濕陷性黃土地區(qū)公路涵洞地基變形特性研究

榮 露，熊治文，孫潤東,梁恒祥

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；3.青海省交通科學(xué)研究院，西寧 810000)

濕陷性黃土地區(qū)公路涵洞地基變形特性研究

榮 露1,2，熊治文2，孫潤東3,梁恒祥2

(1.蘭州交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，蘭州 730070；2.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，蘭州 730000；3.青海省交通科學(xué)研究院，西寧 810000)

黃土的特殊工程性質(zhì)，導(dǎo)致其所在地區(qū)公路涵洞病害時有發(fā)生。為了解決濕陷性黃土地區(qū)不良地基導(dǎo)致的涵洞工后沉降過大的問題，以青海民和—小峽一級公路濕陷性黃土地區(qū)的2座涵洞為例，分別采用灰土換填法和灰土擠密樁法對這2座涵洞地基進行處理，地基處理后對這2座涵洞進行為期1 a的沉降監(jiān)測。結(jié)果表明：采用灰土換填法和灰土擠密樁法1 a累計沉降量分別為25.0 mm和18.2 mm，灰土換填法和灰土擠密樁法都能有效消除涵洞地基因浸水而引起的濕陷變形，較大幅度地提高地基承載力。地基處理1 a后沉降趨于穩(wěn)定，與灰土換填法相比，灰土擠密樁法對降低壓縮變形、提高地基承載力更加有效。研究成果可為濕陷性黃土地區(qū)公路涵洞的設(shè)計施工提供參考。

濕陷性黃土；涵洞；灰土換填法；灰土擠密樁法；變形特性

1 研究背景

涵洞作為公路中橫穿路基的常見構(gòu)筑物，其作用能迅速排除公路沿線的地表水，保障路基的安全穩(wěn)定，同時可供人或車輛安全通過。據(jù)有關(guān)資料介紹：無論是在工程數(shù)量上還是工程造價上，涵洞在公路工程中都占有相當(dāng)?shù)膬?yōu)勢。早期在濕陷性黃土地區(qū)修建的涵洞，由于所處地形地貌、地質(zhì)條件復(fù)雜，濕陷性黃土物理力學(xué)性質(zhì)特殊，使得涵洞成為公路工程中病害發(fā)生最多的構(gòu)造物之一，嚴(yán)重影響公路正常運營[1-2]。

造成涵洞工程病害的原因比較復(fù)雜，但主要還是歸咎于涵洞的計算與設(shè)計理論不夠完善和施工方法不當(dāng)?shù)仍颉Ｌ貏e是在濕陷性黃土地區(qū)修建的高等級公路，60%～70%的涵洞存在病害，其中20%～30%的涵洞病害與地基處理不當(dāng)有關(guān)。因此，濕陷性黃土地區(qū)涵洞的地基處理尤為重要，地基的合理處理將會有效控制地基變形、大大減少涵洞病害的發(fā)生，從而保障公路正常運營。

