聞臨高速公路黃土濕陷性分析

秦英廣

(太原理工大學，山西太原 030024)

黃土是第四紀的一種特殊堆積物，覆蓋全球面積的1/4以上，對黃土地基承載力問題的研究由來已久，主要研究方向包括地基承載力的現場測試和濕陷性評價等方面。在我國黃土分布較廣，區域特征明顯，其中濕陷性黃土占黃土分布面積的60%左右，濕陷性黃土是指天然黃土在上覆土的自重作用下，或上覆土的自重應力和附加應力作用下，受水浸潤后土的結構迅速破壞而發生顯著附加下沉的黃土。20世紀50年代至今，我國對黃土性質研究以及工程經驗積累方面取得了重要成果:從地質學角度出發，研究黃土的成因、地質年代、地層劃分、地形地貌、物質組成以及結構特征等;從工程角度方面，研究黃土的工程性質、變形規律、工程處理方法等。

1 工程概況

聞臨高速公路起自聞喜縣東鎮東姚村，經過稷山縣、萬榮縣，終點位于臨猗縣孫吉鎮王顯莊村，全長76.2 km，該區段位于山西省強烈濕陷性黃土分布地區［1］。黃土地貌是黃土堆積過程中遭受強烈侵蝕的產物。黃土塬、梁、峁等地貌類型主要由堆積作用形成;溝谷則是強烈侵蝕的結果。該高速公路段建設項目包括以下四種地貌形式［2］。

1)黃土丘陵區:AK0+800～AK7+500段黃土丘陵區，總體上地形復雜，在前半段呈渾圓狀土包與平地相連，后半段接近高黃土臺塬區溝壑縱橫。溝壁稍陡，沖溝切割劇烈，呈“V”或“U”形，局部地段呈現黃土梁峁狀，本項目路線起點段落，沖溝主方向為東西向，路線終點段落主溝方向多為南北向，密度4條/km～7條/km，寬度20 m～80 m，長度50 m～400 m，深達百米，微地貌為黃土梁、陡坎、深谷。出露地層主要為馬蘭和離石黃土，馬蘭黃土多披覆在離石黃土上。2)高黃土臺塬區:AK7+500～AK23+800，DK41+300～DK46+200，AK58+500～AK76+660段為高黃土臺塬區，總體上地勢平坦。地勢較為開闊，地形起伏不大，地表大面積覆蓋第四系沉積物，線路沿地表展布，施工難度較小，局部發育溝谷，切割較淺。3)山前黃土平地區:AK38+100～DK41+300，DK46+200～AK58+500段分布于稷王山、孤峰山前傾斜平原區，由南向北微微傾斜，坡降1°～3°，呈小臺階狀，由于黃土受流水的侵蝕，沖溝發育，沖溝一般長1 km～2.5 km，切割深度40 m～60 m。沖溝溝壁直立，呈“V”或“U”字形，南北向延伸。4)黃土殘塬區:AK23+800～AK34+415，AK34+709.302～AK38+100為黃土殘塬區，該區溝壑縱橫，梁、峁、殘塬相間，沖溝普遍發育，溝壁陡峭，切割強烈，呈“V”或“U”字形，水土流失嚴重，不良地質以黃土陷穴、人工洞穴(窯洞)、滑坡、崩塌、地裂縫等為主。

2 黃土物理力學性質

2.1 黃土物理力學性質

以聞臨高速公路AK13+630～AK13+960為試驗路段，對表1中土樣主要進行以下幾個方面的試驗研究:1)黃土的物理性質試驗;2)黃土的力學性質研究。結果分別如表1，表2所示。

由表1數據可知:1)隨著取土深度的增加，天然含水量基本增加。黃土地區地下水位深且年降水量小，在黃土地表，含水量只有10%左右;地表以下10 m處，含水量在10%～15%之間。2)土粒比重變化小，集中在2.71，粉土顆粒為主。3)單位體積內土體內土粒含量較少，黃土干密度小，約1.4 g/cm3～1.5 g/cm3。4)土體天然孔隙比在0.90～1.2之間。

