不同處置措施下濕陷性黃土路基滲透變形研究

黃崇國

(湖南中益土木工程技術發展有限公司,湖南 長沙 410000)

1 濕陷性黃土在物理力學性能指標上的特點

1.1 顆粒組成

在我國,濕陷性黃土的顆粒以粉土顆粒為主,其占總重量的50%～70%,而在粉土顆粒中,又以0.05～0.01 mm的粗粉土顆粒為主,占總重約40.60%,<0.005 mm的黏土顆粒較少,占總重約14.28%,>0.1 mm的細砂顆粒占總重在5%以內,基本上沒有超過0.25 mm的中砂顆粒,見表1。在加固過程中,可以添加適量的鈣質物質,加固效果更好[1]。顆粒級配的差異,對土體的抗剪強度和抗剪強度有較大的影響。在工程實踐中,選用粒度相同但形狀不同的細沙,或粒度不同的細沙,會造成較大的水分損失。在密實易達到或超過均質性的條件下,通過改變粒徑、粒徑比例,可有效改善土體強度;在粗粒徑間距>0.05 mm的情況下,可賦予濕陷黃土更好的抗壓性能,并在不發生滲流的情況下,實現水分的完全排除。

表1 濕陷性黃土的顆粒組成

對于濕陷性黃土,因其粒徑大小的差異,對其穩定與強度的需求也各不相同。如果土層較為致密,可以采用粉沙、碎石等進行加固,如果土層較為松散,可以采用水泥等物質進行加固;而戶外基層的關鍵是要選用適當的黏土、粗細沙和不同含泥量的顆粒組成。

1.2 界限含水率

界限含水率是黏土由一種膠凝狀態向另一種膠凝狀態轉變時的分界線,又稱為膠凝極限[2]。它是用來測定黏土流動狀態、可塑狀態、半固體狀態、固體狀態相互轉變時的分界含水量,是在土工試驗中用到的一項基本參數。根據土壤含水量的變化,可以將土壤分為流動、塑性、半固體和固體四種狀態。土體在流態與塑性之間的界限是液限,在流態與塑性之間的界限是塑限[3]。黃土的濕陷性是由水文、地質、氣候等因素造成的,在治理過程中要視具體情況而定。當本區域土體水分含量有很大的差異時,就可以使用超前緩坡和固結灌砂的方法,見表2。

表2 我國濕陷性黃土的天然含水量it～mm,液限值

在加固工程中,黃土的含水量會有一定的改變,通常表現為濕陷現象。當土質含水率高時要采用干夯法進行壓實。在選擇濕陷性土地基后,要考慮到土壤本身存在高程度內澇和滲透性能較弱等缺陷,所以在實際操作時,要結合具體情況來確定采用何種土質作為地基基礎。

1.3 比重、容重及孔隙比

在高密度的情況下,容重、孔隙比都會有所提高,從而使濕陷地表的承載力有所提高,若土壤含水率偏小,則應采取防滲措施[4]。在施工過程中,受水文地質條件、施工方法和場地條件的影響,所產生的裂縫尺寸各不相同,故應依據實際條件,制定出符合工程需要的最優壓實度。對于含較多細粒的砂土,可通過增加其孔隙系數來減小水的蒸發,增加其滲透性,進而減小其對地表的承載力。

孔隙比、容重對濕陷性黃土地基的成本和施工難易程度有很大的影響,目前對這兩個方面的研究還很少[5]。但由于細沙中的水分含量較高,并且容易受到溫度和濕度的影響而發生變化,并且還會引起土體的膨脹,所以,為降低造價、確保工程質量,需要選用合適的濕陷性黃土材料來進行基礎的加固,以避免出現下陷等問題。各地區黃土孔隙比見表3。

