含水量變化對濕陷性黃土地基處理的影響

張衛(wèi)華

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原030012）

0 引言

黃土是第四紀(jì)堆積的以粉土顆粒為主、富含碳酸鹽、具有大孔性、黃色的土狀沉積物。濕陷性黃土是在其自重壓力或自重壓力和附加壓力作用下受水浸濕后，土體結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉的黃土。“顯著附加下沉”是指受水浸濕后的黃土在壓力作用下，發(fā)生了較大的變形，這種變形一般情況下遠(yuǎn)大于它本身的正常壓密或塑性變形。黃土的這種濕陷性對公路工程危害嚴(yán)重，處治措施不當(dāng)會引起地基濕陷、路基沉陷等工程病害。

濕陷性黃土四大物理性質(zhì)指標(biāo)（含水量、容重、比重、空隙比）和三個(gè)狀態(tài)指標(biāo)（液限、塑限、塑性指數(shù)）中，含水量與濕陷性關(guān)系最為密切。

1 濕陷變形與天然含水量的關(guān)系

濕陷變形是在充分浸水飽和的情況下產(chǎn)生的，它的大小除了與土本身密度和結(jié)構(gòu)性有關(guān)外，主要取決于土的初始含水量和浸水飽和時(shí)的作用壓力。對一項(xiàng)具體工程而言，浸水飽和時(shí)的作用壓力一般按規(guī)范取值或取接近于工程實(shí)際壓力數(shù)值即可；但初始含水量，即天然含水量受氣候條件或地下水的影響在動態(tài)變化，尤其是干季和雨季變化尤甚，不同階段的取樣會有不同的試驗(yàn)結(jié)果。

1.1 含水量增大對濕陷系數(shù)的影響

有關(guān)資料數(shù)據(jù)顯示，青海西寧和希里溝雨季較干季含水量增加28%～50%，濕陷系數(shù)相應(yīng)降低57.6%～60.0%，數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 濕陷系數(shù)干濕季變化情況

一般情況下，土的含水量越高，濕陷系數(shù)越小。濕陷性黃土的含水量達(dá)到或超過某一極限值時(shí)，不論在多大的濕陷壓力作用下，都不會產(chǎn)生相當(dāng)于濕陷系數(shù)δs≥0.015的濕陷變形，此時(shí)土的濕陷變形將大部或全部轉(zhuǎn)化為壓縮變形，這個(gè)含水量極值即為濕陷極限含水量。如三門峽地區(qū)濕陷性黃土的天然含水量W＞23%、西安地區(qū)W＞24%、蘭州地區(qū)W＞25%時(shí)，通常情況下，其濕陷很輕微或濕陷性就不存在了。

1.2 含水量減少對濕陷系數(shù)的影響

如果濕陷性黃土天然地層長期干旱，則它的濕陷系數(shù)將會增大。如西寧某地天然狀態(tài)的土樣，經(jīng)過干濕循環(huán)處理后，測得的濕陷系數(shù)數(shù)值增加很多，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過100%，詳見表2。

表2 干濕循環(huán)處理后濕陷系數(shù)的變化

一般情況下，土的含水量越低，濕陷系數(shù)越大。換句話說，含水量不斷降低可使黃土的濕陷性得到部分恢復(fù)或全部恢復(fù)。

1.3 含水量對總變形的影響

有關(guān)資料顯示，隨著天然含水量的增加，黃土的濕陷變形減小，而壓縮變形增大；隨著天然含水量的減小，黃土的濕陷變形增大，而壓縮變形減小。土的總變形值在同一壓力下似乎基本不變，即天然含水量變化對總變形基本無影響。這還有待更多的數(shù)據(jù)驗(yàn)證。

2 工程實(shí)例

祁臨高速公路臨汾市北環(huán)段項(xiàng)目全長19.255km，采用四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)速度為100 km/h，路基寬度為26m。

2.1 勘察階段成果

項(xiàng)目于2009年5月初展開地質(zhì)勘察。

2.1.1 地形、地貌

項(xiàng)目位于臨汾斷陷盆地北部，最低點(diǎn)在汾河河谷，海拔為435m；最高點(diǎn)在起點(diǎn)處，海拔為540m，相對高差為105m。地形形態(tài)為平原區(qū)。

