂，夹薄层粉土，粒径大于0.075 mm 的颗粒含量为81.4%，具中等液化，承载力基本特征值和摩阻力标准值分别为80 kPa 和35 kPa。17.5～20.0 m 范围为褐黄色、中密、饱和粗砂，颗粒均匀，夹薄层粉土，具中等液化，承载力基本特征值和摩阻力标准值分别为350 kPa 和60 kPa。

图1 地质剖面图

根据试验规程[3]进行取样测试，结果见表1。该段落地基土天然含水＜30%，且小于土质液限，同时天然孔隙比＜1.0，故而根据相关规范[4]可知该段落地基土尚未达到软土鉴别指标，可将之作为软弱土考虑。

表1 样品土工试验结果汇总表

2 治理方案

对于该段软弱土地基，通过实际操作，现场预压和抛片石两种方案对于消除软弱性效果不明显，参考软土路基验算方法，结合路基工后沉降、地基承载力和稳定性，制定不同处理方案，综合多方因素比选最佳治理措施。

2.1 换填垫层

换填垫层法是处理软弱土地基的常用方法[5]，对于湿软程度较弱、层厚较薄的地基处理效果较好，当湿软程度高时简单粗暴地采用换填垫层不一定能达到消除湿软的目的。

2.1.1 沉降计算

地基沉降计算采用《公路路基设计规范》[6]中要求采用的分层总和法进行计算，其算法原理为：

式中：S为地基总沉降量，mm；ms为沉降系数；Sc为主固结沉降，mm；n为地基变形计算深度范围内所划分的图层数；p0为对应荷载效应永久组合时的基础底面处的附加压力；Esi为基础底面下第i层土的压缩模量，MPa，取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；zi、zi-1为基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离；ai、ai-1为基础底面计算点至第i层土、第i-1 层土底面范围内平均附加压力系数。

其中，沉降系数根据规范采用经验值，主固结沉降采用压缩模量法。

由于该项目建设标准为三级公路，设计使用年限为10 年，故工后沉降基准期结束时间为120 个月，根据施工进度安排，路堤荷载施加级数为2 级，分别为0～6个月路堤施工，6～8 个月路面施工，8～120 个月为工后沉降基准期，计算结果见表2。由表2 可知，工后沉降基准期内路基的沉降量仅为0.258 m，远小于规范要求的0.5 m，因而在不进行处理的情况下工后沉降是满足要求的。

表2 不同时期地基沉降值

2.1.2 稳定性计算

地基稳定性计算采用《建筑地基基础设计规范》[7]中瑞典圆弧滑动法中的有效固结应力法进行验算，按式（3）、式（4）计算：

式中：K为稳定安全系数；Wi为第i个土条的自重力；MR为抗滑力矩，kN·m；MS为滑动力矩，kN·m；αi为第i个土条的重垂线与护面半径的夹角；φi为第i个土条的内摩擦角；Ci为第i个土条的岩土黏聚力；Li为第i个土条的长度，m。

其中土条宽度取2～4 m，式（3）、式（4）可以算出某一个滑面的稳定系数K，但确定最危险的滑面是一项庞大的计算过程，需要假设一系列的滑面进行试算，最终用最小的K值确定临界圆弧，即最危险滑面，故通过理正岩土计算软件中编制程序进行机助分析，采用自动搜索最危险滑裂面得到临界圆弧，计算结果见表3。由表3 可以看出，不同时间段路基土体的安全系数均小于1.2，故该段湿软路基稳定性不满足要求。

