含水量變化對濕陷性黃土地基處理的影響

張衛華

（山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原030012）

0 引言

黃土是第四紀堆積的以粉土顆粒為主、富含碳酸鹽、具有大孔性、黃色的土狀沉積物。濕陷性黃土是在其自重壓力或自重壓力和附加壓力作用下受水浸濕后，土體結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉的黃土。“顯著附加下沉”是指受水浸濕后的黃土在壓力作用下，發生了較大的變形，這種變形一般情況下遠大于它本身的正常壓密或塑性變形。黃土的這種濕陷性對公路工程危害嚴重，處治措施不當會引起地基濕陷、路基沉陷等工程病害。

濕陷性黃土四大物理性質指標（含水量、容重、比重、空隙比）和三個狀態指標（液限、塑限、塑性指數）中，含水量與濕陷性關系最為密切。

1 濕陷變形與天然含水量的關系

濕陷變形是在充分浸水飽和的情況下產生的，它的大小除了與土本身密度和結構性有關外，主要取決于土的初始含水量和浸水飽和時的作用壓力。對一項具體工程而言，浸水飽和時的作用壓力一般按規范取值或取接近于工程實際壓力數值即可；但初始含水量，即天然含水量受氣候條件或地下水的影響在動態變化，尤其是干季和雨季變化尤甚，不同階段的取樣會有不同的試驗結果。

1.1 含水量增大對濕陷系數的影響

有關資料數據顯示，青海西寧和希里溝雨季較干季含水量增加28%～50%，濕陷系數相應降低57.6%～60.0%，數據詳見表1。

表1 濕陷系數干濕季變化情況

一般情況下，土的含水量越高，濕陷系數越小。濕陷性黃土的含水量達到或超過某一極限值時，不論在多大的濕陷壓力作用下，都不會產生相當于濕陷系數δs≥0.015的濕陷變形，此時土的濕陷變形將大部或全部轉化為壓縮變形，這個含水量極值即為濕陷極限含水量。如三門峽地區濕陷性黃土的天然含水量W＞23%、西安地區W＞24%、蘭州地區W＞25%時，通常情況下，其濕陷很輕微或濕陷性就不存在了。

1.2 含水量減少對濕陷系數的影響

如果濕陷性黃土天然地層長期干旱，則它的濕陷系數將會增大。如西寧某地天然狀態的土樣，經過干濕循環處理后，測得的濕陷系數數值增加很多，遠遠超過100%，詳見表2。

表2 干濕循環處理后濕陷系數的變化

一般情況下，土的含水量越低，濕陷系數越大。換句話說，含水量不斷降低可使黃土的濕陷性得到部分恢復或全部恢復。

1.3 含水量對總變形的影響

有關資料顯示，隨著天然含水量的增加，黃土的濕陷變形減小，而壓縮變形增大；隨著天然含水量的減小，黃土的濕陷變形增大，而壓縮變形減小。土的總變形值在同一壓力下似乎基本不變，即天然含水量變化對總變形基本無影響。這還有待更多的數據驗證。

2 工程實例

祁臨高速公路臨汾市北環段項目全長19.255km，采用四車道高速公路標準建設，設計速度為100 km/h，路基寬度為26m。

2.1 勘察階段成果

項目于2009年5月初展開地質勘察。

2.1.1 地形、地貌

項目位于臨汾斷陷盆地北部，最低點在汾河河谷，海拔為435m；最高點在起點處，海拔為540m，相對高差為105m。地形形態為平原區。

濕陷性黃土路段分布于汾河東、西兩岸的Ⅱ級階地，地勢較開闊，地形略有起伏，有少量黃土沖溝發育，具體樁號段落為K0+000～K5+440及K14+600～AK19+265。

2.1.2 地表水系

項目區水系屬黃河流域汾河水系。路線分別在K11+559和K14+122跨越汾河和大洪峪澗河。汾河是黃河的第二大支流，是山西省最大的河流，項目區內年平均流量為43.9m3/s，最大洪峰流量為2 800m3/s。大洪峪澗河屬汾河水系，是汾河一級支流，水量主要受大氣降水影響，汛期流量較大，干旱季節河道中無水，屬季節性河流。

2.1.3 降水氣象

項目區屬暖溫帶大陸性季風氣候區，具有春季干燥、多風；夏季炎熱、雨量集中；秋季涼爽濕潤，秋雨多于春雨；冬季寒冷干燥，雨雪偏少的氣候特征。

區內全年降水主要集中在7、8、9三個月，尤以7月最多。降水量、蒸發量、日照特征見表3。

表3 項目區降水量、蒸發量、日照表

2.1.4 黃土路段地質條件及評價

（1） K0+000～K5+440段

地層巖性以Q3粉土與粉質黏土為主，局部夾碎石土、砂土透鏡體，地下水埋藏較深，一般大于9.0m，地面以下3.0～10.0m 堅硬粉質黏土、稍密粉土具Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷，以下地層以可塑粉質黏土及濕粉土為主。總體評價，地基穩定性較差，路基段應對濕陷性黃土進行地基處理。

（2）K14+600～K19+265段

地層巖性以Q4、Q3粉土、粉質黏土與碎石土互層為主，表層為4.0～8.0m 粉土、粉質黏土具Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷，地下水埋藏較深，一般在鉆探深度（15m）內未見。總體評價，地基穩定性稍差，路基段應對濕陷性黃土進行地基處理。