表3 我國濕陷性黃土的孔隙比

1.4 含水率和飽和度

分析黃土地基中水分含量的變化對其理化性質的影響。通常,土的孔結構愈穩定,其抗壓強度愈高,但一旦達到某一數值,就會產生滲透現象。當土壤中存在較多雜質或顆粒較大時(如黏土),那么就會導致滲透水量增大。而在土壤中包含大量的細小塵埃粒,或者黏附在孔隙表面,并使水滴聚集于毛細管的時候,被稱為含水率偏大區(也就是土質吸力小于飽和度)。

隨著含水量、飽和度的增大,滲透損失也隨之增大,故在填筑濕陷黃土時,應盡量選用少量的細沙。因為水是一種在移動過程中不可或缺的物質,因此可以將其添加到細沙顆粒中,但若采用了不均勻或過軟化的水泥材料,引起孔隙堵塞,就會導致滲透坡過大,進而使含水量逐步增加;在含水量超過10%的情況下,滲透率將變得更高,從而對工程的穩定性及品質產生較大的影響。

1.5 壓縮性

濕陷性黃土地基具有不同程度的壓縮特性,受土層特性、水文特性和氣候環境等影響,其壓縮模量隨時間而改變。因此,在水分含量很低的情況下,可以采用軟化或硬塑的方式來填充;在含水量較高的情況下(例如砂土、泥煤灰等),為了改善其壓縮特性,需添加大量的熱礦物粉體。

濕陷性黃土地基的可壓縮性很強,在應用時,必須用壓片機進行加壓,若未壓實或壓緊量不足,則會發生水化。濕陷性黃土地基壓縮問題是指因為含水量過多,使得軟土層與硬質黏土之間的相互作用力變大,破壞地基結構,使其變形,造成地面坍塌的現象。在實際應用中,要根據材料性質、強度進行選擇與應用。

2 處理方法及適用條件

2.1 墊層法

墊層法是指在濕陷性黃土地基上,鋪覆一定厚度的石灰或石粉,并與水泥砂混合,構成一層較薄、較穩定的基層[6]。此法可廣泛應用于滲透系數大、孔隙發育、滲透性差、或有滲流場存在的斜坡。在應用軟墊方法時,應在軟墊厚度與濕陷黃土基涂料抗壓強度相當的情況下進行軟墊加固。這種方式必須在施工方對現場進行勘察后,才能正式展開。由于這種土質通常都屬于松散狀,流動性較強,并且還存在不均勻沉降性等特性,所以在我國的南方地區被大量采用。

2.2 強夯法

強夯法是采用高強度的物質,將土體打實,從而提高地基的承載力,這種方法在施工時要對壓實度和含水量進行合理的控制[7]。在具體的工程建設中,每個步驟都要進行嚴密的控制,當出現某些土質較弱,且存在較厚的軟夾層時,可以采用這種方法來處理;對于某些含水率很高的黃土或含濕陷黃土,其地基具有很高的濕陷程度時,可采用強夯處理。該方法適合于厚度較大、強度大、含水量高、密實度較大、地基承載力較強、在特殊條件(如斷裂帶)或軟弱夾層中形成的地表工程。

2.3 擠密法

擠密法是在濕陷性黃土地基上鋪設碎石樁,將地基的基層和壓實材料一同鋪筑。在此方法下,當土層較低或較高時,再進行填縫處理,這樣可以避免由于水灰比過大而引起地面裂縫。因為在這種方式下進行施工時,需要用到很多設備及泥土等材料。因此,采用此方式會極大地增加工作量,增加工程成本。但因為其操作簡單方便、對場地要求不高、可循環利用等特點,被廣泛應用于濕陷性黃土地基處理。

2.4 預浸水法

預浸水法指的是將制備好的濕陷性黃土與石灰石粉或煤灰石等工業原材料按照比例添加到混合料中,在一定的溫度下,用水沖洗干凈后進行壓實。當混合物完全溶解后,將所含的水分全部倒在填縫板上,隨后通過攪拌機均勻地加泥(約為1 m左右),使其充分浸沒水中,形成一個個水孔,即形成預浸水面,隨后,再用石灰、煤灰石等物質將預濕性黃土中的水分排出。這種方法可以在土體的表層形成一層水泥薄膜,從而達到防滲、保溫的效果,而且,因為灰土自身的高強度、高穩定等特性,它還可以很好地控制地面的下沉,適合在比較平坦的地方使用。

