濕陷性黃土路基時空響應特性分析及復合加固措施研究

0 引言

濕陷性黃土是一種特殊的土體，在天然狀態下具有較高的強度，但遇水后會產生顯著沉降，導致工程結構物破壞。在我國西北地區，濕陷性黃土分布廣泛，給公路、鐵路等基礎設施建設帶來了嚴峻挑戰[。近年來，隨著西部大開發戰略的深入推進，濕陷性黃土地區的交通基礎設施建設規模不斷擴大，對濕陷性黃土路基的穩定性和耐久性提出了更高要求。早期的研究主要集中在濕陷性黃土的微觀結構、力學特性及單一加固方法的效果評價上[2]。隨著研究的深入，學者們逐漸認識到濕陷性黃土路基的變形具有明顯的時空效應，單一的加固方法往往難以滿足工程需求。因此，開展濕陷性黃土路基時空響應特性分析及復合加固措施研究具有重要的理論和實踐意義。本文通過現場試驗和理論分析，深入探討濕陷性黃土路基的時空響應特性，并提出有效的復合加固措施。

1濕陷性黃土基本特性

1.1 物理性質

濕陷性黃土通常呈黃色或褐黃色，具有大孔隙、垂直節理發育的特點。其天然含水量較低，一般在 10%～20% 之間，干密度為1. 3～1.6g/cm³ ，孔隙比在0.8～1.2之間。

1.2力學性質

在天然狀態下，濕陷性黃土具有較高的抗壓強度和抗剪強度。然而，當土體遇水后，其強度會顯著降低，壓縮性急劇增大。濕陷系數是評價黃土濕陷性的重要指標，通常大于0.015。

濕陷性黃土的微觀結構以架空孔隙結構為主，顆粒間膠結較弱。這種結構特點使得黃土在遇水后容易發生顆粒重排和結構破壞，導致顯著的濕陷變形。濕陷性黃土的滲透性較強，垂直方向的滲透系數通常大于水平方向。這種各向異性特征使得水分在土體中的遷移和分布呈現明顯的方向性，進而影響濕陷變形的空間分布[3]。

2濕陷性黃土路基時空響應特性分析

2.1工程概況

本研究的工程背景為某濕陷性黃土地區的公路建設項目。該路段全長約 80km ，路基寬度為 26m ，設計時速為 100km/h， 。項目所在區域為典型的濕陷性黃土分布區，年平均降水量為 400～5000mm ，主要集中在7～9月。

工程區域的地質條件復雜，主要為第四紀風積黃土，厚度在 10～30m 之間。黃土層下伏為第三紀紅黏土和砂礫石層。地下水位較深，一般在 20m 以下。根據勘察結果，該區域黃土的濕陷性等級為IⅢ級。現場試驗選取典型的濕陷性黃土路段，設置多個監測斷面，對路基在浸水條件下的變形過程進行長期觀測。

2.2時間響應特性

濕陷性黃土路基時間響應曲線如圖1所示。從圖1可以看出，濕陷性黃土路基在受水浸濕后，其變形隨時間發展呈現明顯的階段性特征。在時間維度上，沉降過程可分為快速沉降、緩慢沉降和穩定3個階段。

圖1濕陷性黃土路基時間響應曲線

快速沉降階段主要發生在浸水初期，沉降速率較大，10d時沉降量達到了 18mm 。因為水分快速入滲導致土體孔隙水壓力急劇上升，有效應力顯著降低，土體結構發生破壞。緩慢沉降階段沉降速率逐漸減小。因為土體內部水分分布趨于均勻，孔隙水壓力變化趨于平緩，土體結構逐漸穩定。最終進入穩定階段，沉降速率趨近于零，沉降量趨于穩定，沉降量穩定在 30mm ，土體內部水分分布和孔隙水壓力達到動態平衡，土體結構基本穩定。

2.3 空間響應特性

濕陷性黃土路基的變形在空間上呈現不均勻性。由于黃土的顆粒組成和分布不均，以及地基處理措施的差異，導致不同位置的變形量存在差異。圖2展示了路基在不同橫向位置上的沉降量分布。

圖2濕陷性黃土路基空間響應分布

從圖2可以明顯看出路基中心區域的沉降量最大，兩側逐漸減小。路基中心區域的沉降量達到 30mm ，中心區域水分入滲量最大，土體濕陷變形最顯著。而兩側邊緣區域的沉降量僅為 10mm ，隨著水分入滲量減少，土體濕陷變形逐漸減弱。這種空間上的不均勻變形反映了濕陷性黃土路基的空間響應特性[4。

3濕陷性黃土路基復合加固措施

3.1化學加固方法

化學加固采用石灰和水泥作為固化劑。石灰能夠與黃土中的黏土礦物發生離子交換和凝硬反應，改善土體的工程性質。水泥則通過水化反應生成膠凝物質，提高土體的強度和抗水性。化學加固法具有施工速度快、加固效果顯著等優點，適用于處理較小面積和較淺層次的濕陷性黃土路基。

3.2擠密樁法

擠密樁法是通過在濕陷性黃土路基中設置一定數量的擠密樁，并通過擠密作用使樁周土體得到密實。擠密樁法可以有效地提高黃土的密實度和承載能力，減少黃土的濕陷變形。同時，擠密樁還能形成復合地基，提高路基的整體穩定性[5]。

