濕陷性黃土路基不均勻沉降控制技術(shù)研究

袁 倫,張亞卿

（中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 前言

目前，我國基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展迅速，為了更好地發(fā)展區(qū)域經(jīng)濟(jì)，各地紛紛大規(guī)模修建高鐵和公路，但是在進(jìn)行路線選擇時(shí)，往往不可避免地穿越部分濕陷性黃土帶，由于濕陷性黃土自身的特點(diǎn)，導(dǎo)致其容易出現(xiàn)不均勻沉降，進(jìn)而對(duì)路面造成影響，因此針對(duì)濕陷性黃土造成的路基不均勻沉降等病害研究對(duì)于國家戰(zhàn)略發(fā)展有著重要意義。[1]該文對(duì)濕陷性黃土的相關(guān)特征進(jìn)行簡要分析，找出造成路基不均勻沉降的主要因素，根據(jù)問題提出設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)遵循的原則和注意事項(xiàng)，希望能在源頭上解決問題，為區(qū)域經(jīng)濟(jì)發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

1 濕陷性黃土的相關(guān)特征

1.1 濕陷性黃土的判定標(biāo)準(zhǔn)和主要特征

濕陷性黃土的判定是由多種因素共同決定的，主要是根據(jù)該黃土層的地質(zhì)年代、成因等因素，再結(jié)合有關(guān)物理知識(shí)對(duì)黃土的性質(zhì)進(jìn)行分析，通過相互之間驗(yàn)證、分析，最終確定是否屬于濕陷性黃土[2]。一般情況下，在完成初步黃土土質(zhì)鑒別后進(jìn)行取樣，對(duì)取樣黃土進(jìn)行加壓提高密度，完成相關(guān)工作后，開始?jí)嚎s黃土進(jìn)行浸水試驗(yàn)，通過濕陷公式對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行最后的判定。濕陷性黃土主要顏色為黃色，形狀主要以顆粒和粉粒為主，并且可以通過肉眼進(jìn)行直接觀察。

1.2 濕陷性黃土的成因

濕陷性黃土主要是在一定壓力下形成的一種特殊土質(zhì)，主要特點(diǎn)是在經(jīng)過水浸泡后土體結(jié)構(gòu)迅速被破壞，導(dǎo)致發(fā)生明顯的下沉現(xiàn)象。濕陷性黃土根據(jù)成因還可以分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土，主要區(qū)分方式就是通過浸泡水之后，在自重作用下是否出現(xiàn)明顯的下沉現(xiàn)象。

2 濕陷性黃土路基產(chǎn)生不均勻沉降的主要影響因素

2.1 斜坡地基坡度

根據(jù)有限元軟件FLAC-3D對(duì)不同地基坡度條件下的沉降量進(jìn)行模擬，當(dāng)坡度分別為 1∶3、1∶3.5、1∶5 時(shí)，路堤以及路堤填挖交界處的沉降量都隨著坡度的增加而增大，都超過相關(guān)規(guī)范要求的數(shù)值。由于山區(qū)地理?xiàng)l件的限制，山區(qū)公路都會(huì)存在一定的坡度，導(dǎo)致山區(qū)公路在長期受到荷載作用時(shí)更容易發(fā)生路基不均勻沉降的現(xiàn)象[3]。

2.2 壓實(shí)度不均勻

路基的壓實(shí)度也會(huì)對(duì)道路的不均勻沉降產(chǎn)生影響。一般情況下，由于路基邊緣的限制，導(dǎo)致兩側(cè)的壓實(shí)度低于路中心的壓實(shí)度，使得整個(gè)路基的壓實(shí)度水平不一致，在長期荷載作用下會(huì)出現(xiàn)明顯的不均勻沉降，并且在雨水滲透路基時(shí)表現(xiàn)的則更加明顯，一旦沉降量過大，直接導(dǎo)致路基失穩(wěn)。而路基的壓實(shí)程度主要受土體本身特性（粒徑大小、級(jí)配、密度等）、壓實(shí)機(jī)械性能以及施工工藝（壓實(shí)次數(shù)、松鋪厚度等）等參數(shù)的影響。

