淺談濕陷性黃土路基設(shè)計(jì)與處理措施

王玉娜，陳 敏，李清杰

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院(集團(tuán))有限責(zé)任公司,山東濟(jì)南 250101）

1 概述

我國黃土地區(qū)的總面積占國土面積的6%以上，主要分布在黃河流域及其以北各省。隨著社會(huì)主義建設(shè)的發(fā)展，黃土地區(qū)的公路及市政道路的建設(shè)會(huì)越來越多，對(duì)黃土特別是濕陷性黃土路基的處理技術(shù)的研究也顯得更加重要。

濕陷性是黃土雨水潤濕后突然發(fā)生沉陷的性質(zhì)。濕陷性是黃土特有的工程地質(zhì)性質(zhì)。黃土浸水后會(huì)立刻發(fā)生濕陷，一般在3～30 min內(nèi)的濕陷量即可達(dá)到80%[1]。

2 工程特性

2.1 濕陷性

在天然含水量時(shí)往往具有較高的強(qiáng)度和較小的壓縮性，但在浸水后，在土的自重或外部荷載或二者共同作用下，其結(jié)構(gòu)很快破壞，發(fā)生劇烈變形，強(qiáng)度也隨之迅速降低。

2.2 崩解性

濕陷性黃土大多遇水后迅速崩解，且以塊狀崩解為主，崩解曲線陡立，呈片狀崩解的濕陷性黃土。

2.3 多裂隙性

黃土垂直節(jié)理發(fā)育，垂直方向滲透性強(qiáng)，裂隙發(fā)育。

3 黃土濕陷現(xiàn)象的根本原因

黃土的結(jié)構(gòu)特征及其物質(zhì)組成是黃土產(chǎn)生濕陷的內(nèi)在因素，而水和壓力的作用是產(chǎn)生濕陷的外部條件。

黃土的結(jié)構(gòu)是其形成環(huán)境造成的。在干旱和半干旱的氣候條件下，季節(jié)性的短期降雨把松散的粉粒粘聚起來，而長期的干旱氣候又使土中的水分不斷蒸發(fā)，水中所含的碳酸鈣、硫酸鈣等鹽類逐漸在土粒表面析出，緩慢沉淀而形成膠結(jié)物。隨著含水量的減少，土粒彼此靠近，顆粒間的分子引力以及結(jié)合水和毛細(xì)水的聯(lián)結(jié)力也逐漸加大，這些因素都增強(qiáng)了土粒之間抵抗滑移的能力，阻止了土體的自重壓密，形成了以粗粉粒為主體骨架的多孔隙結(jié)構(gòu)。附于砂粒和粗粉粒表面的細(xì)粉粒和粘粒等膠體，以及大量集合于大顆粒接觸點(diǎn)處的各種可溶鹽和水分子形成膠結(jié)性聯(lián)結(jié)，從而構(gòu)成了礦物顆粒的集合體。周邊有若干顆粒包圍著孔隙，就是肉眼可見的大孔隙。當(dāng)黃土受水浸濕時(shí)，結(jié)合水膜增厚并楔入顆粒之間，于是，結(jié)合水的聯(lián)結(jié)作用消失，鹽類溶于水中，土骨架的強(qiáng)度隨之降低，土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力的共同作用下，其結(jié)構(gòu)迅速破壞，土粒向大孔滑移，粒間孔隙減小，導(dǎo)致大量的附加沉陷迅速產(chǎn)生，這就是黃土濕陷現(xiàn)象的根本原因所在[2]。

4 常用防治措施

濕陷性黃土范圍內(nèi)的路基路面發(fā)生變形、凹陷、開裂，道路邊坡發(fā)生崩塌、剝落，道路內(nèi)部易被水沖蝕成土洞和暗河。產(chǎn)生上述病害的內(nèi)因是黃土所具有的對(duì)工程不利的特性，外因則主要是水。考慮到濕陷性黃土的危害性，當(dāng)前針對(duì)濕陷性黃土的防治及施工的技術(shù)已經(jīng)進(jìn)行了不少研究及實(shí)踐，以下介紹幾種通常的防治措施。