表1 黃土土樣物理性質

δs定量地表示了土樣所代表黃土層的濕陷程度，是一定壓力作用下單位厚度土層由于浸水在規定壓力產生的濕陷量，當δs≥0.015時為濕陷性黃土，同時黃土的濕陷性與所受的壓力大小有一定關系，Ps表示使黃土產生濕陷臨界壓力起始壓力。當Ps小于上覆土的飽和自重時，在上覆土層自重壓力作用下受水黃土即發生濕陷，為自重濕陷性黃土。如果Ps大于上覆土的飽和自重，則土層在上覆土自重作用下不發生濕陷，為非自重濕陷性黃土。

由表2數據可知:1)黃土的濕陷系數δs基本都大于0.015，為濕陷性黃土。2)在AK13+630～AK13+960區段，場地濕陷類型基本為非自重濕陷性。3)從黃土液限、塑限試驗結果可以看出，土樣可塑性指標，接近天然狀態，可以認為是特殊的粘性土或者粉性土。

2.2 黃土濕陷等級

在濕陷性黃土地區，準確的評價場地黃土的濕陷性，才能選擇合適的地基處理方案，正確計算工程周期長短及地基處理費用。采用探井取樣，室內雙線法試驗，分析沿線黃土的濕陷性，以下選取該公路段線AK10+500～AK11+300，AK11+300～AK15+700，AK15+700～AK23+600為例進行分析研究，如表3所示。

3 常見處理方法

不同的地區、土質和工程特點，地基處理的方法也不同。根據該工程所涉及到的濕陷性黃土的類型、等級和土層厚度。主要 介紹以下兩種處理方法:強夯處理法和擠密樁法。

表2 黃土土樣物理力學性質

表3 黃土濕陷等級

3.1 強夯法

強夯法是通過突然釋放的巨大能量將各種波形和動應力傳到土體內，提高土的強度、降低壓縮性、改善砂土抗液化和消除濕陷性土的濕陷性，同時提高地基土的均勻程度，減少差異沉降。在山西地區應用廣泛，具有施工簡單、加固效果好和成本低等優點。廣泛應用于工民建筑、倉庫、儲倉、公路鐵路路基、碼頭和機場跑道。

1)加固機理:加固機理分為動力密實、動力固結和動力置換三種［3］。

2)強夯有效深度:有效加固深度是選擇地基處理方法的重要依據，也能直觀地反映處理效果，可根據公式估算，它和夯錘重量、落距、地基土的性質、土層厚度均有關。常用的單擊夯擊能為1 000 kN·m～4 000 kN·m，單擊夯擊能越大，有效加固深度越大，對于濕陷性黃土，有效加固深度可達到4 m～8 m。

3)強夯土承載力:強夯對上部地基土進行重塑，強夯地基承載力特征值可以通過現場載荷試驗確定，對強夯土大量的載荷試驗p—s曲線均無明顯拐點，對強夯土取p—s曲線s/b=0.01～0.015所對應的荷載(s為壓板沉降量，b為壓板寬度或直徑)［4］。

針對本工程擬采用強夯法，分別對濕陷等級為自重的地段以及濕陷性黃土厚度大于6 m的非自重地段，原地面采取強夯處理;對于濕陷性黃土的厚度小于6 m時，原地面重錘夯實，增加土體的密實度使土體擠密，減小土體孔隙比。

3.2 擠密樁法

灰土擠密樁法和土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土地基，處理地基的深度在5 m～15 m，利用沉管、沖擊或爆破等方法在地基中擠土成孔。然后向孔內填素土或灰土成樁。加固機理包括擠密作用、灰土性質作用、樁體作用:土或灰土樁在成孔時，樁孔位置原有土體被強制擠壓，使樁周一定范圍的土層密實度得以提高，擠密影響半徑在1.5倍～2.0倍樁徑直徑左右，其中土的天然孔隙比對擠密效果影響很大，當 e=0.90 ～1.2 時，擠密效果良好，當 e＜0.80 時，土的濕陷性一般已經消除，沒有必要采用擠密地基;灰土樁的特殊材料在化學性質上和力學性能上能夠很好的提高地基承載力、消除黃土的濕陷性以及減小沉降量;樁體的變形模量遠大于樁間土的變形模量，樁體上產生應力集中的同時降低了一定深度范圍以內的樁間土應力，一定程度上消除了壓縮變形和濕陷變形的不利影響。