濕陷性黃土路段分布于汾河?xùn)|、西兩岸的Ⅱ級階地，地勢較開闊，地形略有起伏，有少量黃土沖溝發(fā)育，具體樁號段落為K0+000～K5+440及K14+600～AK19+265。

2.1.2 地表水系

項(xiàng)目區(qū)水系屬黃河流域汾河水系。路線分別在K11+559和K14+122跨越汾河和大洪峪澗河。汾河是黃河的第二大支流，是山西省最大的河流，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)年平均流量為43.9m3/s，最大洪峰流量為2 800m3/s。大洪峪澗河屬汾河水系，是汾河一級支流，水量主要受大氣降水影響，汛期流量較大，干旱季節(jié)河道中無水，屬季節(jié)性河流。

2.1.3 降水氣象

項(xiàng)目區(qū)屬暖溫帶大陸性季風(fēng)氣候區(qū)，具有春季干燥、多風(fēng)；夏季炎熱、雨量集中；秋季涼爽濕潤，秋雨多于春雨；冬季寒冷干燥，雨雪偏少的氣候特征。

區(qū)內(nèi)全年降水主要集中在7、8、9三個(gè)月，尤以7月最多。降水量、蒸發(fā)量、日照特征見表3。

表3 項(xiàng)目區(qū)降水量、蒸發(fā)量、日照表

2.1.4 黃土路段地質(zhì)條件及評價(jià)

（1） K0+000～K5+440段

地層巖性以Q3粉土與粉質(zhì)黏土為主，局部夾碎石土、砂土透鏡體，地下水埋藏較深，一般大于9.0m，地面以下3.0～10.0m 堅(jiān)硬粉質(zhì)黏土、稍密粉土具Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷，以下地層以可塑粉質(zhì)黏土及濕粉土為主?？傮w評價(jià)，地基穩(wěn)定性較差，路基段應(yīng)對濕陷性黃土進(jìn)行地基處理。

（2）K14+600～K19+265段

地層巖性以Q4、Q3粉土、粉質(zhì)黏土與碎石土互層為主，表層為4.0～8.0m 粉土、粉質(zhì)黏土具Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷，地下水埋藏較深，一般在鉆探深度（15m）內(nèi)未見。總體評價(jià)，地基穩(wěn)定性稍差，路基段應(yīng)對濕陷性黃土進(jìn)行地基處理。

2.1.5 濕陷性黃土的指標(biāo)

勘察階段項(xiàng)目沿線濕陷性黃土的物理力學(xué)指標(biāo)見表4。

表4 勘察階段濕陷性黃土物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

2.2 初步設(shè)計(jì)階段處治措施

勘察成果揭示，需對K0+000～K5+440、K14+600～K19+265 兩段Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷性黃土地基進(jìn)行處治。兩段路基平均填高分別為3.5m 和4.0m。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2004）確定了以下處治方案：填方區(qū)地基采用沖擊碾壓或重錘夯實(shí)處理；挖方區(qū)開挖到路床后，如仍存在濕陷性土層，則先沖擊碾壓，后回填30cm 厚的6%石灰土。方案主要以消除或部分消除地基濕陷量為考慮。

2.3 施工圖設(shè)計(jì)階段處治措施

項(xiàng)目于2009 年8 月初開始施工圖勘察設(shè)計(jì)，經(jīng)歷6、7 月的雨季，上述兩路段的濕陷性黃土地表含水量普遍增大，達(dá)到了20%～23%。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，該值接近了濕陷極限含水量，即該狀態(tài)下濕陷性黃土的濕陷變形很小，主要為壓縮變形，若采用沖擊碾壓或重錘夯實(shí)處治來消除或部分消除地基濕陷量，地基容易形成“橡皮土”，難以壓實(shí)，初步設(shè)計(jì)方案不再適宜。因此將方案優(yōu)化為：在填方路段路基底部填筑30～50cm 砂礫墊層處理；在低填淺挖及挖方路段路面底面以下?lián)Q填80cm 砂礫墊層。方案主要以滿足地基壓實(shí)度為主，并考慮由壓縮變形引起的地基沉降對工程的影響。

2.4 施工階段處治措施

項(xiàng)目于2009 年10 月初開工建設(shè)，經(jīng)歷6、7、8月的雨季，上述兩路段地表含水量達(dá)到了22%～25%，按照施工圖設(shè)計(jì)方案處治地基，大部分路段可滿足規(guī)范要求，局部路段不能滿足要求的，將原設(shè)計(jì)方案的砂礫墊層加厚20～30cm 后可滿足規(guī)范要求。

