山平高速路基濕陷性黃土沉陷機理分析與防治

高 源

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012)

山平高速路基濕陷性黃土沉陷機理分析與防治

高 源

(山西省交通規劃勘察設計院，山西 太原 030012)

結合工程實例，分析了濕陷性黃土的物理和力學性質，闡述了濕陷性黃土的判定與評價標準，總結了路基沉陷的原因，并提出了處理濕陷性黃土地區地基沉陷的方法，保證了公路路基結構的穩定與安全。

濕陷性黃土，路基，沉陷機理

黃土在我國秦嶺以北長城以南、太行山以西、日月山以東的黃河中游地區的甘肅、寧夏、陜西、山西、河南等省均有比較廣泛的分布，其具有多孔性、濕陷性、收縮膨脹性和抗水性差等特點。這種地質條件比較特殊，所以導致公路路基發生沉陷的概率較大。本文通過對處于黃土地區的山平高速公路路基分析，總結導致路基沉陷發生的原因，并分享了該工程所采用的處理措施。

1 黃土的特性

科研人員一直注重黃土的基本特性，并結合地勘報告和長期的實際施工，把黃土的基本特性總結為五個方面：多孔性、垂直節理發育、層理不明顯、透水性、沉陷性。這五種基本特性相互影響，互為作用。因此我們有必要對黃土的基本特性進行全面綜合地分析研究。

2 濕陷性黃土的物理和力學性質

濕陷性黃土是指上覆土層在自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土體的結構破壞而發生顯著附加變形的土，屬于一種特殊性質的土。濕陷性黃土分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。自重濕陷性黃土是指在上覆土層的自重壓力下受水浸濕后，即發生濕陷；非自重濕陷性黃土是指在自重應力下受水浸濕后不發生濕陷，需要在自重應力和由外荷引起的附加應力共同作用下，受水浸濕才發生濕陷的土。

2.1 物理性質

1)含水量、飽和度。濕陷性黃土的天然含水量在5%～23%之間，當含水量在23%以上，濕陷性基本消失，相應的壓縮性增高。濕陷性黃土的飽和度約在17%～77%之間，當飽和度超過80%時，稱為飽和黃土，濕陷性基本消失。2)比重、重度、孔隙比。濕陷性黃土的比重約在2.55～2.85之間。濕陷性黃土的天然重度一般在13.5 kN/m3～19.0 kN/m3。干重度一般在11 kN/m3～16 kN/m3之間。孔隙比是衡量濕陷性黃土密實程度的主要指標，一般在0.8～1.24之間。3)顆粒組成。濕陷性黃土的顆粒以粉粒(0.05 mm～0.005 mm)為主，其含量可達50%～75%，其次為砂粒和粘粒。4)可塑性。濕陷性黃土的液限，一般在22%～35%之間，塑性在14～20之間。

2.2 力學性質

1)抗剪強度。濕陷性黃土的粘聚力由兩部分組成，一部分是原始粘聚力，另一部分是由于濕陷性黃土具有較多的可溶性鹽和一定的負孔壓力，形成較高的結構強度。天然狀態下，濕陷性黃土的粘聚力一般在10 kPa～60 kPa，內摩擦角則在17°～30°之間。2)滲透性。濕陷性黃土的滲透性在不同方向上是不一樣的，尤其在垂直和水平方向上相差較大。濕陷性黃土的滲透系數并不是一個常數，它隨滲透溶液的性質、水頭梯度和滲透時間的變化而變化。3)壓縮性。濕陷性黃土在天然狀態下的壓縮性較低，但是一旦遇到水的作用，它的壓縮性就會增高。

3 濕陷性評價

3.1 濕陷性的判定

對黃土濕陷性的判別是通過濕陷性系數δs來判定的，根據最新規范要求，以0.015作為分水嶺，如果δs比0.015大，我們認為是濕陷性黃土，否則為非濕陷性黃土。通過濕陷系數計算的數值大小，工作人員大致可以判斷黃土濕陷性的強弱。一般認為：當δs≤0.03為弱濕陷性；當0.03<δs≤0.07為中等濕陷性；當δs>0.07為強濕陷性。我們可以通過室內浸水壓縮試驗得到該系數δs，公式如下：

其中，hp為土樣在壓力p作用時下沉穩定后的高度；hp′為上述加壓穩定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩定后的高度；h0為土樣的原始高度；ep為土樣在壓力p作用下下沉穩定后的孔隙比；ep′為上述加壓穩定后土樣在浸水作用下下沉穩定后的孔隙比；e0為土樣的原始孔隙比。

3.2 黃土濕陷種類的劃分

建設場地的濕陷類型，應按實測自重濕陷量來判定。實測自重濕陷量通過室內試驗測定不同深度土樣的自重濕陷系數乘以土層厚度來確定。在工程現場挖深0.5 m、長或直徑不小于10 m的試坑，進行浸水，直接測定該場地的實際自重濕陷量ΔZS′。