2.3 路堤高度

根據(jù)PLAXIS模擬分析結(jié)果可知，隨著路基填筑高度的增加，路基水平和豎直兩個(gè)方向的位移量也逐步增加，呈現(xiàn)出豎向位移大于水平位移的特點(diǎn)，這就要求進(jìn)行高填土作業(yè)時(shí)，也要相對(duì)應(yīng)的提高路基的剛度和穩(wěn)定性，以防路基失穩(wěn)而導(dǎo)致路面坍塌。另一方面，進(jìn)行高填土作業(yè)時(shí)，由于填土都比較大，會(huì)產(chǎn)生較大附加應(yīng)力，因此對(duì)路基的剛度和穩(wěn)定性提出了更高的要求。

2.4 路基剛度的差異

理論上，當(dāng)路基壓實(shí)度、各種填料及地基土質(zhì)均勻、地基承載力等各項(xiàng)指標(biāo)均滿足相關(guān)設(shè)計(jì)要求時(shí)，路基不會(huì)出現(xiàn)不均勻沉降等病害。但是在實(shí)際中，由于沿路線的縱斷面或橫斷面中的任一方向出現(xiàn)較大的剛度差異，再加上填土自重以及行車荷載作用下，路基會(huì)出現(xiàn)沉降等病害，影響路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

2.5 水的影響作用

水是導(dǎo)致路基出現(xiàn)損壞的最主要因素，沒有水的作用路基通常情況下不會(huì)發(fā)生破壞。路基受水的影響主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面：

一是雨水對(duì)路基邊坡的沖刷，容易使坡面出現(xiàn)損壞，并且水下滲時(shí)將會(huì)使路基產(chǎn)生不均勻沉降，嚴(yán)重影響道路使用安全。

二是水的滲透作用，路基與斜坡地基交合處或路基內(nèi)部出現(xiàn)滲水，導(dǎo)致水含量的增加，使得該區(qū)域內(nèi)土體的物理力學(xué)性質(zhì)降低，十分不利于路基的穩(wěn)定性。

三是干濕循環(huán)也會(huì)造成濕陷性黃土出現(xiàn)不均勻沉降，研究表明，由于受地下水、地表水和自然降水的作用，干濕過程會(huì)對(duì)黃土結(jié)構(gòu)、強(qiáng)度和濕陷變形造成較為明顯的影響。研究人員發(fā)現(xiàn)，在對(duì)黃土進(jìn)行多次干濕循環(huán)后，壓實(shí)黃土的基質(zhì)吸力減小、壓縮系數(shù)會(huì)增大、強(qiáng)度降低，最終會(huì)導(dǎo)致黃土出現(xiàn)濕陷性不均勻沉降，嚴(yán)重影響路基穩(wěn)定性。

四是黃土中存在大量可溶性鹽，經(jīng)對(duì)某地區(qū)黃土進(jìn)行成分分析，易溶性鹽Na2CO3、Na2SCO3、Na2SCO3、Na2SO4等占到質(zhì)量分?jǐn)?shù)的九成以上，首先是黃土中的碳酸鈣可能會(huì)以薄膜膠的形式存在，遇水使得土體抗剪強(qiáng)度顯著降低；其次是濕陷性黃土中都含有水溶鹽，顆粒間存在著加固凝聚力，它遇水后降低又或消失，引起了濕陷時(shí)顆粒的滑移；最后濕陷性黃土中的黏土顆粒遇水會(huì)發(fā)生膨脹，使得土體強(qiáng)度降低[4]。

3 濕陷性黃土路基不均勻沉降控制設(shè)計(jì)原則和注意事項(xiàng)

3.1 明確路基路面設(shè)計(jì)原則

（1）因地制宜開展設(shè)計(jì)工作，堅(jiān)決避免生搬硬套別的設(shè)計(jì)方案。在進(jìn)行設(shè)計(jì)之前應(yīng)多次實(shí)地考察收集現(xiàn)場資料以及當(dāng)?shù)厮牡刭|(zhì)，分析這些影響因素可能會(huì)對(duì)路基造成的影響，提前制定措施進(jìn)行規(guī)避，避免沒有經(jīng)過實(shí)際考察直接使用別的項(xiàng)目的設(shè)計(jì)方案。

（2）提升易損部位的設(shè)計(jì)質(zhì)量。對(duì)于擋墻、橋臺(tái)、路橋連接部位等容易出現(xiàn)破壞的薄弱部位，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)綜合考慮破壞因素，通過科學(xué)有效的設(shè)計(jì)方案提升這些薄弱部位的穩(wěn)定性。