4.1 地基處理

濕陷性黃土路基處理的原理，主要是破壞濕陷性黃土的大孔結(jié)構(gòu)，以便全部或部分消除地基的濕陷性，常用的處理黃土路基濕陷性的方法有以下幾種。

4.1.1 淺層換填

淺層換填法也叫墊層法。墊層法是先將基礎(chǔ)下的濕陷性黃土一部分或全部挖除，然后用素土或灰土分層夯實(shí)做成墊層，以便消除地基的部分或全部濕陷量，并可減小地基的壓縮變形，提高地基承載力，可將其分為局部墊層和整片墊層。當(dāng)僅要求消除基底下1～3 m濕陷性黃土的濕陷量時(shí)，宜采用局部或整片土墊層進(jìn)行處理；當(dāng)同時(shí)要求提高墊層土的承載力或增強(qiáng)水穩(wěn)性時(shí)，宜采用局部或整片灰土墊層進(jìn)行處理。

墊層的設(shè)計(jì)主要包括墊層的厚度、寬度、夯實(shí)后的壓實(shí)系數(shù)和承載力設(shè)計(jì)值的確定等方面。墊層設(shè)計(jì)的原則是既要滿足建筑物對(duì)地基變形及穩(wěn)定的要求，又要符合經(jīng)濟(jì)合理的要求，同時(shí)，還要考慮以下幾方面的問題。

（1）局部土墊層的處理寬度超出基礎(chǔ)底邊的寬度較小，地基處理后，地面水及管道漏水仍可能從墊層側(cè)向滲入下部未處理的濕陷性土層而引起濕陷，因此，設(shè)置局部墊層不考慮防水、隔水作用，地基受水浸濕可能性大及有防滲要求的建筑物不得采用局部土墊層處理地基。

（2）整片墊層的平面處理范圍，每邊超出建筑物外墻基礎(chǔ)外緣的寬度，不應(yīng)小于墊層的厚度，即不應(yīng)小于2 m。

（3）在地下水位不可能上升的自重濕陷性黃土場(chǎng)地，當(dāng)未消除地基的全部濕陷量時(shí)，對(duì)地基受水浸濕可能性大或有嚴(yán)格防水要求的建筑物，采用整片土墊層處理地基較為適宜；地下水位有可能上升的自重濕陷性黃土場(chǎng)地，應(yīng)考慮水位上升后，對(duì)下部未處理的濕陷性土層引起濕陷的可能性。

4.1.2 重錘表層夯實(shí)法

重錘表層夯實(shí)適用于處理飽和度不大于60%的濕陷性黃土地基。一般采用2.5～3.0 t的重錘，落距4.0～4.5 m，可消除基底以下1.2～1.8 m黃土層的濕陷性。在夯實(shí)層的范圍內(nèi)，土的物理、力學(xué)性質(zhì)獲得顯著改善，平均干密度明顯增大，壓縮性降低，濕陷性消除，透水性減弱，承載力提高。非自重濕陷性黃土地基，其濕陷起始?jí)毫^大，當(dāng)用重錘處理部分濕陷性黃土層后，可減少甚至消除黃土地基的濕陷變形。因此在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地采用重錘夯實(shí)的優(yōu)越性較明顯[3]。

4.1.3 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法加固地基機(jī)理一般認(rèn)為，是將一定重量的重錘以一定落距給予地基以沖擊和振動(dòng)，從而達(dá)到增大壓實(shí)度，改善土的振動(dòng)液化條件，消除濕陷性黃土的濕陷性等目的。強(qiáng)夯加固過程是瞬時(shí)對(duì)地基土體施加一個(gè)巨大的沖擊能量，使土體發(fā)生一系列的物理變化，如土體結(jié)構(gòu)的破壞或排水固結(jié)、壓密以及觸變恢復(fù)等過程。其作用結(jié)果是使一定范圍內(nèi)的地基強(qiáng)度提高、孔隙擠密。一般采用100～200 kN重錘、10～20 m落距夯擊濕陷性黃土，可達(dá)到消除4～8 m深度內(nèi)黃土的濕陷，而且還可提高地基承載力。

4.1.4 擠密法

擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基，施工時(shí)，先按設(shè)計(jì)方案在基礎(chǔ)平面位置布置樁孔并成孔，然后將備好的素土（粉質(zhì)黏土或粉土）或灰土在最優(yōu)含水量下分層填入樁孔內(nèi)，并分層夯（搗）實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高止。通過成孔或樁體夯實(shí)過程中的橫向擠壓作用，使樁間土得以擠密，從而形成復(fù)合地基。值得注意的是，不得用粗顆粒的砂、石或其它透水性材料填入樁孔內(nèi)。

