市政道路中濕陷性黃土路基的處理方法研究

郭 強(qiáng)

（中國水利水電第十一工程局有限公司,河南 三門峽 472000）

0 引言

在中國的北方，尤其是黃土高原地區(qū)，存在較大范圍內(nèi)且廣泛分布有濕陷性黃土，地質(zhì)情況非常復(fù)雜[1-3]。濕陷性黃土最主要的特征是覆蓋土層的重力或者是濕陷性黃土本身的自重應(yīng)力會(huì)對(duì)濕陷性黃土產(chǎn)生綜合作用，尤其是水浸泡以后土體結(jié)構(gòu)會(huì)迅速發(fā)生破壞。濕陷性黃土在土體自身重量或者外部荷載的作用下，土體結(jié)構(gòu)接觸水之后土體結(jié)構(gòu)的嵌擠結(jié)構(gòu)會(huì)發(fā)生變化，土體會(huì)發(fā)生明顯的沉降，強(qiáng)度也會(huì)隨之降低[4-6]。黃土路基的沉降會(huì)進(jìn)一步地引起道路基礎(chǔ)不均勻沉降，并且不均勻沉降是造成黃土地區(qū)道路質(zhì)量事故的主要原因[7]。大多數(shù)的黃土地區(qū)含水率不均勻，一些濕陷性的黃土含水飽和度達(dá)到了80%以上，黃土濕陷性消失，轉(zhuǎn)換為小于100 kPa的低承載力土或者高壓縮性土。飽和的濕陷性黃土與普通的軟土特性不同，濕陷性黃土具有黃土和軟黏土兩種土體性質(zhì)的共同特點(diǎn)。如今類似地基處理問題越來越多，對(duì)于濕陷性黃土的處理直接影響到道路工程的質(zhì)量和使用壽命[8]。

1 工程概況

1.1 概述

甘棠路為一條南北向次干路，位于三門峽市開發(fā)區(qū)，隨著三門峽市舊城改造工作的逐步推進(jìn)，舊城改造區(qū)域內(nèi)的路網(wǎng)建設(shè)成為目前亟待解決的問題。甘棠路作為三門峽市舊城改造區(qū)域內(nèi)路網(wǎng)的組成部分，道路的建設(shè)能夠解決區(qū)域內(nèi)的交通問題，是區(qū)域內(nèi)經(jīng)濟(jì)開發(fā)建設(shè)的必要的基礎(chǔ)設(shè)施保證，對(duì)周邊的人民生活以及生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生積極的影響。項(xiàng)目道路起點(diǎn)為建工路，終點(diǎn)為北環(huán)路，線路總長676 m，各道路交叉口均采用平交。

1.2 地質(zhì)

該工程的里程區(qū)段都位于濕陷性黃土區(qū)域，根據(jù)地勘報(bào)告顯示，路基土體稍濕、稍密、高壓縮性為主、具有濕陷性、無光澤、搖震反應(yīng)迅速、韌性低、干強(qiáng)度低。濕陷性黃土相對(duì)來說的結(jié)構(gòu)比較松散，密度均勻且孔隙發(fā)育比較完整，一般沒有水的影響下，濕陷性黃土有比較高的強(qiáng)度和弱壓縮性。但是受到水浸泡以后，濕陷性黃土的土壤結(jié)構(gòu)在水的作用下就會(huì)迅速分解，可壓縮性就會(huì)變強(qiáng)，就會(huì)迅速產(chǎn)生大量的突然沉降，強(qiáng)度也會(huì)同時(shí)降低。大量節(jié)理發(fā)育的存在，會(huì)導(dǎo)致黃土的抗剪強(qiáng)度表現(xiàn)出明顯的各向異性，從而導(dǎo)致路基和路面結(jié)構(gòu)彎沉、變形、凹陷和開裂，道路內(nèi)部凹陷之后，容易形成土洞或?qū)е侣坊粵_刷。因此，道路施工前一定要對(duì)濕陷性黃土進(jìn)行處理。