當ΔZS′≤7 cm時，為非自重濕陷性黃土場地；

當ΔZS′>7 cm時，為自重濕陷性黃土場地。

3.3 濕陷等級的劃分

濕陷性黃土總濕陷量ΔS按以下公式計算：

ΔS=β∑δihi。

其中，δi為第i層土濕陷系數；hi為第i層土樣所對應地層的厚度；β為修正系數。

濕陷性黃土地基的濕陷等級可依據地基總濕陷量ΔS和計算自重濕陷量ΔZS綜合判定，如表1所示。

表1 濕陷等級判定表

我們可以結合國家高速公路網榮城至烏海公路山西境山陰至平魯段高速公路第SZ2合同段K210+000～K220+000段對濕陷性黃土的判定與評價進行一個直觀的分析。本項目大部分路段分布濕陷性黃土，包括風積黃土及Ⅱ級階地上的沖積次生黃土。通過土工試驗及計算判定，濕陷等級為Ⅰ級非自重～Ⅳ級自重，濕陷厚度4.0 m～15.0 m，具體段落及實驗數據見表2。

表2 山平高速K210+000～K220+000段濕陷性黃土物理力學指標匯總表

4 路基沉陷原因分析

4.1 壓實度達不到設計要求

在實際施工中，由于填料的虛鋪厚度超出壓實機械有效壓實范圍，再加之填料存在雜質等，導致壓實系數達不到設計要求。

4.2 水的浸透

由于雨水的影響，再加上路基的排水設施設置不當導致路基填土含水率增大，降低了回填土體強度，增加了路基沉陷發生的可能性。

4.3 各種荷載以及水、溫度等自然環境條件的影響

由于路基路面承受著各種荷載作用以及水、溫度等自然條件的影響，會導致原地面以下土的壓縮變形，導致土的三相體重新排列，這樣容易導致填土路堤的逐年緩慢沉降。

5 解決方案

處理濕陷性黃土地區地基沉陷有很多種方法，根據地勘報告，山平高速公路路基處理技術與其他地區高速公路相比在施工技術方面差別不大，但其處理方法又進一步體現了濕陷性黃土的地區特征，不僅提高了地基承載力而且消除了黃土的濕陷性。

山平高速公路對Ⅰ，Ⅱ級非自重濕陷性黃土地基采用沖擊碾壓法，采用此方法可以很好的減少公路路基的沉降量，大大減小了路基發生不均勻沉降的可能性，提高了路基的整體強度。該方法具有影響深、速度快、壓實質量高的優點；對Ⅱ級及以上自重濕陷性黃土地基采用強夯處理，夯實寬度為路基坡腳以外3 m的范圍。該方法的優點是施工工序不太復雜、處理效果明顯提高、施工周期較短、可以很大程度的消除黃土的濕陷性，不足之處是會產生比較大的噪聲和振動，對環境造成噪聲污染。本工程采用此方法，取得了成功的經驗；橋頭及高度大于6 m擋土墻路段厚層自重濕陷性黃土地基，采取水泥土樁措施消除地基全部濕陷量或穿透濕陷性黃土層。對路基范圍內及其路線兩側的陷穴、落水洞和空洞，進行回填壓實(明穴)或灌泥漿(暗穴)等方法進行處理，以確保路基的穩定。該施工方法是將水泥土樁穿過濕陷性黃土層，樁底部進入地基的持力層中。增加路基的強度，由于濕陷性黃土層厚度不一，所以水泥土樁的長度也不是一定的，這就需要施工人員很好地控制水泥土樁的工程量，合理控制造價。本工程運用此施工方法不僅保證了橋頭及高度大于6 m擋土墻路段的施工質量，也保證了工作面的安全，未發生塌陷事故。

6 結語

如果路基處于濕陷性黃土沉陷嚴重地區，可能就會影響到公路的結構安全和使用功能。本文結合工程實際案例分析濕陷性黃土基本特性并且總結了路基沉陷的主要原因，分享了山平高速公路在施工過程中采用的處理措施，希望能對實際施工助微薄之力。

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Analysis and prevention of collapsible loose subsidence mechanism of Shan-Ping highway subgrade

Gao Yuan

(ShanxiTrafficSurveyPlanning&DesignInstitute,Taiyuan030012,China)

Combining with engineering examples,the article analyzes physical and mechanical properties of collapsible loose,describes collapsible loose identification and evaluation criteria,summarizes subgrade subsidence causes,and puts forward methods of processing foundation subsidence in collapsible loose region,and guarantees the highway subgrade structure stable and safe.

collapsible loose,subgrade,subsidence mechanism

2015-10-12

高 源(1983- )，男，工程師

1009-6825(2015)36-0149-02

U416.1 < class="emphasis_bold">文獻標識碼：A

A