灰土擠密樁和土樁地基一般適用于地下水位以上含水量14%～22%的濕陷性黃土、人工黃土和人工填土，處理深度可達(dá)5～10 m。灰土擠密樁是利用錘擊打入或振動(dòng)沉管的方法在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入素土或灰土等填充料，在成孔和夯實(shí)填料的過程中，原來處于樁孔部位的土全部被擠入周圍土體，通過這一擠密過程，從而徹底改變土層的濕陷性質(zhì)并提高其承載力。

4.1.5 樁基法

樁基礎(chǔ)既不是天然地基，也不是人工地基，屬于基礎(chǔ)范疇，是將上部荷載傳遞給樁側(cè)和樁底端以下的土（或巖）層，采用挖、鉆孔等非擠土方法而成的樁，在成孔過程中將土排出孔外，樁孔周圍土的性質(zhì)并無改善。設(shè)置在濕陷性黃土場(chǎng)地上的樁基礎(chǔ)，樁周土受水浸濕后，樁側(cè)阻力大幅度減小，甚至消失，當(dāng)樁周土產(chǎn)生自重濕陷時(shí)，樁側(cè)的正摩阻力迅速轉(zhuǎn)化為負(fù)摩阻力。因此，在濕陷性黃土場(chǎng)地上，不允許采用摩擦型樁，設(shè)計(jì)樁基礎(chǔ)除樁身強(qiáng)度必須滿足要求外，還應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件，采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁（包括端承樁和摩擦端承樁）。其樁底端以下的受力層:在非自重濕陷性黃土場(chǎng)地，必須是壓縮性較低的非濕陷性土（巖）層;在自重濕陷性黃土場(chǎng)地，必須是可靠的持力層。這樣，當(dāng)樁周的土受水浸濕，樁側(cè)的正摩阻力一旦轉(zhuǎn)化為負(fù)摩阻力時(shí)，便可由端承型樁的下部非濕陷性土（巖）層所承受，并可滿足設(shè)計(jì)要求，以保證建筑物的安全與正常使用[4]。

4.2 防排水措施

在一般路段,主要措施是防水,防止路側(cè)積水和積水下滲，所以在路基坡腳外20～30 m范圍內(nèi)要仔細(xì)平整地表，填土和夯實(shí)洼地及裂縫，避免積水。主要的防排水措施如下。

4.2.1 地面排水

加強(qiáng)路基排水，對(duì)地表水應(yīng)采取攔截、分散、防沖、防滲，遠(yuǎn)接遠(yuǎn)送的原則。根據(jù)設(shè)計(jì)及時(shí)做好綜合排水設(shè)施，將水迅速引離路基，在填挖交界處引出的邊溝要盡量遠(yuǎn)離路基坡腳。施工中經(jīng)常出現(xiàn)土邊溝剛剛挖好，一場(chǎng)雨水使邊溝淤塞，邊坡及坡腳發(fā)生水毀，邊溝要及時(shí)砌筑，出口要加固，水最好引入涵洞（或橋下）。

4.2.2 地下排水

地下排水設(shè)施按設(shè)計(jì)要求加固并做好防滲措施。在基底設(shè)置足夠的引水滲溝或支撐滲溝，在路堤上游設(shè)置截水滲溝。對(duì)于路堤基底滲水，利用天然砂礫排除，防止路基病害。

5 工程實(shí)例分析

5.1 工程概況

濟(jì)南西部城區(qū)某沿湖修建的幾條道路，道路總長4.6 km，道路等級(jí)有城市次干路及支路。擬建道路沿線位于山前沖洪積平原上部，在鉆探深度范圍內(nèi)揭露的第四系地層主要為填土、山前沖洪積成因的黃土、黏性土、砂土、碎石土。其中勘區(qū)上部自地表填土之下分布有第②層黃土，呈褐黃色，局部黃褐色，可～硬塑，含白色鈣質(zhì)條紋，具蟲孔。根據(jù)地質(zhì)報(bào)告同時(shí)結(jié)合道路縱斷判斷，路基持力層位于黃土層內(nèi)。根據(jù)濕陷系數(shù)及濕陷起始?jí)毫Γ殚啞豆饭こ痰刭|(zhì)勘察規(guī)范》(JTG C20—2011)，判定黃土為濕陷性黃土，濕陷性黃土場(chǎng)地的濕陷類型為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地。其濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)（輕微濕陷）。

