黃土地區(qū)高填方路基病害分析及處理方法

鮑燕妮

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

我國的黃土和黃土狀土主要分布在昆侖山、秦嶺、泰山、魯山連線以北的干旱、半干旱地區(qū)。原生黃土主要分布在山西、陜西、甘肅東南部和河南西部。黃土是以粉土為主，并含一定比例的細沙、極細砂和黏粒的沉積物。由于黃土粉粒含量較大、鈣質含量高、垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙發(fā)育，其具有顯著的結構性及強烈的水敏性，導致其在施工及運營過程中極易受水的影響[1]，進而產生不均勻沉降、路基開裂、產生坑槽、塌陷、暗穴、溜肩等工程地質病害。因此，黃土地區(qū)的道路路基會出現(xiàn)一些常見病害，包括對路基穩(wěn)定性、路面使用舒適性、邊坡安全性、排水設施、附屬工程壽命均產生不利影響。

我國大量學者針對黃土路基展開了大量研究，足以可見黃土地質對工程質量和安全影響是巨大的。現(xiàn)結合甘肅蘭州新區(qū)某高填方路基現(xiàn)場病害現(xiàn)象及沉降觀測，分析該地區(qū)地貌形態(tài)下濕陷性黃土對高填方路基工程的危害性，進一步總結具體設計方法及注意事項，為類似工程提供參考。

1 工程地質及水文情況

現(xiàn)選取兩條路作為代表工程，分別為蘭州新區(qū)經十七路與NCE8# 路。經十七路是蘭州新區(qū)南部片區(qū)主干路網(wǎng)“兩橫兩縱”其中的“兩縱”之一，為南北向主干路，規(guī)劃紅線寬度為46 m；NCE8# 路為東西向城市次干路，紅線寬度30 m。

擬建道路地處蘭州新區(qū)東南部地區(qū)，地貌單元屬黃土丘陵地貌，丘陵呈垅狀分布，頂部為圓形或饅頭狀，坡形較緩，整體性好，高差67.81 m。該工程邊界條件是道路建設區(qū)域會先進行場平工程施工，再進行道路施工。其中，經十七路具有一定特殊性，部分路段位于原狀土區(qū)域，部分路段位于場平與原狀土銜接路段，部分路段又位于場平路段，NCE8# 路道路路基則均位于場平路段。原狀土丘陵地貌及場平后現(xiàn)場狀況見圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場黃土丘陵地貌與場平后地貌

根據(jù)鉆探[2-3]，場地地層劃分為2 個工程地質層，主要由素填土與馬蘭黃土構成。

素填土（Q4ml）：淺黃色，稍濕，稍密～中密，土質不均勻，以人工回填的粉土為主，分布不連續(xù)，層厚3.00～20.00 m。層厚變化大，土質不均勻，工程地質條件差。

馬蘭黃土（Q32eol）：黃褐色，稍濕，中密～密實，土質均勻，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，可見白色鈣化物質，呈零星狀分布，手搓具粉感，不易捏成團，干強度低，韌性差。廣泛分布于勘察區(qū)表部，該層場區(qū)普遍揭露。層厚2.30～31.20 m。

擬建場地內粉土的濕陷系數(shù)δs=0.02～0.16，自重濕陷系數(shù)δzs=0.02 ～0.13， 濕陷量Δs=3415.5 ～3550.5 mm。根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[4]規(guī)定可知，該場地具有Ⅲ級（嚴重）自重濕陷。該場地①素填土承載力特征值為95 kPa，②馬蘭黃土承載力特征值為120 kPa。原位測試①素填土的密實度為稍密～中密，馬蘭黃土的密實度為稍密～中密。圖2 為地質剖面圖。

圖2 地質剖面圖

擬建道路橫跨小型溝谷，在降水集中的季節(jié)，暴雨可形成暫時性洪流匯集在低洼的溝谷中，區(qū)內潘家溝、下西溝等溝谷常年干涸無水，暴雨季節(jié)有少量流水，大都入滲消失或蒸發(fā)，少量流入秦王川盆地。在鉆探揭露深度范圍內未發(fā)現(xiàn)地下水，可不考慮地下水對工程的影響。

2 高填方路基填筑方案

2.1 場平回填情況

該區(qū)域場平工程是單獨委托場平設計院進行設計。其設計要求場地回填采用分層碾壓工藝，每層厚度不超過30 cm，以近地取材、方便施工、基層堅實等原則進行設計，低于設計標高6 m 以下深度回填壓實度大于85%；設計標高以下6 m 深度內回填壓實度大于90%。場地邊緣填方邊坡坡度采用1∶1.5；挖方邊坡坡度采用1∶1。