2.1.5 濕陷性黃土的指標

勘察階段項目沿線濕陷性黃土的物理力學指標見表4。

表4 勘察階段濕陷性黃土物理力學指標匯總表

2.2 初步設計階段處治措施

勘察成果揭示，需對K0+000～K5+440、K14+600～K19+265 兩段Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷性黃土地基進行處治。兩段路基平均填高分別為3.5m 和4.0m。根據《公路路基設計規范》（JTG D30—2004）確定了以下處治方案：填方區地基采用沖擊碾壓或重錘夯實處理；挖方區開挖到路床后，如仍存在濕陷性土層，則先沖擊碾壓，后回填30cm 厚的6%石灰土。方案主要以消除或部分消除地基濕陷量為考慮。

2.3 施工圖設計階段處治措施

項目于2009 年8 月初開始施工圖勘察設計，經歷6、7 月的雨季，上述兩路段的濕陷性黃土地表含水量普遍增大，達到了20%～23%。根據相關數據和經驗，該值接近了濕陷極限含水量，即該狀態下濕陷性黃土的濕陷變形很小，主要為壓縮變形，若采用沖擊碾壓或重錘夯實處治來消除或部分消除地基濕陷量，地基容易形成“橡皮土”，難以壓實，初步設計方案不再適宜。因此將方案優化為：在填方路段路基底部填筑30～50cm 砂礫墊層處理；在低填淺挖及挖方路段路面底面以下換填80cm 砂礫墊層。方案主要以滿足地基壓實度為主，并考慮由壓縮變形引起的地基沉降對工程的影響。

2.4 施工階段處治措施

項目于2009 年10 月初開工建設，經歷6、7、8月的雨季，上述兩路段地表含水量達到了22%～25%，按照施工圖設計方案處治地基，大部分路段可滿足規范要求，局部路段不能滿足要求的，將原設計方案的砂礫墊層加厚20～30cm 后可滿足規范要求。

3 根據含水量變化進行動態勘察設計

由第1部分可知，黃土的濕陷性不是一成不變的，會隨著天然含水量的變化而變化。天然含水量增大，可使土的濕陷量減小或消失；天然含水量減小，可使土的濕陷量增大或恢復。當黃土的含水量大于濕陷極限含水量時，黃土的濕陷變形已全部轉化為壓縮變形，即黃土由濕陷性黃土轉化為了非濕陷性黃土；當含水量減小，小于濕陷極限含水量時，黃土的濕陷變形又會恢復或部分恢復，即黃土由非濕陷性黃土轉化為了濕陷性黃土。

第2部分工程實例中，地基土含水量接近濕陷極限含水量，勘察期間為干季，取樣含水量低，試驗確定的濕陷系數偏高。經歷6、7、8 月的雨季，施工期間的地基含水量普遍增大約5%，濕陷系數有所降低。因此，對路基基底的處理措施也隨之進行了優化調整，即由以處理濕陷變形為主的方案調整為以處理壓縮變形為主的方案。反之，勘察期間如為雨季，取樣含水量高，試驗確定的濕陷等級和承載力可能會偏低，確定具體方案時同樣應隨含水量變化而調整。

由此可見，含水量的變化對黃土濕陷性影響明顯，對地基處治措施影響較大。而含水量受地下水埋藏、地表水、季節性降水滲入等影響而變化。一般情況下，勘察設計與施工間存在一定的時間差，勘察設計階段的地基土含水量等地質條件未必與施工時的一致。這就需要在設計階段確定方案時，采取動態分析的觀點，綜合考慮，選用適宜可行的地基處治方案。

4 應對措施建議

（1）在初步勘察階段，應查明場地內各土層的物理力學性質、場地濕陷類型、地基濕陷等級及分布，并預估干濕季或地下水位變化對地基土的影響。在干濕季或地下水變化幅度大的地段，應從初步勘察階段開始進行地基土含水量的動態觀測。

（2）設計階段應根據勘察成果預估施工期的地基土性質的情況，確定適宜的地基處治方案；地基施工前，應再次取樣試驗與勘察階段成果比對，以驗證設計方案的適宜性或及時優化設計方案。

（3）一般情況下，當濕陷性黃土地基含水量小于20%時，可根據濕陷厚度、濕陷等級及公路構造部位對地基變形的不同要求選用強夯、重夯、沖擊碾壓、灰土擠密樁等方案處治地基；當濕陷性黃土地基含水量大于20%時，黃土濕陷比較輕微，可根據濕陷厚度及公路構造部位對地基變形的不同要求選用土（素土、灰土或砂礫）墊層、換土回填或強夯置換的方案處治地基，通常墊層的壓實度能達到94%以上。

（4）黃土天然含水量接近濕陷極限含水量時，即使仍評價為濕陷性黃土，一般也不宜采用規范中的沖擊碾壓、重夯或強夯的方案來消除地基濕陷，宜采用能滿足規范壓實度的壓實方案，并考慮由壓縮變形引起的地基沉降對工程的影響。

[1] 工程地質手冊編委會.工程地質手冊[M].4版.北京：中國建筑工業出版社，2007.

[2] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[3] 鄭晏武. 中國黃土的濕陷性[M]. 北京：地質出版社，1982.