濕陷性黃土評價及處治方法研究

孫萬虎

(甘肅路橋建設集團有限公司,甘肅 蘭州 730030)

0 前 言

黃土是指第四紀期間風力搬運形成的黃色沉積物,其中約60%的黃土具有濕陷性。濕陷性黃土會在自重應力或附加應力作用下,因浸水而土體結構破壞,發生顯著的附加變形,對高速公路路基安全穩定產生嚴重影響[1]。如何合理運用各種濕陷性黃土處治方法以達到安全、耐久、經濟、低碳的處治效果,是保障黃土地區公路工程建設高質量發展的重要工程問題[2]。

1 工程概況

甘肅省某高速公路全長168 km,約55%位于沖洪積平原、黃土丘陵和黃土覆蓋中山區,項目區內全新統沖洪積相(Q4al+pl)及上更新統坡積(Q3dpl)黃土廣泛分布,土體結構松散,大孔隙和垂直節理發育,壓縮性高,且多具濕陷性。

2 濕陷性黃土評價

2.1 黃土濕陷機理

黃土顆粒間的松散結構和膠結物質是導致黃土濕陷的根本原因。黃土是在干旱或者半干旱的氣候條件下形成,黃土中,粒徑>0.01 mm的顆粒構成了黃土的骨架,粒徑0.01～0.002 mm的顆粒填充在骨架之間的孔隙中,粒徑<0.002 mm的顆粒在黃土中起到膠結作用。黃土顆粒和孔隙之間由膠結物質粘結,在一般情況下,黃土能保持結構性,具有低壓縮性、高抗剪強度的特性[3]。在浸水后,一部分黃土的顆粒間膠結物質發生溶解和軟化,顆粒間水化膜增厚、連接程度降低,骨架強度隨之下降,在自重壓力或者附加壓力的共同作用下,骨架架構隨之破壞,土體顆粒滑向大孔隙,土體隨之發生濕陷變形。

2.2 濕陷等級劃分

公路工程采用室內浸水飽和壓縮試驗的方法判定黃土濕陷程度,采用濕陷系數和濕陷量作為定量評價指標。濕陷系數可按公式(1)計算

(1)

試驗中要尤其注意試驗壓力的選定。對零填路基,試驗壓力應采用地基土飽和自重壓力;對路堤,試驗壓力應采用路堤荷載作用下地基附加壓力和地基土飽和自重壓力之和;對路塹,試驗壓力應自挖方設計高程算起,取路塹底以下地基土飽和自重壓力。自重濕陷系數δzs測定方法與δs一致,但試驗壓力應取土樣上覆土的飽和自重應力。

測定δs<0.015的定為非濕陷性黃土,δs>0.015的定為濕陷性黃土。

通過濕陷系數,按式(2)和式(3)計算濕陷量Δs和Δzs。

(2)

(3)

式中:β為考慮基底以下地基土受水浸濕可能性和側向擠出等因素的修正系數;hi為土層厚度。β0為因地區土質而異的修正系數。該項目取1.40。

根據計算所得的濕陷量,按照相關規范對濕陷性黃土地基濕陷等級進行劃分。

根據勘察和試驗結果,項目全線濕陷黃土路段總長16.78 km,其中Ⅰ級非自重段落3.315 km,占濕陷段落總長的19.58%,濕陷厚度2.5～9.2 m;Ⅱ級非自重段落長2.145 km,占濕陷段落總長的12.67%,濕陷厚度6.5～10.6 m;Ⅱ級自重段落長7.18 km,占濕陷段落總長的43.3%,濕陷厚度4～13.8 m;Ⅲ自重段落長4.14 km,占濕陷段落總長的24.45%,濕陷厚度10.4～13.7 m。

3 濕陷性黃土處治方案設計

3.1 處治設計原則

濕陷性黃土地基處理設計應遵循“安全、耐久、低碳、經濟”原則,結合工程地質條件和路基工點類型合理選定處治方案[4]。不同重要程度的工點需要達到的處理效果不同,首先應按照工程重要性對路基工程進行分類,路基工程等級劃分如表1所示。