1)樁心距:樁間距以保證樁間土擠密后，達到密實度和消除濕陷性為原則。一般取2倍～2.5倍樁孔直徑，計算公式為:L=對于重要工程和缺乏經驗的地區的樁間距，還應通過現場成孔擠密試驗確定不同樁距擠密效果的優劣。樁孔內的填料需分層回填夯實，平均壓實系數不宜小于0.97。

2)承載力和變形模量:主要通過荷載試驗和參照工程經驗確定。針對消除黃土濕陷性為目的的擠密樁，采取浸水試驗，其中自重濕陷性黃土的浸水直徑不應小于土層厚度且大于10 m，實驗所得的p—s曲線不存在明顯直線段時，取s/b=0.012(灰土擠密樁時取s/b=0.008)相對應的荷載作為地基承載力特征值。一般工程地基承載力特征值可根據當地經驗值確定，無具體經驗時，灰土擠密樁不應大于處理前的1.4倍且不應大于180 kPa;灰土擠密樁法不應大于處理前的2倍和250 kPa。

3)地基變形:計算地基變形時，地基內的應力分布采用各向同性均質線性變形體系理論，最終變形參考GB 50007建筑地基基礎設計規范的相關要求，復合土層的壓縮模量采用荷載試驗的變形模量代替［5］。

針對本工程中Ⅰ級～Ⅲ級自重濕陷性、Ⅰ級～Ⅱ級非自重濕陷性黃土以及與6 m以上高擋墻連接路段擬采用強夯結合灰土擠密樁法處理，達到穿透全部濕陷性土層、消除濕陷性的要求。

4 結語

濕陷性黃土因特有的土體結構特點和工程性能，給工程建設帶來了許多困難，黃土地區公路建設最難處理的問題就是消除黃土濕陷性問題，針對濕陷性黃土的特殊性能，地基處理的目的主要即破壞濕陷性黃土的大孔隙結構，消除或減小地基因偶然浸水而引起的濕陷變形。濕陷性黃土地基處理方法的選擇應綜合考慮建筑物的類別、場地的濕陷類型、地基的濕陷等級、施工技術及工程造價等因素。

結合高速公路黃土土樣的物理和力學性質的研究結果和常見黃土地基處理方法的使用范圍，分析了在本工程中強夯法和擠密樁法的適用性。

本工程大部分地區采用強夯法，分別對濕陷等級為自重的地段以及濕陷性黃土厚度大于6 m的非自重地段，原地面采取強夯處理;對于濕陷性黃土的厚度小于6 m時，原地面重錘夯實，增加土體的密實度使土體擠密，減小土體孔隙比。針對本工程中Ⅰ級～Ⅲ級自重濕陷性、Ⅰ級～Ⅱ級非自重濕陷性黃土以及與6 m以上高擋墻連接路段擬采用強夯結合灰土擠密樁法處理，達到穿透全部濕陷性土層、消除濕陷性的要求。

［1］李 毅.山西省濕陷性黃土地區地基處理方法的探討［J］.山西建筑，2008，34(33):110-111.

［2］龍 毅，周 侗，湯國安，等.典型黃土地貌類型區的地形復雜度分形研究［J］.山地學報，2007，34(4):110-111.

［3］王鳳超，張紅波，徐 建.強夯法加固機理及在濕陷性黃土地基中的應用［J］.山西建筑，2008，34(27):108-109.

［4］王 軍，張旭紅.強夯法處理濕陷性黃土地基的效果分析［J］.巖土工程，2004，19(3):23-24.

［5］JGJ 94-2008，建筑樁基技術規范［S］.