5.2 濕陷性黃土路基采用的處理措施

對(duì)路基范圍內(nèi)的雜填土及表層土應(yīng)挖除，采用素土換填，素土應(yīng)滿足路基填料要求。表層填土挖除后土層多為Ⅰ級(jí)濕陷性黃土（輕微濕陷），為保證路基穩(wěn)定根據(jù)土層厚度對(duì)濕陷性黃土采用強(qiáng)夯處理。強(qiáng)夯的單位夯擊能應(yīng)根據(jù)施工設(shè)備黃土地層的時(shí)代濕陷性黃土層的厚度和要求消除濕陷性黃土層的有效深度等因素確定。一般可取1000～4000 kN·m/m2，夯錘底面宜為圓形，錘底的靜壓力宜為25～60 kPa，應(yīng)先在場(chǎng)地內(nèi)選擇有代表性的地段進(jìn)行試夯或試驗(yàn)性施工。施工時(shí)夯錘的質(zhì)量、落距、夯點(diǎn)布置、夯擊次數(shù)和夯擊遍數(shù)等參數(shù)，宜與試夯選定的相同，施工中應(yīng)有專人監(jiān)測(cè)和記錄。

在強(qiáng)夯施工過程中或施工結(jié)束后，應(yīng)按下列要求對(duì)強(qiáng)夯處理地基的質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)：檢查強(qiáng)夯施工記錄，基坑內(nèi)每個(gè)夯點(diǎn)的累計(jì)夯沉量不得小于試夯時(shí)各夯點(diǎn)平均夯沉量的95%；隔7～10 d，在每500～1000 m2面積內(nèi)的各夯點(diǎn)之間任選一處，自夯擊終止時(shí)的夯面起至其下5～12 m深度內(nèi)，每隔1 m取1～2個(gè)土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)，測(cè)定土的干密度、壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)。

根據(jù)設(shè)計(jì)及施工經(jīng)驗(yàn)，路基采用強(qiáng)夯路基處理后，潮濕及過濕路基統(tǒng)一按中濕類型處理，按路基土干濕類型分述如下。

5.2.1 挖方路段

（1）正常干燥路段：濕陷性黃土地基強(qiáng)夯處理，路基頂面以下30 cm土基采用8%灰土改良處理；

（2）中濕路段：濕陷性黃土地基強(qiáng)夯處理，路基頂面以下30 cm土基采用8%灰土改良處理。

5.2.2 填方路段

（1）正常干燥路段：濕陷性黃土地基強(qiáng)夯處理，路基頂面以下自下而上分別采用滿足設(shè)計(jì)要求的土或改良土回填、30 cm 8%灰土改良處理；

（2）中濕路段：濕陷性黃土地基強(qiáng)夯處理，30 cm 8%灰土墊層，路基頂面以下自下而上分別采用滿足設(shè)計(jì)要求的土或改良土回填、20 cm 8%灰土改良處理。

6 結(jié)語

濕陷性黃土是一種對(duì)于道路及其它構(gòu)造物建設(shè)都會(huì)產(chǎn)生一定程度影響的特殊土質(zhì)，而在實(shí)際施工過程中，其對(duì)工程的巨大破壞力是顯而易見的。然而，就每一個(gè)工程來看，它們都有其自身的特點(diǎn)及建設(shè)條件，只有從影響其物理力學(xué)性質(zhì)變化的內(nèi)在因素和外在因素等多方面加以考慮，通過調(diào)整土的力學(xué)性質(zhì)加以處理，靈活運(yùn)用各種措施手段來做好濕陷性黃土的路基處理才是可行的。

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

[2]裴章勤，劉衛(wèi)東.濕陷性黃土地基處理[M].北京：中國鐵道出版社，1992.

[3]楊盛福.高速公路路基設(shè)計(jì)與施工[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]劉世凱，陸永清，歐湘萍.公路工程地質(zhì)與勘察[M].北京:人民交通出版社,1999.