表1 工程等級劃分

甲類工程對地基變形敏感,一旦地基發生沉陷變形,往往后果嚴重,故應采取較強地基處理手段,以消除地基的全部濕陷量或者穿越水體下滲影響范圍內濕陷性土層為處治目標。乙類工程為一般路基段,允許地基出現一定程度的變形下沉,設計階段應結合具體路基形式、高度和工程地質條件,選定經濟合理的設計方案。乙類工程的最小處理深度如表2所示。

表2 濕陷性黃土地基最小處理深度 (單位m)

3.2 處治方法分析

(1)擠密樁法。工程中常采用灰土擠密樁、素土擠密樁或者干拌水泥碎石擠密樁等方式處理濕陷性黃土地基。擠密樁法通過沉管施工擠密土體,并在消除黃土濕陷性的同時,由樁體和樁間土共同組成復合地基[5]。擠密樁法處治有效性高、施工適應性廣,但工程造價較高,以汾石高速為例,灰土擠密樁的處治單價約為55元/m2,是強夯的2.7倍。故擠密樁主要適用于甲類工程或者濕陷等級高、厚度厚、其他處治方式施工困難的特殊路段,不宜作為常規處治手段。

(2)強(重)夯法。強(重)夯法通過重錘反復擊打地基,運用夯擊勢能壓密土體,是工程中最常用的濕陷性黃土處治方法[6]。工程中常用強夯的單點夯擊能為1 000～4 000 kN·m,可有效消除起夯面下3～6 m土層的濕陷性,重夯單點夯擊能為600 kN·m,可消除起夯面下2～3 m土層的濕陷性。強(重)夯法工程造價低,強夯處理單位造價約為20元/m2,重夯處理單位造價約為9元/m2。強(重)夯法可應用于填高較高、濕陷等級較高的乙類工程和濕陷土層分布不厚的甲類工程。但是在地形陡峭的黃土沖溝地區,由于強夯施工機械操作困難,需考慮其他處治方案。同時強夯施工對自然邊坡穩定性和周圍建筑物的安全存在一定影響,高邊坡和臨近建筑物的路段需謹慎采用或采取必要的安全措施。

(3)沖擊碾壓法。沖擊碾壓法是通過多邊形沖擊壓路機碾壓地基形成的沖擊輪勢能密實土體,工程中常用的30 kJ壓路機有效處理范圍可達1.5 m,并且造價優勢明顯,約為4元/m2,故可作為乙類工程的常規性處治手段。但是由于沖擊壓路機需一定的施工長度和場地寬度保證碾壓速度,場地空間較小的路段不適用。

(4)換填墊層法。換填墊層是通過水泥土、石灰土等改良土體替換濕陷性土層,達到消除濕陷性的目的。但是工程造價高,每1 m厚的4%水泥土墊層造價約為52元/m2,6%灰土墊層造價約為64元/m2,換填墊層法宜作為其他處治方法的補充手段,靈活運用。

3.3 處治方案設計

(1)甲類工程

①橋頭路基。橋頭路基處治長度為與橋臺距離25 m的路基地基,處理寬度為每側應超出路基底寬3 m范圍。對濕陷性黃土厚度小于5 m時的填方路段,采用強夯處理,單點夯擊能選用2 000 kN·m,強夯前應選擇代表性路段選取試夯區進行試夯,確定夯擊方案、夯擊次數、夯擊遍數、間歇時間等參數。同時,施工前還應測量地基土含水量,對含水量>22%或者飽和度>60%的土體,應事先進行晾曬等待含水率降低后進行施工,對含水量<8%的,應先潤濕土體后再進行施工。施工過程中,要做好減震措施,保證橋梁構造物安全,設計方案見圖1。

圖1 填方小于5 m的橋頭路堤地基處理設計圖

對濕陷性黃土厚度>5 m時的填方路段,采用石灰土擠密樁處理,擠密樁樁身消石灰含量為10%,樁徑采用40 cm,樁孔呈等邊三角形布置,孔中心距1 m,樁長以穿透濕陷性土層為控制,但考慮到山西地區年降水量較少,地表水和施工用水下滲深度有限,樁長不宜超過8 m。樁頂需設置30 cm厚的灰土墊層,用于調整荷載分布和封閉地表水,設計方案見圖2。