為確保濕陷性黃土地區(qū)涵洞工程質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者開展了大量研究工作，取得了頗多的成果。Forrestal等[3]基于連續(xù)介質(zhì)力學(xué)理論，研究了處于彈性連續(xù)介質(zhì)中的管涵，提出了涵洞的屈服壓力計算公式。李永剛等[4]基于力的平衡和變形協(xié)調(diào)關(guān)系，計算了上埋式鋼筋混凝土涵洞頂部垂直土壓力，討論了各因素對洞頂土壓力的影響。劉保健等[5]研究了上埋式公路涵洞地基與基礎(chǔ)設(shè)計，認(rèn)為進行公路涵洞地基與基礎(chǔ)設(shè)計不能簡單套用基底壓力小于地基承載力的原有原則，建議采用顧安全公式計算涵洞上部土壓力。楊天亮等[6]將高能級強夯法應(yīng)用于濕陷性黃土地基處理，經(jīng)試驗檢測其加固效果較好。姚裕春等[7]針對不同層厚濕陷性黃土研究了水泥土擠密樁、CFG樁等處理濕陷性黃土地基的適應(yīng)性和效果。黃雪峰等[8-10]根據(jù)不同的自重濕陷性黃土層厚度，提出了相應(yīng)的地基處理深度和剩余濕陷量控制標(biāo)準(zhǔn)。李彥武[11]認(rèn)為地基土壓縮變形和濕陷變形是涵洞基礎(chǔ)下沉的原因，并提出路基涵洞設(shè)計應(yīng)考慮溯源侵蝕問題。戴鐵丁[12]通過對數(shù)個省份的代表性高等級公路涵洞病害進行調(diào)查，分析了涵洞病害產(chǎn)生的5個主要原因，并提出采用套襯補強及裂縫嵌補等技術(shù)來治理涵洞病害。劉曉曦等[13]通過現(xiàn)場監(jiān)測和有限元數(shù)值模擬，認(rèn)為涵洞基礎(chǔ)的彈性模量對涵頂沉降的影響最大。目前，針對濕陷性黃土地區(qū)涵洞地基處理的研究較少，濕陷性黃土地區(qū)涵洞病害的防治措施也不盡完善。

鑒于濕陷性黃土的復(fù)雜性和現(xiàn)有設(shè)計規(guī)范的局限性，以及對工程建設(shè)可靠性、經(jīng)濟性的不斷追求，本文以青海民和—小峽一級公路濕陷性黃土地區(qū)的2座涵洞為例，探討濕陷性黃土地區(qū)公路涵洞地基變形特性。分別采用地基處理深度為3.0 m的灰土換填法和地基處理深度為6.0 m的灰土擠密樁法對2座涵洞地基進行處理。根據(jù)現(xiàn)場試驗測得的數(shù)據(jù)，分析這2種地基處理方法的實際效果和各自特點，對比處理前后涵洞地基變形特性。研究成果可為濕陷性黃土地區(qū)涵洞的設(shè)計施工提供參考。

表1 灰土換填地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

注：β為因地區(qū)土質(zhì)而異的修正系數(shù)；β0為考慮基底下地基土的受水浸濕可能性和側(cè)向擠出等因素的修正系數(shù)

表2 灰土擠密樁地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

2 工程概況

民和—小峽一級公路位于青海省海東市境內(nèi)，線路全長118.25 km，是青海省東部城市群城際交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，將極大地滿足西寧市和海東市樂都區(qū)之間高強度的交通需求。

在民小公路沿線濕陷性黃土地段選取代表性工點進行涵洞地基濕陷性處理效果現(xiàn)場試驗。對2個試驗工點進行人工開挖探井，開挖深度均穿透濕陷性黃土層，若無法穿透時則保證開挖深度≥25.0 m。對各探井每米取原狀土樣進行室內(nèi)土工試驗，試驗得到2座涵洞場地地基土的含水率、密度、濕陷系數(shù)、修正系數(shù)、濕陷量等物理力學(xué)參數(shù)，如表1和表2所示。

根據(jù)現(xiàn)場試驗結(jié)果可知：灰土換填涵洞地基自重濕陷性黃土層厚度為15.1 m，可計算出總的濕陷量∑Δs=564.5 mm，總的自重濕陷量∑Δzs=387.6 mm。灰土擠密樁涵洞地基自重濕陷性黃土層厚度為9.1 m，計算得到總的濕陷量∑Δs=533.9 mm，總的自重濕陷量∑Δzs=378.7 mm。依據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB 50025—2004)[14]可判定這2座涵洞地基土均為Ⅲ級(嚴(yán)重)自重濕陷性黃土。

灰土換填涵洞和灰土擠密樁涵洞所在試驗工點均為濕陷性黃土場地，地形、地貌相似，地基土均為隴西地區(qū)Q3黃土?；彝翐Q填涵洞基礎(chǔ)寬度3.6 m，長度38.58 m，基礎(chǔ)厚度0.6 m，基礎(chǔ)埋深1.5 m，墻身高2.9 m，厚度0.6 m，蓋板中間部分厚度0.24 m，兩端厚度0.2 m，蓋板上覆土層平均厚度3.06 m，黃土天然重度為16 kN/m3?；彝翑D密樁涵洞的幾何尺寸、周圍土層環(huán)境等工況與灰土換填涵洞一致。