2 濕陷性黃土判定

濕陷性黃土的突出特點(diǎn)表現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性、濕陷性和欠壓密性三個(gè)方面，結(jié)構(gòu)性主要是指土體結(jié)構(gòu)的物理性質(zhì)本身，包括黃土的顆粒結(jié)構(gòu)、成分、形態(tài)和排列方式等。組成黃土的顆粒成分一般都是由單個(gè)的粉粒、黏膠細(xì)碎的積粒等組成。除此之外還有少數(shù)片狀和棒狀顆粒。

黃土濕陷性變形的結(jié)構(gòu)理論主要是認(rèn)為結(jié)構(gòu)中的黏膠顆粒和碳酸鈣形成了架空結(jié)構(gòu)和孔隙。在水和荷載的作用下，顆粒之間的連接強(qiáng)度和剛度發(fā)生變化，進(jìn)而導(dǎo)致顆粒之間重新排列，孔隙特征變化，顆粒膠結(jié)形式變化，土體中的吸力和非水穩(wěn)定性導(dǎo)致土體壓縮變形，造成土體原有結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而形成濕陷性黃土變形特征。

2.1 濕陷性黃土的判定

所有的道路施工前都需要進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘察，勘察提供完整和可靠的工程地質(zhì)報(bào)告，根據(jù)報(bào)告評(píng)價(jià)所在區(qū)域的地質(zhì)是否符合路基工程質(zhì)量規(guī)范要求，而評(píng)價(jià)過程中最重要的一道工序是對(duì)黃土的濕陷性評(píng)定。黃土的濕陷性評(píng)價(jià)分為三個(gè)過程，一是確定路基的黃土層是否具有濕陷性的屬性；二是確定地下水的分布、厚度、深度和面積等信息；三是確定濕陷性黃土的等級(jí)程度。

根據(jù)國家規(guī)范《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》中規(guī)定，濕陷性黃土的測(cè)試實(shí)驗(yàn)通常也分為三種，一是室內(nèi)壓縮實(shí)驗(yàn)，二是現(xiàn)場(chǎng)靜荷載實(shí)驗(yàn)，三是現(xiàn)場(chǎng)挖坑浸水實(shí)驗(yàn)。根據(jù)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算濕陷性系數(shù)之后進(jìn)行判斷，濕陷性系數(shù)一般用δs表示，見計(jì)算公式（1）：

式中，hp——黃土在保持原有的自然濕度和結(jié)構(gòu)情況下，在外界壓力P的作用下，計(jì)算黃土沉降穩(wěn)定之后的高度和孔隙比；

hp′——上述的土體壓縮后，在飽和的浸泡條件下，沉降穩(wěn)定后的高度和孔隙比；

h0——土體原本狀態(tài)下的高度和孔隙比。

根據(jù)室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)測(cè)定結(jié)果，我國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定如下：

當(dāng)濕陷系數(shù)的測(cè)試結(jié)果δs＜0.015時(shí)，則定義為非濕陷性黃土；

當(dāng)濕陷性系數(shù)的測(cè)試結(jié)果δs≥0.015時(shí)，則定義為濕陷性黃土。

根據(jù)測(cè)試的濕陷性系數(shù)，可以判斷濕陷性黃土的強(qiáng)弱程度，濕陷性系數(shù)小于0.03的情況下為弱濕陷性，在0.03～0.07之間為中等濕陷性，大于0.07時(shí)為高濕陷性，黃土濕陷性都是在的水和壓力的作用下產(chǎn)生變化的，二者影響因素缺一不可。只有在沒有一定的水壓的情況下，黃土才會(huì)坍塌，相反具有一定壓力且無水的濕陷性黃土是不可能崩塌的。

2.2 濕陷性黃土等級(jí)劃分

濕陷性黃土地基的濕陷性等級(jí)應(yīng)根據(jù)地基下各土層的總濕陷性和自重濕陷性來確定。總濕陷量可按公式（2）計(jì)算:

式中，δsi——第i層土的濕陷系數(shù)；

hi——第i層土的厚度（cm）；

β——考慮地基土的側(cè)向擠出和浸水機(jī)率等因素的修正系數(shù)。一般在沒有實(shí)測(cè)的數(shù)據(jù)資料情況下，按照下列的規(guī)定進(jìn)行取值計(jì)算，基底以下5 m范圍內(nèi)，取β=1.5；基底以下5～10 m，取β=1.0；基底以下 10 m 以上，在自重的濕陷性黃土區(qū)域，可取工程所在地區(qū)的β0值。濕陷性黃土等級(jí)劃分見表1。

表1 濕陷性黃土的等級(jí)劃分表

3 濕陷性黃土路基常見處理措施

濕陷性黃土路基的處理方法有很多種，常見的方法有砂石墊層或者灰土墊層法、夯實(shí)法、灰土擠密樁法、預(yù)先浸水法、樁基礎(chǔ)處理法、化學(xué)加固法等。根據(jù)施工條件、施工環(huán)境和濕陷性等級(jí)程度不同，采用合理科學(xué)的處理方法，各種濕陷性黃土的處理方法適用性見表2。

表2 濕陷性黃土地基的常用地基處理方法

3.1 墊層法

墊層法是采用灰土、砂石或者素土作為墊層進(jìn)行處理，具有因地制宜、就地取材、節(jié)約成本、施工方便等特點(diǎn)，在濕陷性黃土處理過程中經(jīng)常應(yīng)用，通過墊層進(jìn)行一個(gè)隔水處理，減少地基濕陷性黃土的濕陷量，控制未處理的土層沉降量，達(dá)到處理濕陷性黃土的目的。根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)總結(jié)，砂石墊層和灰土墊層處理都是用于處理地下水位以上的濕陷性黃土，根據(jù)濕陷性黃土的厚度不同，采用不同的方法，如果只是需要消除基底以下1～3 m厚的濕陷性黃土沉降量時(shí)，應(yīng)該先使用部分或者全部的灰土進(jìn)行墊層處理。如果需要提高墊層或路基的承載力以及墊層的水穩(wěn)定性時(shí)，建議使用整體的砂石或者石灰土進(jìn)行處理。需要注意的是墊層施工時(shí)先將處理的濕陷性土開挖利用，然后利用挖出來的土作原料進(jìn)行篩分，在最佳含水率量的情況下逐層回填夯實(shí)，一般單層最大的回填厚度不超過30 cm。

3.2 土樁或灰土樁法

以最佳含水量填充素土或石灰土并分層壓實(shí)的方法稱為機(jī)械、手動(dòng)或爆破擴(kuò)孔后的土堆或灰土樁法。土樁適用于濕陷性黃土地基，目的是消除地基土的濕陷性，采用灰土樁處理人工填土地基，提高地基承載力。該方法處理深度一般為5～15 m，濕陷性黃土地基位于地下水位以上，土壤飽和度小于65%。

灰土樁法的施工中要注意灰土樁的施工工藝，施工前設(shè)置一定數(shù)量的滲水孔，合理確定滲水孔深度，確保最終水能夠均勻地滲透到土層中去。根據(jù)道路的情況，一般采用分段施工方式，如果遇到大面積處理區(qū)域，從中間向兩邊施工。施工過程中需要逐個(gè)檢查灰土樁的樁孔直徑、深度等，按照規(guī)范要求確保樁孔垂直度偏差在1.5%之內(nèi)，樁的重點(diǎn)偏差也要控制在5%之內(nèi)。灰土拌和的過程中要注意素土和灰土的配合比，素土的粒徑偏大、石灰的含量偏少等都會(huì)導(dǎo)致灰土樁基質(zhì)量不合格，并且也需要嚴(yán)格控制樁孔的深度和間距，現(xiàn)場(chǎng)施工過程中要縮短檢查的批次，在條件允許的情況下盡量逐一檢查。