3.3 強夯法

強夯法是利用重錘自由下落產生的沖擊能，對濕陷性黃土路基進行強力夯實。通過強夯處理，可以使黃土顆粒重新排列、緊密結合，從而提高黃土的密實度和承載能力。強夯法具有施工簡便、效果顯著等優點，適用于處理較大面積和較深層次的濕陷性黃土路基。

3.4排水法

排水法包括設置橫向和縱向排水溝、鋪設透水性基層等。完善的排水系統能夠及時排除路基內部積水，降低孔隙水壓力，從而減少濕陷發生的可能性。

在實際工程中，往往需要根據具體情況采用多種加固措施相結合的綜合加固方案。例如，可以將墊層法與強夯法相結合，先鋪設墊層以隔離水分，再采用強夯法進行夯實處理；或將擠密樁法與化學加固法相結合，先設置擠密樁以提高黃土的密實度，再采用化學加固法增強黃土的強度和穩定性。

4復合加固措施的效果評價

選取某濕陷性黃土路段作為試驗場地，分別采用單一灰土擠密樁、單一強夯法和復合加固方案進行對比試驗。

4.1灰土擠密樁法效果分析

將樁徑設 0.4～0.6m ，樁間距為2～3倍樁徑，樁長為8～12m 。消石灰與土的體積配比為2：8。先對施工場地進行平整，布置樁位。采用成孔設備成孔，分層回填灰土并夯實，再檢測樁體質量和復合地基承載力。

灰土擠密樁法效果如圖3所示。從圖3可以看出，樁體承載力分布呈現周期性變化，最大值達到 310kPa 最小樁體承載力為 250kPa ，平均樁體承載力為 280kPa 中地基承載力由 120kPa 提高為 200kPa 。由此說明，灰土擠密樁法通過在土體中形成剛性樁體，增加了土體的整體剛度和承載力。灰土擠密樁法通過樁體的側向約束作用和樁端承載作用，提高了土體的抗剪強度和抗變形能力[6]。

4.2強夯法效果分析

將夯擊能設為 1500～3000kN^?m. ，夯點間距設為3～5m ，夯擊次數為每點8～12次，處理深度為 4～8m 。先清理場地，布置夯點。再按設計參數進行夯擊，記錄夯沉量，檢測夯后土體密實度。夯擊次數與夯沉量關系如圖4所示。

圖3樁體承載力分布

圖4夯擊次數和夯沉量關系

圖5加固前后沉降量

由圖4可知，隨著夯擊次數增加，夯沉量逐漸減小。夯擊10次后，夯沉量趨于穩定，表明土體密實度顯著提高。夯擊5次后夯沉量從12cm降至 5cm ，降幅 58% 。夯擊10次后夯沉量從12cm降至 2.5cm ，降幅 79% 。經試驗測得地基承載力由 120kPa 提高為 180kPa.

綜上，強夯法通過高能量沖擊使土體顆粒重新排列，減少孔隙比，提高土體密實度。其通過增加土體的密實度，提高土體的抗剪強度和抗變形能力。

4.3復合加固效果對比

將灰土擠密樁與強夯法結合，形成復合加固方案。先強夯，通過強夯施工消除淺層濕陷性，改善地基整體性能。再布樁，在強夯區域布置灰土擠密樁，進一步增強深層地基強度。然后壓實，對加固后的路基進行回填與壓實，確保施工質量。3種加固方案加固前后沉降量如圖5所示。

由圖5可知，強夯法加固后，最大沉降量從 30mm 降至 18mm 。灰土擠密樁法加固后，最大沉降量從 30mm 降至 15mm 。復合加固后路基沉降量顯著降低，最大沉降量從 30mm 降至 12mm 。經試驗測得地基承載力由120kPa提高為 220kPa 。與傳統的單一加固方法相比，復合加固措施的綜合效果具有顯著優勢。

單一加固方法往往只能從某一方面對路基進行改善，例如單一的強夯法雖能提高土體密實度，但在整體結構協同優化方面略顯不足；而單一的灰土擠密樁法則可能在大范圍的土體密實度提升上效果有限。當強夯法和灰土擠密樁法聯合應用時，二者相互補充、相互促進，形成了一種全方位的加固體系。從整體到局部，從土體內部結構到應力分布狀態，都能得到有效改善和優化，從而實現了路基整體穩定性和抗變形能力的顯著提升，為濕陷性黃土路基的處理提供了一種高效、可靠的解決方案。

5結論

本文分析濕陷性黃土路基的時空響應特性，并提出強夯法與灰土擠密樁法結合的復合加固方案。得到如下結論：

1）濕陷性黃土路基在水分作用下呈現明顯的時空差異性變形特征。在時間維度上，沉降過程可分為快速沉降、緩慢沉降和穩定3個階段。在空間維度上，路基沉降呈現不均勻分布特征，中心區域沉降量最大，達到30mm ；邊緣區域沉降量最小，約為 10mm 。

2）強夯法夯擊10次后，夯沉量可從12cm降至2.5cm ，降幅 79% ，顯著提高了淺層土體的密實度。灰土擠密樁法樁體承載力分布呈現周期性變化，最大值達到 310kPa ，顯著提高了深層土體的承載力，形成了復合地基。兩者結合的復合加固措施可顯著降低路基沉降量。未來研究應進一步優化設計參數，探索新型加固材料的應用，并加強長期監測與維護，以提高加固效果和經濟性。

參考文獻

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