3 涵洞地基處理措施

黃土的濕陷變形具有突變性、非連續(xù)性和不可逆性，在濕陷性黃土場地上修筑的涵洞等構(gòu)筑物因積水入滲而容易產(chǎn)生較大的地基不均勻沉降、結(jié)構(gòu)開裂等病害。同時，由于原有地基強度無法滿足承載力要求，若不經(jīng)過處理將導(dǎo)致涵洞建成后出現(xiàn)沉降量超過安全允許范圍，影響公路的正常使用，繼而危及行車安全。在濕陷性黃土地區(qū)常采用換填墊層法、強夯法、擠密法、化學(xué)法、預(yù)浸水法等對地基進行處理，減小或者消除濕陷性黃土地基的濕陷性,確保構(gòu)筑物的安全使用。結(jié)合不同地基處理方法的適用范圍和經(jīng)濟性，采用灰土換填法和灰土擠密樁法對灰土換填涵洞和灰土擠密樁涵洞進行地基處理。

圖1 不同方法處理的涵洞地基斷面Fig.1 Sectional diagram of culvert foundations treatedby two different methods

按照設(shè)計規(guī)范[15]要求，結(jié)合不同地基處理方法的適用范圍和經(jīng)濟性，采用處理深度為3.0 m的灰土換填法對灰土換填涵洞場地進行地基處理。在深度為3.0 m的地基處理層中，基底面下2.0 m厚度為三七灰土換填墊層，灰土墊層下1.0 m厚度為素土墊層，三七灰土墊層重度取16 kN/m3，素土墊層重度取17 kN/m3。在涵洞兩側(cè)設(shè)有路涵過渡段，過渡段縱向長度為3倍路堤填筑高度，地基處理示意圖如圖1(a)所示。盡管采用處理深度為3.0 m的灰土換填法只是消除基底以下部分黃土的濕陷性，但是在做好涵洞地基防排水措施后，涵洞地基的承載力和沉降變形仍能滿足設(shè)計要求。

對于灰土擠密樁涵洞，采用處理深度為6.0 m的灰土擠密樁法對涵洞地基進行處理?；彝翑D密樁樁徑為0.4 m，樁間距為1.0 m，樁排間距為0.87 m，采用正三角形平面布置。樁頂及涵基底面之間設(shè)置0.5 m厚的三七灰土墊層，灰土墊層重度為16 kN/m3。與涵洞兩側(cè)相連的部分設(shè)置過渡段，過渡段縱向長度為3倍(3h)路堤填筑高度，地基處理示意圖如圖1(b)所示?；彝翑D密樁法處理深度約為灰土換填法處理深度的2倍，也只是消除基底以下部分黃土的濕陷性，通過做好涵洞地基防排水措施，涵洞地基的承載力和沉降變形能滿足設(shè)計要求。

4 涵洞復(fù)合地基變形特性分析

4.1 復(fù)合地基沉降量計算

圖2 涵洞地基沉降計算示意圖Fig.2 Schematic diagram for the calculationof culvert foundation settlement

4.2 復(fù)合地基濕陷性和壓縮性變化特征

濕陷性黃土的濕陷系數(shù)和彈性模量是表征土體濕陷變形特征的重要指標(biāo)。對經(jīng)過地基處理后的灰土換填涵洞和灰土擠密樁涵洞的地基分別進行地質(zhì)勘察，取樣深度的起點為復(fù)合地基的頂面，得到地基處理前后地基土的濕陷系數(shù)、壓縮模量變化曲線如圖3和圖4所示。