3 根據(jù)含水量變化進(jìn)行動態(tài)勘察設(shè)計(jì)

由第1部分可知，黃土的濕陷性不是一成不變的，會隨著天然含水量的變化而變化。天然含水量增大，可使土的濕陷量減小或消失；天然含水量減小，可使土的濕陷量增大或恢復(fù)。當(dāng)黃土的含水量大于濕陷極限含水量時(shí)，黃土的濕陷變形已全部轉(zhuǎn)化為壓縮變形，即黃土由濕陷性黃土轉(zhuǎn)化為了非濕陷性黃土；當(dāng)含水量減小，小于濕陷極限含水量時(shí)，黃土的濕陷變形又會恢復(fù)或部分恢復(fù)，即黃土由非濕陷性黃土轉(zhuǎn)化為了濕陷性黃土。

第2部分工程實(shí)例中，地基土含水量接近濕陷極限含水量，勘察期間為干季，取樣含水量低，試驗(yàn)確定的濕陷系數(shù)偏高。經(jīng)歷6、7、8 月的雨季，施工期間的地基含水量普遍增大約5%，濕陷系數(shù)有所降低。因此，對路基基底的處理措施也隨之進(jìn)行了優(yōu)化調(diào)整，即由以處理濕陷變形為主的方案調(diào)整為以處理壓縮變形為主的方案。反之，勘察期間如為雨季，取樣含水量高，試驗(yàn)確定的濕陷等級和承載力可能會偏低，確定具體方案時(shí)同樣應(yīng)隨含水量變化而調(diào)整。

由此可見，含水量的變化對黃土濕陷性影響明顯，對地基處治措施影響較大。而含水量受地下水埋藏、地表水、季節(jié)性降水滲入等影響而變化。一般情況下，勘察設(shè)計(jì)與施工間存在一定的時(shí)間差，勘察設(shè)計(jì)階段的地基土含水量等地質(zhì)條件未必與施工時(shí)的一致。這就需要在設(shè)計(jì)階段確定方案時(shí)，采取動態(tài)分析的觀點(diǎn)，綜合考慮，選用適宜可行的地基處治方案。

4 應(yīng)對措施建議

（1）在初步勘察階段，應(yīng)查明場地內(nèi)各土層的物理力學(xué)性質(zhì)、場地濕陷類型、地基濕陷等級及分布，并預(yù)估干濕季或地下水位變化對地基土的影響。在干濕季或地下水變化幅度大的地段，應(yīng)從初步勘察階段開始進(jìn)行地基土含水量的動態(tài)觀測。

（2）設(shè)計(jì)階段應(yīng)根據(jù)勘察成果預(yù)估施工期的地基土性質(zhì)的情況，確定適宜的地基處治方案；地基施工前，應(yīng)再次取樣試驗(yàn)與勘察階段成果比對，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的適宜性或及時(shí)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

（3）一般情況下，當(dāng)濕陷性黃土地基含水量小于20%時(shí)，可根據(jù)濕陷厚度、濕陷等級及公路構(gòu)造部位對地基變形的不同要求選用強(qiáng)夯、重夯、沖擊碾壓、灰土擠密樁等方案處治地基；當(dāng)濕陷性黃土地基含水量大于20%時(shí)，黃土濕陷比較輕微，可根據(jù)濕陷厚度及公路構(gòu)造部位對地基變形的不同要求選用土（素土、灰土或砂礫）墊層、換土回填或強(qiáng)夯置換的方案處治地基，通常墊層的壓實(shí)度能達(dá)到94%以上。

（4）黃土天然含水量接近濕陷極限含水量時(shí)，即使仍評價(jià)為濕陷性黃土，一般也不宜采用規(guī)范中的沖擊碾壓、重夯或強(qiáng)夯的方案來消除地基濕陷，宜采用能滿足規(guī)范壓實(shí)度的壓實(shí)方案，并考慮由壓縮變形引起的地基沉降對工程的影響。

[1] 工程地質(zhì)手冊編委會.工程地質(zhì)手冊[M].4版.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007.

[2] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[3] 鄭晏武. 中國黃土的濕陷性[M]. 北京：地質(zhì)出版社，1982.