2.2 路基填筑要求

擬建道路工程設計一般路段采用當?shù)睾细裢临|填料進行分層壓實填筑。填方路段對地面進行強夯處理，強夯范圍為坡腳線外3 m。強夯后填筑當?shù)睾细裢临|填料至路床頂面以下80 cm。當選用濕陷性黃土回填時，應提前對其進行灑水悶濕處理，回填每2 m，采用25KJ 沖擊壓實機補壓。上部路床80 cm 采用砂礫填筑，分層填筑碾壓后壓實度要求不低于95%。其中，沖擊壓實遍數(shù)為暫定，具體應由實驗段最終確定。對目前場平施工完畢原地面進行再次強夯處理，并對原有場平邊坡虛土土方翻挖至實面后進行填筑。地面坡度緩于1∶5 時，可直接填筑路基。陡于1∶5 時，必須在地面開挖臺階，高填路基需進行超寬填筑。圖3 為現(xiàn)場強夯施工之實景。

圖3 現(xiàn)場強夯施工照片之實景

強夯夯擊能、夯擊次數(shù)結合試驗段確定，以夯沉量控制夯擊次數(shù)。首先采用2～3 遍點夯，再以低能量滿夯1～2 遍，滿夯可改用輕錘或低落距夯擊，錘印搭接。7～10 d 后，在有效加固深度（不小于6 m），測定土的壓實度，濕陷系數(shù)等指標進行檢測。根據(jù)現(xiàn)場調研，場平土方填筑較松散，場平表面強夯最大夯擊能可達到6 000～7 000 kN·m。

2.3 填挖交界

橫向填挖交界：當原地面線與路槽底部交于左半幅內（即填方一側）時，路床進行超挖回填處理后，在左半幅路床（距離路面結構底80 cm）范圍內鋪設兩層雙向土工格柵；反之則在全斷面路床范圍內鋪設兩層雙向土工格柵。

縱向填挖交界：超挖長度為10 m（短邊），在路床范圍內鋪設兩層雙向土工格柵并鋪設粒料類路床。

2.4 路基邊坡及防護

每級邊坡高度為8 m，第一級填方邊坡坡率取1∶1.5，設2 m 寬平臺；第二級填方邊坡坡率取1∶1.75，設2 m 寬平臺；從第三級填方邊坡開始，每級坡率均為1∶2，并在每8 m 處設2 m 寬平臺。道路兩側的地塊為城市建設用地，后期會陸續(xù)開發(fā)建設，故道路邊坡不作永久性防護。

2.5 邊坡穩(wěn)定計算

根據(jù)設計道路橫斷面圖，道路最大填挖方達到30 m 以上，選取高度最大的路塹邊坡、路堤邊坡橫斷面進行邊坡穩(wěn)定性計算。采用理正軟件復雜土層土坡穩(wěn)定計算方法，其計算結果如表1 所列，均為穩(wěn)定路基。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算結果統(tǒng)計表

3 高填方路基現(xiàn)場病害分析

在強夯處理場平，路基按照設計要求分層填筑壓實后，兩條道路的高填方路基段出現(xiàn)一些病害，經十七路高填方路基主要有三處發(fā)生了縱向或橫向開裂，裂縫寬度約3～6 cm，由路基上方貫穿至邊坡下緣，裂縫向下延伸至溝壑方向，向上延伸至場平內裂縫（見圖4）。NCE8# 路路基也發(fā)生了橫向貫通性裂縫，裂縫發(fā)生在高填方路段，裂縫寬度3～5 cm，該處裂縫貫通坡腳下至場平上出現(xiàn)的一處開裂陷穴（見圖5）。

圖4 經十七路南延段路基開裂狀況之實景

圖5 NCE8# 路路基開裂及場平陷穴之實景

現(xiàn)場發(fā)生裂縫后，各方會同當?shù)刂麑＜疫M行現(xiàn)場考察并探討總結病害原因如下：（1）大面積場平填方密實度有限，黃土濕陷性未完全消除，在雨季后出現(xiàn)了多處裂縫及深不見底的陷穴。黃土發(fā)生陷穴最直接的誘因就是水的潛蝕，黃土中有著非常豐富的含鹽量，碳酸鈣在遇到雨水時會迅速對土壤結構造成破壞，從而加劇土壤質地松軟[5]。故在高填方路基荷載作用下產生陷穴及裂縫的場平出現(xiàn)承載力不足，產生不均勻沉降開裂延展至路基。（2）經十七路位于場平邊緣位置，其橫向裂縫主要出現(xiàn)在原狀地形丘陵與山洼溝壑銜接處，在山洼溝壑處填筑高路基后，由于大量雨水聚集在溝壑位置，導致黃土地基在上部荷載作用下會發(fā)生一定沉降，加上場平與高填方路基自身不斷自密實，與縱向搭接山體挖方路基之間產生不均勻沉降引起開裂。（3）部分縱向裂縫是出現(xiàn)在原狀地形與場平邊坡搭接處，主要是由于場平邊坡壓實度不足，采用常規(guī)臺階搭接方式不能確保整體密實度及均勻性，場平與高路基自身沉降不一致引起路基開裂。