圖3 涵洞地基土濕陷系數(shù)變化曲線

圖4 涵洞地基土壓縮模量變化曲線Fig.4 Curves of compression modulus ofculvert foundation soil

從圖3可以看出，采用灰土換填法和灰土擠密樁法對涵洞地基進行處理后，涵洞地基土的濕陷系數(shù)顯著減小。灰土換填法和灰土擠密樁法的處理效果不同。采用灰土換填法時，在5.1 m深度范圍內(nèi)，地基土體的濕陷系數(shù)從0.031～0.053減小到0.009～0.019。在灰土換填涵洞3.0 m地基處理深度范圍內(nèi)，地基土體的濕陷性被消除，在3.0～5.1 m深度處，地基土體的濕陷性基本被消除。采用灰土擠密樁法時，在6.0 m地基處理深度范圍內(nèi)，地基土體的濕陷系數(shù)從0.042～0.064減小到0.003～0.014，表明灰土擠密樁涵洞地基6.0 m深度范圍內(nèi)土體的濕陷性被消除。相比于灰土換填法，灰土擠密樁法對涵洞地基土濕陷性的減弱效果更加明顯。

從圖4可以看出，灰土換填法和灰土擠密樁法對涵洞地基進行處理后，涵洞地基土的壓縮模量明顯增大。采用灰土換填法后，在5.1 m深度范圍內(nèi)，地基土體的壓縮模量從10.54～15.82 MPa增大到11.78～20.42 MPa。在灰土換填涵洞3.0 m地基處理深度范圍內(nèi)，地基土體的壓縮模量增大較多(約為43.0%)，在3.0～5.1 m深度處，地基土體的壓縮模量增大較少(約為7.7%)。采用灰土擠密樁法時，在6.0 m地基處理深度范圍內(nèi)，地基土體壓縮模量的平均值由10.90 MPa增大到17.90 MPa，壓縮模量的平均值增長64.2%。相對于灰土換填法，灰土擠密樁法對涵洞地基土壓縮模量的提高作用更加顯著。

圖5 涵洞斷面變形觀測標(biāo)布設(shè)Fig.5 Arrangement ofdeformation observation pointsof culvert section

圖6 地基處理后累計沉降量變化曲線Fig.6 Curves of accumulativesettlement of compositefoundation after treatment

4.3 復(fù)合地基沉降變形監(jiān)測及分析

涵洞修筑完成后，在垂直涵洞方向的進出口斷面、涵洞中心斷面的內(nèi)部邊墻底部分別布設(shè)2個變形觀測標(biāo)，用以監(jiān)測涵洞復(fù)合地基沉降，見圖5。分別對2座涵洞進行為期1 a的沉降監(jiān)測，將每座涵洞3個觀測斷面得到的6組沉降數(shù)據(jù)取平均值，得到涵洞復(fù)合地基累計沉降量變化見圖6。

由圖6可知，隨著時間的推移，采用不同地基處理方法的2座涵洞的地基累計沉降量均呈現(xiàn)出先快速增大，后緩慢增大，最后趨于平緩穩(wěn)定的變化趨勢?；诤磸?fù)合地基累計沉降量隨時間變化曲線可以擬合得到2座涵洞累計沉降量隨時間變化回歸公式分別為u=1/[0.091 5(1/t)+0.032]和u=1/[0.097 5(1/t)+0.043]，計算得出灰土換填涵洞復(fù)合地基的最終累計沉降量和灰土擠密樁涵洞復(fù)合地基的最終累計沉降量分別為31.3mm和23.3mm。

經(jīng)過1a的沉降監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，灰土換填涵洞復(fù)合地基的累計沉降量為25.0mm，完成最終累計沉降量的79.9%；灰土擠密樁涵洞復(fù)合地基的累計沉降量為18.2mm，完成最終累計沉降量的78.1%。根據(jù)最終累計沉降量完成情況和涵洞復(fù)合地基累計沉降量隨時間變化曲線走勢，可發(fā)現(xiàn)2種復(fù)合地基的沉降變形趨于穩(wěn)定。相對于采用灰土換填法，采用灰土擠密樁法處理的涵洞地基累計沉降量明顯偏小，且累計沉降趨于穩(wěn)定的趨勢更加明顯。2種地基處理方法都能有效控制地基沉降量、減小壓縮變形，顯著提高地基穩(wěn)定性。