3.3 夯實(shí)法

壓實(shí)方法有兩種，分別為重錘表面壓實(shí)和強(qiáng)夯方式。

（1）重錘表面壓實(shí)適用于飽和不超過60%的濕陷性黃土地基的處理。一般采用2.5～3.0 t的重量，下落距離為 4.0～4.5 m，可消除基底以下 1.2～1.8 m 黃土層的濕陷性。在壓實(shí)層中，土壤的物理力學(xué)性質(zhì)顯著改善，平均干重顯著增加。

（2）強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基是在上述的壓實(shí)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種地基處理方法，濕陷性消除的深度較大，缺點(diǎn)是振動(dòng)和噪聲較大。強(qiáng)夯法對(duì)消除濕陷性黃土的濕陷性有明顯效果，一般可達(dá)8～10 m。

（3）沖擊碾壓是一種表面壓實(shí)。適用于處理濕陷性相對(duì)較淺的地基。在1～3 m范圍內(nèi)處理效果良好，主要機(jī)理是反復(fù)夯實(shí)地基以壓實(shí)土壤。隨著夯實(shí)施工，土壤的物理力學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，以減少或消除地基變形。

黃土被淹沒后由于自身重量的增加，會(huì)導(dǎo)致地基沉降。預(yù)浸法利用黃土的這一特性來減少和處理黃土的濕陷性，預(yù)浸法主要用于處理地基沉降或Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土場(chǎng)地，處理厚度較大，是一種更具成本效益的處理方法。

3.4 預(yù)浸水法

濕陷性黃土的厚度大于10 m或者自重濕陷量大于50 cm時(shí)，采用預(yù)先浸泡進(jìn)行濕陷性黃土處理，該方法的基本原理是利用濕陷性黃土的親水性，利用水浸泡淹沒后的自重濕陷特性來進(jìn)行處理。在路基施工前，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行大面積灌水浸泡，消除黃土的土體自重濕陷性，浸泡一段時(shí)間后可以提高黃土的強(qiáng)度，但是這種方法對(duì)水資源的需求比較大，對(duì)于水資源相對(duì)缺乏的北方地區(qū)項(xiàng)目施工較為困難，并且還會(huì)導(dǎo)致工期延長。

3.5 化學(xué)加固法

化學(xué)加固法是采用單液硅化和堿對(duì)黃土進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，以改善土體的抗剪強(qiáng)度。單液硅化是通過穿孔管將相對(duì)密度為1.13～1.15的硅酸鈉溶液注入土壤中，使溶液中的鈉離子與土壤中的水溶性鹽類中的鈣離子產(chǎn)生離子交換反應(yīng)，在土壤顆粒表面形成硅。鹽凝膠膜加強(qiáng)土壤顆粒之間的連接，填充顆粒之間的孔隙，使土壤防水、穩(wěn)定、不塌陷和不透水。堿性溶液加固方法一般都是采用NaOH溶液，加固方法可用于現(xiàn)有的非重力濕陷土場(chǎng)地的結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。將一定濃度為100 g/L的NaOH溶液通過灌注孔注入土壤中。在土壤中處于游離狀態(tài)的SiO2和AlO3細(xì)顆粒與溶液狀態(tài)下的NaOH產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)生成硅酸鈉和鋁酸鈉，使得土壤顆粒表面會(huì)逐漸膨脹軟化，相鄰的土體顆粒就會(huì)變得緊密接觸，增加黃土的抗壓強(qiáng)度。

4 結(jié)束語

城市互聯(lián)互通需要市政道路工程的支撐，道路施工必然可能遇到在濕陷性黃土上進(jìn)行路基施工，須解決濕陷性黃土帶來的道路質(zhì)量問題。只有結(jié)合實(shí)際情況科學(xué)分析各濕陷性黃土路基的具體情況，根據(jù)濕陷土層厚度、場(chǎng)地濕陷類型和地基等級(jí)，結(jié)合結(jié)構(gòu)類型和濕陷性黃土的特性，采取強(qiáng)夯、灰土墊層、樁基或防排水等多種處理措施，才能更好地提高黃土路基的質(zhì)量，改善濕陷性黃土沉降、侵蝕、沖空等現(xiàn)象對(duì)路基的破壞，提高道路的整體質(zhì)量和使用壽命。