（3）加強(qiáng)對(duì)高填方土和軟弱地基的沉降量的控制。對(duì)于高填方土和軟弱地基而言，容易出現(xiàn)不均勻沉降等病害，因此在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)它們的沉降量進(jìn)行有效控制，一般路段應(yīng)控制在30 cm以內(nèi)，特殊部位則要控制在10 cm以內(nèi)，確保路基的穩(wěn)定性才能進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的建造。

（4）由于需要對(duì)不良地質(zhì)路段進(jìn)行較長時(shí)間的沉降觀測(cè)，可以通過對(duì)比分析路橋結(jié)合部位的各種設(shè)計(jì)方案，選出最為合理的設(shè)計(jì)方案，確定路基設(shè)計(jì)方案。

（5）高填方路基進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。由于高填方路基設(shè)計(jì)工程量較大，因此結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性難以得到有效控制，并且會(huì)對(duì)周邊環(huán)境造成十分不利的影響，所以在進(jìn)行高填方路基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)在保證路基設(shè)計(jì)質(zhì)量的同時(shí)，始終貫徹可持續(xù)發(fā)展理念進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3.2 科學(xué)設(shè)計(jì)路基路面結(jié)構(gòu)

路基路面設(shè)計(jì)的科學(xué)性直接影響路基路面的承載力和強(qiáng)度，關(guān)乎道路行車安全。通常情況下可以采取混凝土搭板與土工格柵鋪設(shè)等方式對(duì)路橋連接部位、軟土路基地段、高填方路基段等部位進(jìn)行加固，保證這些部位剛度滿足設(shè)計(jì)和規(guī)范要求。

對(duì)于軟弱地基土進(jìn)行路基結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，應(yīng)結(jié)合路基設(shè)計(jì)深度和土體的各項(xiàng)力學(xué)性質(zhì)等因素，合理選擇加固方案（固化、換填、樁基礎(chǔ)等）改善土體的承載力，確保路基路面的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，避免出現(xiàn)各類沉降問題。

3.3 合理選用路基路面材料

路基路面材料的合理選用也能有效提高結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，因此設(shè)計(jì)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)在考慮當(dāng)?shù)貙?shí)際施工條件基礎(chǔ)上選擇合適的材料，保障設(shè)計(jì)質(zhì)量。一是做好道路所在區(qū)域的地質(zhì)考察工作，明確當(dāng)?shù)氐刭|(zhì)結(jié)構(gòu)和土質(zhì)條件，通過對(duì)比分析，選擇最適合的材料，最大限度的保證路基路面強(qiáng)度。二是進(jìn)行材料選擇時(shí)應(yīng)著重考慮材料的防水性，在具有良好的防水性情況下比較材料的彈性和拉伸強(qiáng)度，從材料上避免路基出現(xiàn)各類水損壞。

3.4 優(yōu)化路基路面排水設(shè)計(jì)

水是造成路基產(chǎn)生不均勻沉降最主要的因素，由于設(shè)計(jì)的不合理導(dǎo)致部分路面出現(xiàn)長期積水的現(xiàn)象，從而降低路基的穩(wěn)定性，嚴(yán)重威脅路面行車安全。因此在進(jìn)行路面排水設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)明確可能出現(xiàn)積水的路段，并在這些特殊路線合理設(shè)置排水設(shè)施，避免出現(xiàn)積水現(xiàn)象，保證路面排水設(shè)計(jì)的合理性。主要采取措施有以下幾個(gè)方面，一是合理設(shè)置出水口數(shù)量、間距、尺寸、高度等，使雨水及時(shí)排出路面避免出現(xiàn)積水。二是路面坡度設(shè)計(jì)合理，使水流能夠流向兩側(cè)低洼地區(qū)，隨之排放至相關(guān)市政管道。三是路基材料應(yīng)選用滲透性和防水性較好的材料，保證路面不出現(xiàn)積水，降低水對(duì)路基路面造成的不利影響[5]。

3.5 濕陷性黃土路基設(shè)計(jì)時(shí)的注意事項(xiàng)