5 結(jié) 論

本文以新建青海民和—小峽一級公路工程項目為依托，分別采用地基處理深度為3.0m的灰土換填法和地基處理深度為6.0m的灰土擠密樁法對濕陷性黃土地區(qū)的2座涵洞進行地基處理，并對這2座涵洞進行為期1a的沉降監(jiān)測。對比分析2種地基處理方法的處理效果，得出的結(jié)論如下。

(1) 灰土換填法和灰土擠密樁法作為濕陷性黃土地基處理常用方法，均能有效消除處理深度范圍內(nèi)濕陷性黃土的濕陷性。

(2) 灰土換填法和灰土擠密樁法對涵洞地基進行處理后，涵洞地基土的壓縮模量明顯增大。在灰土換填涵洞3.0m地基處理深度范圍內(nèi)，地基土體的壓縮模量的平均值由14.85MPa增大到20.16MPa，增大約35.8%。在灰土擠密樁涵洞6.0m地基處理深度范圍內(nèi)，地基土體壓縮模量的平均值由10.90MPa增大到17.90MPa，增大約64.2%。

(3) 根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測，灰土換填涵洞和灰土擠密樁涵洞復(fù)合地基的1a累計沉降量分別為25.0mm和18.2mm。通過監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線擬合，計算得出灰土換填涵洞復(fù)合地基的最終累計沉降量和灰土擠密樁涵洞復(fù)合地基的最終累計沉降量分別為31.3mm和23.3mm，這與理論計算值一致。對比發(fā)現(xiàn)2座涵洞復(fù)合地基1a累計沉降量分別完成最終沉降量的79.9%(25.0mm)和78.1%(18.2mm)。

(4) 采用灰土換填法和灰土擠密樁法處理過的涵洞地基累計沉降量均在穩(wěn)定可控的范圍內(nèi)，2種方法均能夠提高涵洞結(jié)構(gòu)的安全性，確保公路的正常運營。相比于灰土換填法，灰土擠密樁法對降低濕陷性黃土壓縮變形，提高地基承載力更加有效。

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(編輯：姜小蘭)

DeformationCharacteristicsofHighwayCulvertFoundationinCollapsibleLoessAreaTreatedbyDifferentMethods

RONG Lu1,2,XIONG Zhi-wen2,SUN Run-dong3, LIANG Heng-xiang2

(1.School of Civil Engineering，Lanzhou Jiaotong University，Lanzhou 730070，China； 2.Northwest Research Institute Co.，Ltd. of China Railway Engineering Corporation，Lanzhou 730000，China； 3.Qinghai Research Institute of Transportation，Xining 810000，China)

Special engineering properties of loess often lead to hazards of highway culvert in the loess area. In order

to address the problem of post-construction settlement of highway culvert caused by poor foundation in collapsible loess area, we treated the foundations of two highway culverts on collapsible loess area of the highway from Minhe to Xiaoxia in Qinghai province as a case study by replacing loess with lime-soil (hereinafter referred to as replacement method) and by filling lime-soil into boreholes for compaction (hereinafter referred to as compaction method), respectively, and monitored the settlements of the treated culverts for one year. Results revealed that the accumulative total settlements of culvert treated by the two methods were 25.0 mm and 18.2 mm, respectively. Both the methods could effectively eliminate the collapsibility deformation of highway culvert caused by water immersion and remarkably improve the bearing capacity of foundation. Foundation settlements became stable in a year after the foundation treatment. The compaction method is more efficient in eliminating deformation and improving bearing capacity than replacement method. The research result serves as a reference for the design and construction of highway culvert in collapsible loess area.

collapsible loess；culvert；lime-soil replacement method；lime-soil compaction pile method；deformation characteristics

2016-07-04 ；

2016-08-21

青海省交通科技項目(2014-10)

榮 露(1991-),男,湖北麻城人,碩士研究生,主要從事巖土與地下工程研究,(電話)17671656230(電子信箱)publicrong@163.com。

10.11988/ckyyb.20160682

2017,34(6):138-142,154

U449.7

A

1001-5485(2017)06-0138-05