黃土地區高速公路路基沉陷問題及治理施工技術

中圖分類號：U418.5 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945(2025)18-0185-04

Abstract:Themainpurposeof thisresearchistodeeplyanalyzethesetlementproblemsof expressaysubgradeinloes areasandtheircontrol strategies，especiallytheaplicationofdynamiccompactioninsuchproblems.Theresearchcontentcovers adetailedanalysisofthegeologicalstructure，hydrogeologicalconditions，anddesignandonstructionfactorsinthelosaea aimingtorevealthecausal mechanismof subgradesetlement.Atthesametime，thestudyelaboratedontheconstruction technologyandkeyoperatingpointsofthedynamiccompactionmethod，includingthepreparationworkbeforeconstruction， requiredequipment，materialselectionandconstructionprocessThroughsetlementobservation，foundationbearingcapacity testing，andstabiltyevaluation，thisstudycomprehensivelyevaluatedandcomparedthetreatmentefectsofdynamiccompaction. Researchresultsshowthatdynamic compaction cansignificantlyimprove subgrade setlement，enhancefoundationbearing capacityandoptimizeoverallstabiltyThisstudyprovidesvaluablepracticalguidanceforthetreatmentofhighwaysubgrade settlement under other similar geological conditions.

Keywords: sugrade subsidence; dynamic compaction method; foundation bearing capacity; loess area; expressway

黃土地區高速公路建設遭遇了特有的地質難題，其中路基沉降問題尤為顯著。該區域普遍存在的土壤結構松散，導致路基在承受負荷或者經歷濕度波動時極易發生沉降。這一現象不僅威脅到高速公路的安全運行，還可能帶來昂貴的維護費用、中斷道路運營等風險。沉降的成因復雜，涉及地質條件的固有特性、水文地質的變動、設計與施工過程中的失誤以及后期運營管理的不足。為應對這些挑戰，研究人員嘗試了多種治理技術。在這些技術中，強夯法因其能夠顯著增強地基的承載力而備受矚目。本研究的目的在于系統地分析黃土地區高速公路路基沉降的原因，并評估強夯法在治理中的實際效果，旨在為類似工程提供技術支持。

1 工程概況

黃土地區X高速公路全長 120km ，途經多個黃土高原區域。該公路自2018年起建成通車，設計標準為二級公路，車速限制為 100km/h 。由于黃土地區的特殊地質條件，路基承載力不足，導致部分路段發生沉陷，影響了高速公路的正常使用。在公路建設后的兩年內，路段L15— L20km 處發生了顯著的路基沉陷問題，總面積約為 10000m² 。沉陷最嚴重的區域沉降量達到30cm ，局部甚至達到 45cm 。沉陷主要集中在濕度較高的季節，且沉降速率加快，嚴重影響了道路的平整度以及行車安全性。為解決上述沉陷問題，工程團隊決定使用強夯法進行治理，該方法通過高能量沖擊來加固土壤的技術，適用于松散、飽和的土壤條件。

2黃土地區高速公路路基沉陷原因分析2.1 地質條件

黃土地區的地質條件是高速公路路基沉陷問題的根本因素。黃土主要由細砂、粉土、黏土組成，其顆粒直徑通常小于 0.075mm 這種細粒土壤容易被水分侵人，導致其工程性質不穩定。黃土的松散結構使其具有較低的密度以及承載能力，在未經過處理的情況下，黃土的自重固結作用不足，導致其在荷載作用下容易發生壓縮、沉降。此外，黃土具有較高的壓縮性。加載或水分變化時，黃土會經歷較大的體積變化。例如，初始加載時，黃土可能經歷 5%～15% 的體積壓縮。在濕潤條件下，黃土的濕陷性顯著增加。水分滲入黃土后，會導致土體的體積顯著膨脹或沉降。例如，當黃土含水量增加到臨界含水量時，其體積可能增加 20% ～30% 。

2.2水文地質條件

黃土地區的地下水位受季節性變化的影響較大，特別是在雨季與干旱季節交替時，其差異尤為顯著。地下水位的波動會改變黃土的濕陷性與壓縮性，進而可能引起地面沉降。地下水的補給與排泄過程對黃土的穩定性具有直接作用。若地下水被過度抽取或補給不足，可能導致黃土區域出現干燥或濕潤不均的現象，從而誘發路基沉降。黃土對水分的入滲速率較高，尤其在暴雨或融雪期間，土壤含水量的急劇上升會導致黃土體積顯著膨脹。