（1）通過合理控制斜坡地基上部荷載的大小和增強(qiáng)地基承載力等措施，有效杜絕由于路基承載力不足而出現(xiàn)的破壞。

（2）降低地基剪應(yīng)力，限制水平位移，采取措施控制地面坡度，避免坡度進(jìn)一步增加致使地基沉降量增加。

（3）采用強(qiáng)夯法對(duì)地基土層進(jìn)行處理，增加路基的強(qiáng)度和承載力。

（4）路基填筑時(shí)應(yīng)使填筑土方進(jìn)行均勻壓實(shí)，避免出現(xiàn)壓實(shí)不均勻而導(dǎo)致的路基損壞。

（5）填挖交界處坡度較緩時(shí)，應(yīng)用挖臺(tái)階填土的方式進(jìn)行穩(wěn)固處理；填挖交界處坡度較陡時(shí)，應(yīng)用土工格柵加筋技術(shù)，提升土體穩(wěn)定性。

（6）根據(jù)濕陷性黃土的特殊性，在進(jìn)行路基排水設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)做好防水和排水工作，避免雨水對(duì)地基的滲透。

4 濕陷性黃土路基不均勻沉降的監(jiān)測(cè)和處理

4.1 濕陷性黃土路基不均勻沉降的監(jiān)測(cè)

4.1.1 沉降檢測(cè)布置和方法

路基沉降觀測(cè)方法選用時(shí)應(yīng)根據(jù)地理?xiàng)l件、實(shí)際工況等進(jìn)行綜合選擇。對(duì)路基沉降觀測(cè)采取沉降板對(duì)路基不均勻沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該次監(jiān)測(cè)共設(shè)四個(gè)橫斷面長期監(jiān)測(cè)，每個(gè)橫斷面上有三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于路基中心和兩側(cè)。如圖1所示，為沉降觀測(cè)點(diǎn)布置。

圖1 沉降觀測(cè)點(diǎn)布置圖

設(shè)備埋深和沉降板：沉降板為60.0×60.0×1 cm的鋼板，沉降板中心焊接直徑2.5 cm鋼筋，鋼筋長60.0 cm。在選定的四個(gè)沉降觀測(cè)點(diǎn)放置沉降板，放置位置為橫斷面上的三個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，放置沉降板時(shí)應(yīng)保證沉降板之間水平，外露鋼筋平行于垂線。如圖2所示，為沉降板埋設(shè)示意圖。

圖2 沉降板埋設(shè)示意圖

4.1.2 沉降觀測(cè)頻率

路基的沉降速率對(duì)路基穩(wěn)定性有著至關(guān)重要的影響，因此對(duì)路基沉降觀測(cè)頻率有著嚴(yán)格要求，沉降觀測(cè)頻率應(yīng)滿足表1的相關(guān)規(guī)定。

表1 路基觀測(cè)頻率

4.1.3 沉降控制要求

我國《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中對(duì)路堤的沉降量有著明確的規(guī)定，如表2所示。

表2 路堤的沉降穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)

4.2 濕陷性黃土路基不均勻沉降的處理方法

由于濕陷性黃土的特殊性，因此在對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理時(shí)，要結(jié)合不同的地質(zhì)條件、施工方法、經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行綜合考量，最終確定最佳的處理方案，提高路基承載力和穩(wěn)定性[6]。

對(duì)于需要挖方的路段，當(dāng)出現(xiàn)濕陷性黃土的路基沉陷問題時(shí)，可以采用重錘夯實(shí)、沖擊碾壓等手段進(jìn)行處理；當(dāng)自重濕陷性黃土出現(xiàn)路基不均勻沉降問題時(shí)，可以采用灰土擠密樁、強(qiáng)夯的處理方法；對(duì)于填方路段來說，可以采用重錘夯、強(qiáng)夯、灰土擠密樁或灰土墊層的處理方法。

5 結(jié)語

綜上所述，由于濕陷性黃土的特殊性導(dǎo)致容易出現(xiàn)路基的不均勻沉降現(xiàn)象，因此在進(jìn)行濕陷性黃土路基設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)從明確路基路面設(shè)計(jì)原則、路面結(jié)構(gòu)、使用材料和排水設(shè)計(jì)等方面入手，通過合理、科學(xué)的設(shè)計(jì)方案有效減小濕陷性黃土對(duì)路基的影響，最大限度提升路基設(shè)計(jì)效果，保障道路穩(wěn)定性和安全性不受破壞。