總結主要原因是受到場平密實度、填挖方路基密實度銜接及雨水作用影響產生病害現(xiàn)象。為了避免對后期管線及路面工程的不利影響，結合工期要求，確定處理方案是：（1）疏導場平（周邊地形）上積水，避免積水在路基底部；（2）采用灌粘土，或混凝土等方式封閉陷穴、裂縫；（3）對高填方路基進行等載預壓，同時對路基進行長期沉降觀測；（4）待沉降基本穩(wěn)定后對路基頂部再次進行強夯處理；（5）設置灰土路床封閉雨水下滲，最后再施工上部路面結構。

4 現(xiàn)場路基沉降數(shù)據(jù)分析

經十七路主要設置三處斷面沉降觀測，均有其代表性。其中，K0+940 樁號處屬于高填方路段代表，路基填土高度33.88 m，位于原狀山包與溝壑縱向填挖交界段；K1+180 樁號為一個橫向半填半挖橫斷面，右側填方側路基邊坡高度達到36.6 m；K1+360樁號處為原狀地貌與場平地坪縱向銜接段，路基最大高度約20.58 m，坐落于場平邊坡位置。觀測時間近三年，以下列出路基沉降觀測部分數(shù)據(jù)（見表2～表5 所列及圖6 所示）。

圖6 經十七路路基累計沉降觀測數(shù)據(jù)曲線圖

表2 路基頂累計沉降觀測值（2017 年）一覽表 單位：mm

表3 路基頂累計沉降觀測值（2018 年部分）一覽表 單位：mm

表5 路基頂累計沉降觀測值（2019 年）一覽表 單位：mm

以上觀測數(shù)據(jù)顯示，三個點位累計沉降一致在增加，累計沉降達到210～267 mm，第三年整體趨勢逐步減緩，但尚未完全收斂，可見黃土地區(qū)高填方路基的沉降時間非常長。此外，位于原狀土地貌縱橫向搭接段K0+940，K1+180 樁號位置累計沉降值趨于一致，反而K1+360 樁號累計沉降略大，達到267 mm，反應出場平邊坡壓實度不足引起的累計沉降更大。由此可見場平工程不滿足時，對其上方工程的后期推進帶來巨大影響。對沉降數(shù)據(jù)詳細分析可見每年雨季對沉降影響是比較明顯的，雨季及雨季后兩個月沉降趨勢增大，其余時間相對平緩，故曲線不均勻，帶有一定臺階狀上升趨勢。

表4 路基頂累計沉降觀測值（2018 年部分）一覽表 單位：mm

按照《公路路基設計規(guī)范》[6]提出的方法估算，工后沉降量為填土高度的0.7%～1.5%，即K0+940 路基工后沉降為237 mm～508 mm，K0+940 路基工后沉降為256 mm～549 mm，K0+940 路基工后沉降為144 mm～309 mm。與現(xiàn)場觀測累計沉降對比，觀測數(shù)據(jù)基本屬于預測低限值，且觀測數(shù)據(jù)尚未完全收斂，因此建議擬建工程高填方路基段尚需繼續(xù)堆載,并進一步觀測。

5 結語

結合上述分析，提出以下結論供相關工程參考。

（1）該工程高填方路基沉降觀測數(shù)據(jù)顯示三年時間沉降尚未完全收斂。分析可知黃土地區(qū)沉降發(fā)展非常緩慢，常常發(fā)生幾年，或十幾年時間。因此，在工程設計中應避免采用高填方路基。

（2）路基開裂多發(fā)生在原狀地形丘陵與山洼溝壑縱橫向銜接處。或原狀地形與場平搭接處。這是由于溝壑處路堤往往是高填方，基底又易受到水的侵蝕，濕陷性黃土在水的作用下出現(xiàn)裂縫、陷穴及沉降變形，外荷載作用下再次產生沉降破壞。故高路基填筑需重視縱橫向搭接處地基處理，做好沖溝溝底清淤換填工作，可采用強夯或復合地基進行處理。在路基搭接段，設置粒料類路基過渡段，輔以格柵搭接及加強壓實工藝[7]，設置縱橫向盲溝及周邊排水措施，并預留路基沉降自密實的時間。

（3）黃土地區(qū)高填方路基需預留合理加寬加高值，以保證路基沉降后寬度滿足要求。

（4）當場平工程作為道路基礎時，其場平填筑要求應滿足道路工程規(guī)范要求，確保場平地基的密實度，消除黃土填料的濕陷性，確保場地良好排水措施，避免雨水匯集地表徑流產生暗穴及裂縫。

（5）一般對于填土不高的路基來說，以地基沉降為主；對于高填方路基來說，路堤自身沉降占總沉降相當大的比例[8]。因此，對于黃土地區(qū)的高填方路基，需提高路基自身填筑壓實標準，建議補充分層強夯的處理措施。