2.3 設計與施工因素

在設計階段，若對黃土地基承載力的評估出現偏差，導致設計荷載超出其實際承載限度。在黃土區域，設計承載力往往被設定得過高，而實際承載力卻相對不足。由于未能在設計階段針對黃土的特殊性質采取恰當的地基加固措施，例如預處理、換填或深層加固，路基在荷載作用下容易發生沉陷。此外，在黃土地區進行高速公路建設時，若施工工藝不符合規范，如填土層厚度不一、壓實度不足等，將對路基的穩定性產生負面影響。例如，填土過程中若松散度過高，將引發沉降問題。

3強夯法施工工藝及操作要點

3.1 施工準備

在本項目中，工作人員對沉陷區域進行了深入而詳細的地質勘查工作。施工人員仔細測量并記錄了土壤的密實度、含水量以及顆粒組成等各種重要的物理力學性質。通過這些數據，施工人員能夠準確地計算出在夯實過程中所需的能量與次數，以確保土壤達到預期的密實度。此外，施工人員還對沉陷區域的深度、分布進行了精確的測量，以確定最嚴重的沉降點以及需要進行處理的范圍。在具體實踐中，工作人員根據不同的土壤類型以及沉陷程度，精心設計了合適的夯實能量。其計算公式為

式中： E 代表夯實能量， m 代表夯錘質量， g 代表重力加速度， h 代表夯錘提升高度， C_d 代表土壤密實度因子， C_f 代表夯實頻率因子， d_a 代表沉陷深度， D 代表處理深度， K_a 代表土壤剪切模量， K₀ 代表土壤靜止壓力系數。本項目中，工作人員從地質勘查中獲取土壤的物理性質、沉陷深度、夯錘的質量和提升高度等數據，利用上述參數計算夯錘的理論能量。通過實驗分析的方式確定土壤密實度因子以及夯實頻率因子，將所有已知數據代入公式，計算出所需的夯實能量，詳見表1。

在確認施工團隊具備堅實的技術能力之后，施工人員開始著手進行場地的準備工作，仔細檢查施工區域，確保地面平整，沒有高低不平的地方，以便于后續施工的順利進行。同時，他們還徹底清理了場地上的各種雜物，例如樹根、石塊以及其他可能影響施工的障礙物。此外，施工人員還在施工區域內設置了明顯的交通標志、安全警告標識，以提醒所有施工人員、設備操作人員注意安全，避免發生意外事故。

3.2 施工設備與材料

強夯機是一種專門用于產生高能量沖擊的重型機械設備。在進行強夯作業時，必須選擇與工程要求相匹配的夯錘。強夯機的夯錘質量以及提升高度必須滿足設計規范，以確保能夠達到所需的夯實能量。通常情況下，夯錘的重量范圍在 15～30t 之間，具體選擇時應根據工程的具體需求來決定合適的夯錘重量。在強夯施工開始之前，需要對土壤進行適當的處理，即對土壤進行平整、壓實等預處理措施，以確保夯實作業能夠順利進行。此外，根據土壤的實際情況以及工程要求，有時需要在土壤中添加適量的填料，如砂、碎石等，以進一步優化夯實效果，提高地基的承載能力與穩定性。通過這些細致的準備工作，可以確保強夯作業達到預期的效果，從而為工程的順利進行打下堅實的基礎。

3.3 施工工藝流程

在沉陷區域內，按照 5m 的間隔精確地標定出夯實點，并在這些點上做好明顯的標記。工作人員將夯錘提升至預定的高度，這個高度通常介于 10～20m 。在這些已經標定好的點上進行首次夯實作業。為了確保達到設計要求，每個夯實點需要進行3次夯實。在完成首次夯實作業后，必須仔細檢查夯實效果。如果發現沉降量有所減少，并且土壤的密實度也有所提高，那么就可以進行下一步的夯實作業。如果經過檢查發現還需要進一步夯實，那么就需要調整夯錘的高度，以確保達到更好的夯實效果。按照設計要求，重復進行夯實操作，確保每個點的夯實次數達到3次。在所有夯實作業完成后，對整個施工區域進行初步的平整處理，以消除夯實過程中造成的表面變形、不平整現象，如圖1所示。