表3 不同时期最不利滑动面计算结果

2.1.3 承载力计算

下卧土层承载力按式（5）进行验算，计算结果见表4。

表4 承载力计算结果

式中：Pz为下卧层顶面处的附加应力值，kPa；Pcz为下卧层顶面处土的自重压力值，kPa；faz为下卧层顶面处经深度修正后的地基承载力值，kPa。

由表4 可以看出，下卧土层承载力满足要求。

综上所述，在不进行处治时，路基土体基准期内工后沉降和承载力满足要求，但稳定性不满足要求，有出现沿薄弱层滑移的潜在风险，可能对行车造成安全隐患，因而考虑采用换填垫层方案提高地基土稳定性。参考类似已建工程及良好效果，采取方案一：路基清表后回填片石+砂砾，同时在砂砾层顶部铺设全断面防渗土工布隔断地下水上渗致使路堤含水率提高，并且附以护坡等其他防护工程杜绝路基外界水源对路基边坡可能产生的浸泡侵蚀影响，治理方案见图2。换填垫层将一部分地基形成具有平整性与密实性且强度相对较高的垫层，有效削弱路基湿软性，提高地基的承载力及稳定性，避免地基破坏。换填垫层也可以减少地基的大部分沉降量，同时垫层的地基应力扩散作用也相应减少下卧土层的沉降量[8]。

图2 方案一治理措施

2.2 挤密法

为根治路基湿软，彻底消除滑移风险，考虑采用桩体挤密法进行处理，结合近几年项目处理效果及采用普遍程度，针对该工程特点选用可以充分发挥挤密作用、同时可以形成置换作用的水泥粉煤灰碎石桩（CFG桩），通过利用工业废料粉煤灰充分发挥黏性材料桩的特性，形成复合地基，加固土桩采用直径0.5 m、长度10 m、间距2.5 m，正方形形式布置。同时采取与治理措施方案一相同设置护坡等防水设施进行边坡防水处理，治理方案见图3。

图3 方案二治理措施

主固结沉降采用公路软基桩土应力比法，并根据规范计算地基沉降（见表5）。表5 计算结果可以看出，工后沉降得到明显改善，同时安全系数均高于1.2，地基土稳定性得到显著提高，并且地基承载力得到提高，此处不罗列承载力计算结果。

表5 不同时期沉降量及安全系数

2.3 挡墙收坡

项目建设标准为三级公路，等级较低，为减少占地，提高与林业水利等部门协调的可能性，考虑通过挡土墙收缩坡脚，尽可能将用地边线向路基范围靠拢。路堤边坡高度约14 m，超过设置路肩挡土墙规范要求，为实现目的，可设置适当填土高度的路堤挡土墙，经过在横断面上比较，反复试算后，考虑挡土墙稳定性及工程经济性等，选择填土8 m 墙高8 m 的路堤挡土墙，通过设置挡墙收缩坡脚一定程度上使路基离开湿软严重范围，但墙底地基承载力不满足要求，挡墙下方设置双排间距1 m长10 m 钢花管进行小石子混凝土注浆加固，提高挡墙抗滑移性能和挡墙基底承载力，治理方案见图4。

图4 方案三治理措施

3 治理措施选择

以上提及的3 种方案各有优缺点，结合工程安全性、造价合理性、工期适应性、施工质量可靠度等现将各方案优缺点汇总于表6。综合考虑之后，推荐采用方案一。并且建议在路基填筑施工结束后，自然静置6 个月，期间观测路基沉降和稳定性，对出现的不利情况做到及时发现、及时解决。

表6 不同方案优缺点

4 结语

软弱土地基是特殊性基础中较为常见的一种，其治理结果对上部构筑物有着至关重要的影响，以往的工程经验中，工程人以安全第一为行为准绳无可厚非，但有时候一味追求过度安全，不可避免会造成过度治理，造价的提高必然会增加资源浪费，面对如今工程资金严重不足、工程周期极度紧缩、工程队伍质量混杂的市场大环境，结合安全、造价、工期、质量等多方面因素，进行详细勘察、公式计算、工程对比、经验总结的综合分析比选，在提高安全系数，做好监控监测基础上，选择低造价、易操作、便修正、工期短、质量高的治理方案是较好的选择，能够为工程建设的顺利进行提供可选思路。