圖2 填方大于5 m的橋頭路堤地基處理設計圖

考慮到該項目挖方橋臺較少,且絕大部分濕陷土層已被挖除,對挖方橋頭路基采用路床部分換填6%灰土處理。

②涵洞、通道,墻高>6 m的擋土墻。結合地基承載力要求,對地基設置50 cm灰土墊層提高地基承載力,并根據濕陷等級采取相應措施消除濕陷。Ⅲ級及以上濕陷性黃土地基采用2 000 kN·m夯擊能的強夯處治;Ⅱ級及以下濕陷性黃土采用600 kN·m夯擊能的重夯處治。

(2)乙類工程

①填方路基。填方路段的地基處理范圍為路堤段距坡腳排水溝外側≥1 m,無排水溝時坡腳外1 m。對Ⅰ級濕陷性黃土地基采用正常填前碾壓處理;對Ⅱ級非自重、自重濕陷性黃土地基采用沖擊碾壓(30 kJ)處理;對Ⅲ級自重濕陷性黃土地基,填土高度≤4 m時采用沖擊碾壓(30 kJ)處理,填土高度>4 m時采用重夯(600 kN·m)。對Ⅳ級自重濕陷性地基,填土高度>4 m時采用強夯(2 000 kN·m),填土高度≤4 m時采用重夯(600 kN·m)處理。

②挖方路基。挖方路段的處理范圍為路基斷面寬度(包含邊溝范圍)。對Ⅰ級濕陷性黃土地基采用下路床翻松碾壓,上路床回填6%灰土處理;對Ⅱ級非自重、自重濕陷性黃土地基采用超挖至路床底,對地基進行正常碾壓后,下路床分層壓實,上路床回填6%灰土處理;對Ⅲ、Ⅳ級自重濕陷性黃土地基采用挖至路床底,對地基沖擊碾壓(30kJ)后,下路床分層壓實,上路床回填6%灰土處理。

③以上方案中,對處治長度<100 m不適宜沖擊碾壓的路段,采用重夯(600 kN·m)代替處理。對距離房屋建建筑物水平距離<50 m的,不適宜強(重)夯、沖擊碾壓處理路段,采用地基清表后換填50 cm灰土墊層,并在坡腳設寬1.2 m的灰土隔水墻處理,隔水墻的高度根據濕陷性等級確定。

④在地基處理前,應對路堤坡腳或路塹邊坡坡口上側80 m、下側50 m范圍內的黃土陷穴、落水洞和空洞進行回填壓實。

3.4 防排水措施

浸水是導致濕陷性黃土沉陷的根本原因,防排水設計是濕陷性黃土地基處理的重要部分。黃土地區公路工程應加強綜合排水系統的設計,保證排水暢通,防止積水與下滲,做到防治并重。

在路基排水設計中,對挖方、低路堤及低填淺挖路段,在挖方邊坡或填方邊坡坡腳外設置排水邊溝,邊溝水通過排水溝引至路基范圍之外。挖方路段或斜坡路堤上方流入路界的地表徑流較大路段,設置截水溝;多級路塹或路堤路段,在邊坡平臺處設置平臺截水溝,減少坡面沖刷;在路堤和路塹坡面或者坡面平臺上向下集中排水時,設置急流槽;中央分隔帶表面采用鋪面封閉,鋪面之下設置防水層。黃土地區的排水溝渠長度應控制在300 m以內,溝底縱坡應≥0.3%,并設置適當的防滲措施。

4 結 語

近年來,隨著中國基礎設施的快速建設,在濕陷性黃土地基處理方面積累了豐富的經驗,但沒有一種地基處理方法是萬能的,對具體工程而言,應結合工程地質條件、工點類型、工程投資和施工條件等因素綜合考量,確定最適宜工程的地基處理方案,不斷提高精細化、品質化設計水平,努力打造優質耐久、安全舒適、經濟低碳的精品工程。