置了多個觀測點，以監測沉陷情況（詳見表2）。

強夯法施工完成后，工程團隊繼續在相同觀測點進行監測，以評估沉降改善效果（詳見表3）。

通過詳細分析表2與表3中的數據，可以觀察到，在施工前，各個觀測點的沉降量持續上升，并且在2020年達到了一個峰值。具體來說，施工前的沉降量在各個觀測點呈現出逐漸增加的趨勢，尤其是在2020年，這一數值達到了最大值。然而，在施工后，沉降量顯著減少，最高沉降量降低到了 7cm 。這一結果充分表明，采用強夯法對改善沉降情況具有顯著的效果。進一步分析沉降速率，發現在施工前，特別是在濕度較高的季節，沉降速率有所加快。尤其是在2018—2020年，各個觀測點的沉降幅度顯著增加，顯示出沉降速率在這一時間段內尤為明顯。然而，在施工后，沉降速率明顯減緩，各個觀測點的沉降量增長變得緩慢，整體上保持在一個較低的水平。這進一步證明了強夯法在控制沉降速率方面的有效性。

4.2地基承載力檢測

在黃土地區X高速公路L15— ?L20km 處的路基沉陷問題處理后，為了評估強夯法的效果，工作人員對地基承載力進行詳細檢測以及橫向比較（詳見表4）。

4強夯法施工治理效果評價

4.1 沉降觀測

在強夯法施工作業之前，工程團隊在沉陷區域設

通過比較前后的數據可以發現，L15區域的承載力從 120kPa 增加到 220kPa ，增加了 100kPa ，增幅達到了 83.33% 。同樣，L17區域的承載力從 110kPa 提高到 210kPa ，增加了 100kPa ，增幅為 90.91% 。由此可以得出結論：實施強夯法后，各個區域的地基承載力都顯著提高。這一效果在不同區域之間雖然略有差異，但總體上表現為承載力的增加量在 90～100kPa 增幅在 72%～91% 。這說明強夯法成功地增強了土壤的承載能力，解決了之前因承載力不足導致的沉陷問題。

盡管不同區域的原始承載力有所不同，但強夯法的實施效果相對均勻。所有檢測區域的承載力都有顯著提升，沒有出現某些區域改善效果特別差的情況。這種均勻性說明了強夯法的可靠性。實施強夯法后，不僅承載力提高，而且地基的穩定性得到顯著改善。這對防止未來的沉陷問題、提高道路的平整度都具有重要意義。特別是對于黃土高原地區這樣地質條件特殊的區域，強夯法提供了一種有效的解決方案。

4.3 整體穩定性評價

為全面評價強夯法實施后的項目整體穩定性，工作人員對采用強夯法前后的多個關鍵穩定性指標進行對比分析（詳見表5）。

強夯法實施前，L15— ?L20km 路段的最大沉降量達到了 45cm ，這種嚴重的沉降不僅影響了道路的使用，還可能對行車安全造成威脅。實施強夯法后，最大沉降量顯著降低到 5cm ，減少了 40cm 。這一變化表明，強夯法在加固土壤的過程中有效地提高了路基的穩定性，減少了沉降的程度，從而顯著改善了道路的整體穩定性。平均沉降量由實施前的 15cm 減少至實施后的 2m ，減少了 13cm 。較小的沉降量意味著路基在長期使用過程中更加穩定，減少了對道路結構的損壞。在強夯法實施前，路面平整度為 70mm ，這表明路面存在明顯的不平整情況，影響了行車安全。實施強夯法后，路面平整度改善至 10mm ，改善幅度達到60mm 。這表明強夯法不僅有效地減少了沉降，還改善了道路的表面平整度，提高了整體道路的行車體驗。強夯法實施前地基承載力為 115kPa ，而實施后地基承載力增加到 205kPa ，增加了 90kPa 。這說明強夯法有效地提高了地基的承載能力，使得地基能夠更好地支撐道路荷載，減少了由于地基不足導致的沉陷風險。沉降速率從實施前的 2.5cm/ 月降低到實施后的0.1cm/ 月，減少了 2.4cm/ 月。這一變化顯示了強夯法在加固土壤后的長期穩定性顯著提高。

5結論

強夯法作為一種有效的地基加固技術，在解決黃土地區路基沉陷問題方面表現出顯著的成效。通過本次研究，得出以下結論：

1)通過實施強夯法，L15— ?L20km 路段的沉降量大幅減少，這一改善不僅解決了原有的沉陷問題，還有效提高了路基的穩定性以及道路的平整度，確保了高速公路的正常使用。

2)強夯法實施后，地基承載力提升了 90kPa 。這一變化說明強夯法有效增強了土壤的承載能力，使得地基能夠更好地支撐道路荷載，從而減少了沉陷的風險。

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