2.5 樁基礎

樁基是一種臨時的建筑物,它是在一般的基礎上,以鋼筋或水泥為主要形式,把上邊的荷載傳遞給土層。它以其較高的強度、較高的剛性而被廣泛應用于濕陷性黃土的治理。在提高沉降率的同時,避免了地面沉陷造成的地面上抬,減小了施工過程中對軟黏土的影響,減小了施工過程中的工程擾動,確保了樁-基礎間的安全間距。樁基礎在國內得到了廣泛的使用,它是一種較為普遍和常用的地基處理方法。但由于地區、地質條件以及氣候環境等因素,會對其造成不同程度的影響,因此,在使用這種方式進行設計和施工時,必須要選擇性能優良、承載能力較好的樁體。

3 濕陷性黃土地基處理的主要方法

3.1 換土墊層法

換土墊層法是指將泥土與各種性質的物質混合均勻后,加石灰漿水攪拌均勻,然后直接將其分層鋪攤到基層上,從而形成一層極薄的軟化底層,當其厚度達到一定程度后,就可以將濕陷性黃土地基表面當作一個過渡層進行處理,其優點是施工過程簡便、快速、容易操作。在進行施工時應注意:在那些比較復雜或者有一定深度要求且容易變形、并且易積水和滲水嚴重地區可以采用該方法;當土體中有空洞或裂痕時,不能采用換土墊填土。

3.2 素土擠密樁法

在復合地基處理中,將其視為一個單獨的整體,再對其進行加強,形成一種新形式的具有一定強度和剛度的壓實混凝土,在此方法中,可依據具體條件,選用合適的粒徑。這種方法設備簡單,操作簡單,因為它能夠有效地控制地表沉降速率,并且能夠降低工程成本,所以得到了廣泛的應用。素土擠密樁法適合于對地下水位以上的粉土、黏性土、素填土、雜填土和混陷性黃土等地基進行處理,可處理的地基的厚度一般為3～15 m。在以減少地基土濕陷為首要目標的情況下,可以采用純土擠密樁,但當土體中含水量在24%以上、飽和度在65%以上時,采用純土擠密樁的適用范圍需經實驗驗證。

3.3 振沖碎石樁法

振沖碎石樁是利用振蕩的方法,在濕陷性黃土基礎上,對其進行加固,并對其沉降時機、位移等加以控制,從而達到提高其承載力的目的。該方法采用震動錘擊方式,在打樁過程中產生激勵作用,并在打樁后,采用靜電式攪拌器,使打樁后的樁與樁之間的孔洞連接,從而增強打樁的地震作用。在此基礎上,通過添加適當數量的石灰來達到加固作用,從而增加基礎的承載力、穩定與強度。采用這種方法節省了大量的時間。目前,該方法在國內已有較多的使用:利用振動沉降法,增加基礎土的剪切強度;采用振動的方法,提高樁的可壓縮性;在軟弱和堅硬的土層中,采用碎石沖孔法等。

3.4 深層攪拌樁法

在國內,這一技術被廣泛應用于濕陷性黃土地基,其基本原理是通過深層攪拌樁的力學效應,將水泥砂漿與軟化點結合起來,對地基進行固結和強化,以達到降低沉降、增加地基穩定系數、增強滲透變形的目的。該法適用于沙層較淺,地表無水或有空隙的情況;由于土體水分含量較高,而且分布不均,產生了較大的滲透力,從而造成了坑外水的發生;也可用于淤泥質土的加固,由于其施工簡便等特點,被廣泛應用于工程中,并獲得了較好的效果。

4 總 結

分析了各種加固措施的優缺點得出結論:濕陷黃土具有較好的防滲性能。針對濕陷性黃土地基軟基,從不同的角度出發,探討了軟基處理方法。