西吉縣黃土溝壑區濕軟地基處理技術研究

劉安寧

（寧夏公路勘察設計院有限責任公司，寧夏 銀川）

引言

目前，國內軟土已進行大量研究，但濕軟黃土雖已開展了一定研究工作，但研究內容主要依托陜西、甘肅內部分工程項目展開的黃土處理方案研究，針對寧夏地區研究較少，尤其西吉地區，該區域濕陷性黃土分布廣泛、相比于其他省份，濕陷性等級高、孔隙大，濕軟黃土特性也存在一定的差異性。因此，本研究結合S60 西吉至會寧高速（以下簡稱西會高速）對沿線濕軟地基力學性質進行分析，并結合相關設計規范及有限元軟件模擬分析，研究該區域濕軟黃土處理措施及影響因素，為該區域及周邊類似工程提供參考。

1 工程概況

S60 西吉至會寧高速采用雙向四車道高速公路標準，設計速度80 km/h，路基寬度21.5 m。項目位于黃土高原腹地，濕陷性場地約占全線95%，由于區域內濕陷性黃土，孔隙比大，濕陷性等級多為自重濕陷性Ⅲ級（嚴重）、Ⅳ級（很嚴重），當谷底含水率上升情況下，濕陷性消失，形成連續性差，層厚深、天然孔隙比大、含水率高的濕軟黃土。沿線濕軟黃土物理力學指標為：褐黃色粉質黏土，軟塑- 流塑，含水率w=30.5%～33.4%，塑限wp=18%～21%，液限wL=29%～31%，塑性指數IL=11～14，天然孔隙比e0=1.001～1.057，滲透系數6×10-4cm/s。濕軟地基在沿線存在分散性，對于西吉縣濕軟黃土有相當的典型性，能較好代表該區域綜合特性。

2 西吉縣黃土溝壑區濕軟地基力學特征

（1） 強度隨著含水率上升明顯下降

圖1 顯示隨著含水率的升高，內摩擦角在25%含水率前變化較小，在可塑階段內摩擦角已開始呈現明顯線性降低的趨勢，當含水率達到35%，飽和度接近100%時，內摩擦角降低至12.7°。圖2 顯示粘聚力在塑限前基本無明顯變化，當高于塑限后，粘聚力隨著含水率上升呈現線性降低的趨勢。當達到規范[1]軟土鑒定指標表中的含水率大于30%時，力學性質降低明顯，相比自然狀態下，濕軟黃土內摩擦角及粘聚力分別下降30%及46%，含水率對濕陷性黃土地區穩定性影響大。

圖1 含水率與內摩擦角關系曲線（單位：°）

圖2 含水率與粘聚力關系曲線（單位：kPa）

（2） 壓縮性較高，接近規范軟土指標下限

經地勘資料顯示，濕軟黃土壓縮系數為0.4～0.7 MPa-1，壓縮模量為2.8～4.8 MPa，壓縮性較高，但整體壓縮模量優于軟土。

（3） 厚度厚：由于背陰，蒸發少，區域黃土厚度在6～14 m 之間，厚度較厚，下部主要為泥巖。

（4） 測定承載力難：濕軟黃土抗擾動能力差，由于含水率及飽和度高，其呈現絮凝狀結構，在遭受外力作用下，土體破壞，強度也隨之下降，停止擾動靜置后土體強度存在恢復，現場測定承載力較差[2]。

（5） 濕軟黃土硬殼層土體呈現硬塑～軟塑狀態，土質軟硬分布不均，存在一定夾層。

3 西會高速濕軟黃土處理技術實踐

針對西會高速濕軟黃土特點，采用處理方式如下：

（1） 下部拋石擠淤上部換填

西會高速收費站出口連接線采用10 m 雙向兩車道二級公路標準建設，部分連接線位于溝壑區中的沖溝，排洪條件差。地勘顯示，0～0.8 m 為可塑粉質黏土，0.8～4.7 m 為流塑粉質黏土，4.7 m 以下為可塑及硬塑粉質黏土，機械無法施工碾壓。考慮二級公路工后沉降為50 cm，要求標準相比一級、高速公路較低，因此，設計采用整體式擠淤（懸浮式）進行處理，考慮濕軟黃土當含水率降低后強度明顯增加，因此采用開挖0.5 m 流塑狀軟土后晾曬降低含水率進行拋石擠淤[3]，上部進行換填。拋石厚度根據濕軟黃土深度按制在60～120 cm，采用直徑大于30 cm 不易風化石料進行整體式擠淤，上部采用砂礫、碎石換填碾壓作為過渡層及排水層。

（2） 水泥攪拌樁

西會高速公路一標段部分段落位于溝壑區，該地區原濕陷性等級為Ⅲ級（嚴重）孔隙比大，由于雨季頻繁降雨，雨水滲流堆積，地基內含水率急劇增加，呈軟塑～流塑粉質黏土，現已形成濕軟地基，無濕陷性，濕軟黃土平均厚度達到7.1 m，處理方案采用水泥攪拌樁處理，路基邊坡坡腳外擴大2 排樁，梅花形布置，樁間距為1.2 m，樁徑0.5 m，樁長樁端進入持力層0.5 m，施工由兩路基邊線向路中線同時施工，采用間隔跳打的施工方法，上部換填鋪墊30 cm 厚級配碎石，最后上填50 cm 厚級配碎石排水墊層及復合土工布進行固結排水。

4 有限元模擬分析

結合項目實際情況，選取典型斷面結構進行模擬分析，通過MIDAS/GTS NX 有限元軟件模擬計算軟弱黃土下沉降量及攪拌樁加固效果。路基平均填土高度9.2 m（0.5 m 級配碎石排水褥墊層+8.7 m 路基填土），地下水埋深約1.5 m，土層結構分布自上而下依次為5.6 m 軟塑～流塑黃土狀粉質黏土、1 m 硬塑黃土狀粉質黏土，下部為砂質泥巖。水泥攪拌樁采用彈性模型，彈性模量選擇125 MPa，泊松比選擇0.2。具體工程土體參數見表1。

表1 有限元模型所選取材料參數

濕軟黃土采用修正劍橋模型[4]，路基填土、碎石及泥巖采用摩爾庫倫模型，模擬分析水泥攪拌樁地基處理期間、路基填筑期間（80 天）、施工兩年后以及通車運營15 年后四個階段的固結沉降。

圖3 顯示有限元模擬結果與沉降觀測的對比，從圖中可以看出模擬結果與實際監測結果趨勢性相近，具有較好的匹配性。經目前工程實踐反饋，采用該處理方案的觀測結果表明，路基填筑期間沉降較大，運營期路基沉降量小，目前西會高速已運營接近4 年，工后沉降滿足規范要求，因此，采用上述處理方案處理西吉縣濕軟黃土效果較好。

圖3 有限元模型與實際監測對比（單位：m）

由于濕軟黃土滲透系數明顯大于軟土，表現在其總體固結沉降也明顯較快，在施工填筑期間沉降已達到0.194 m，最初地面線以上50 cm 的級配碎石褥墊層起著濕軟黃土排水的作用，此時露出地面還剩約0.3 m，本次模擬高度為9.2 m，考慮未來存在10 m以上較高填土，因此，為保證排水層在施工期間沉降后仍起到排水作用，碎石排水褥墊層應至少按制在0.5 m。

固結沉降至900 天左右，濕軟黃土固結沉降已基本穩定，對比運營15 年后總沉降的0.243 m，固結900 天已沉降0.240 m，僅增加0.003 m，已達到整體固結的95%以上，處理過程中，由于水泥攪拌樁已嵌入持力層（泥巖內），工后沉降較小僅為0.06 m。考慮一級公路、高速公路規范中工后沉降要求高，因此，為保證項目質量，針對該地區濕軟黃土應在施工初期與橋涵構造物一起，作為第一批項目進行施工及填筑，自施工至運營期開始基本可完成固結沉降，條件允許情況下可進一步考慮超寬填筑。

考慮0.5 m 樁徑情況下，1.2 m～2 m 樁間距沉降趨勢。從圖4 可以看出，樁間距越小，由于樁土置換率越大，導致沉降趨于穩定越快，在4 倍樁徑（2 m 樁間距）前，沉降隨著樁間距增長接近線性增長，每增加0.2 m 間距，沉降增大百分比分別為6.4%、7.2%、6.9%，而當達到4 倍樁間距時，相比于1.8 m 樁間距沉降增加10.1%，相比初始1.2 m 樁間距增加了34.5%，達到0.327 m，增長幅度明顯增大。工后沉降方面，1.2 m～2.0 m 樁間距，沉降分別為6.0 cm、6.5 cm、7.2 cm、8.0 cm 及9.0 cm，均滿足高速公路、一級公路工后路基20 cm 的沉降要求。有限元模擬計算的最大樁軸力位于路基中心分別為255.4 kN、339.2 kN、423.9 kN、530.0 kN 及635.2 kN，經以往項目經驗反饋，一般情況下，單樁極限承載力一般在500～600 kN左右，因此，按制在1.8 m 樁間距以內，可保證樁身強度滿足使用要求。經總沉降、工后沉降及樁身強度分析，在3 倍樁間距（1.6 m 樁間距）左右為較合理、經濟的處理間距。

圖4 不同樁間距沉降趨勢（單位：m）

圖5 為2 m 間距情況下，0.5～0.9 m 不同樁徑的影響沉降的曲線，從圖中可以看出樁徑在0.8 m 及0.9 m 實際影響沉降并不明顯，此時樁間距為2.2～2.5，而0.7 m 樁徑在整體沉降較小的同時，固結速率變化較快，此時對應樁間距為2.9 左右，這也進一步表明3 倍左右樁間距為較優處理間距，結合規范其所對應的樁土面積置換率m 約在0.07～0.1 之間。

圖5 不同樁徑沉降趨勢（單位：m）

5 結論

（1） 西吉縣濕軟黃土地基當含水率大于30%，較自然狀態黃土，濕軟黃土內摩擦角下降30%，粘聚力下降46%。在可塑階段摩擦角隨含水率上升呈現線性下降，粘聚力當高于塑限后，粘聚力隨著含水率上升呈現線性降低的趨勢。

（2） 經西會高速模擬、監測、運營結果反饋，針對道路等級、軟弱土層厚度等因素分別采用的拋石擠淤加換填及水泥擠密樁處理方案處理效果明顯。

（3） 為保證填筑沉降后基底仍可起到排水功能，碎石排水褥墊層應至少0.5 m。由于區域濕軟黃土滲透系數明顯優于軟土，自填筑完成2 年后，固結沉降已基本完成，施工時應提前超寬填筑，提前固結。

（4） 水泥攪拌樁處理濕軟黃土，在2.2～2.5 倍樁間距處沉降位移變化不大整體處理相對保守，3 倍樁間距左右為較憂的處理間距，對應樁土面積置換率約在0.07～0.1 之間。