濕陷性黃土地區(qū)高速公路路基處治技術(shù)分析

曹格濤

（中交第四公路工程局有限公司，北京 100022）

與其他路基填筑材料比較，黃土這種路基填筑材料的厚度較大，垂直節(jié)理較為豐富，是一種較為常見的非飽和欠壓密土，其在大荷載作用下極易被壓碎，進(jìn)而引發(fā)結(jié)構(gòu)重組的情況，若在此過程中遭到水的浸濕，其強(qiáng)度就會大大下降，并會發(fā)生較為嚴(yán)重的濕陷沉降。要想有效解決這一問題，就要對黃土路基實(shí)施高質(zhì)量的壓實(shí)作業(yè)，以此來增強(qiáng)公路路基的穩(wěn)定性與實(shí)際強(qiáng)度，從而有效消除黃土的濕陷性，大大提升濕陷性黃土地區(qū)高速公路的路基質(zhì)量。

1 工程概況

此次研究以處于黃土丘陵地區(qū)的某高速公路段的路基處治施工項(xiàng)目為例。該工程整體海拔在800～880m，路段整體的地形起伏較大，且溝壑縱橫。其中，K4+000～K4+360 試驗(yàn)段本身就是自重濕陷性場地，其路堤填方的整體高度約17m，地下水埋深度在25～28m。施工計劃初步擬定利用振動碾壓與重錘補(bǔ)夯相結(jié)合的綜合壓實(shí)方法進(jìn)行施工。

2 濕陷性黃土地區(qū)路基處治技術(shù)

2.1 原材料性狀

一般情況下，黃土具體指的是長期遭受風(fēng)力剝蝕與搬運(yùn)而形成的一種原生的粉土堆積物，其厚度較大，大部分呈現(xiàn)出淡黃色與黃色，具體性狀如下：（1）濕陷性。黃土遭受水的浸濕后，其強(qiáng)度會明顯下降，因此就極易引起較為嚴(yán)重的路基沉降變形。（2）成分。與其他土質(zhì)相比，黃土的成分組成相對較為單一，且大部分為粉土，粉土顆粒含量為50%～70%。其中，粗粉土顆粒占總重的40%。黃土的重要礦物成分主要有兩種：一種是碎屑礦物，另外一種是黏土礦物。這兩種物質(zhì)均具備較強(qiáng)的收縮性、吸附性與膨脹性等特點(diǎn)，是導(dǎo)致黃土濕陷性的主要原因之一。（3）孔隙率。黃土具有較高的孔隙率，其大部分情況下可以達(dá)到33%以上，且管狀孔隙相對來說較為發(fā)達(dá)，可以達(dá)到0.5～1cm。這也是導(dǎo)致黃土濕陷性的另外一個重要原因。（4）節(jié)理。黃土具備較為豐富的垂直節(jié)理，卻沒有形成真正意義上的層理。黃土的垂直節(jié)理是在其自身孔隙與自身重力共同作用下形成的，因此其縱向剖面粒徑的變化并不突出，且不會自己形成較為明顯的分層。（5）含水量。對于黃土來說，其含水量的大小對于其自身的壓實(shí)特性有著十分明顯的影響，具體表現(xiàn)為干密度會隨著含水量的增加而呈現(xiàn)出先增大后減小的變化規(guī)律。此次研究中，通過試驗(yàn)測定可知，試驗(yàn)路段的黃土最大含濕量為Wop=12.994%，最大干密度為ρdmax=1.704g/cm3。

2.2 壓實(shí)原理

（1）振動壓實(shí)。黃土在受激振力的作用下，會在水平與豎直這兩個不同的方向上發(fā)生強(qiáng)烈的振動。在振動過程中，土顆粒間就會產(chǎn)生不同程度的擠壓與滑移，黃土孔隙中的水分與空氣就會被擠出，孔隙會明顯縮小。此時，顆粒就會重新進(jìn)行排列，排列方式就會更加的緊湊。另外，在具體振動過程中，土顆粒表面會產(chǎn)生一種較薄的水膜，由于其可以明顯減少顆粒之間的摩擦，因此可以在短時間內(nèi)增強(qiáng)土體的密實(shí)度。（2）重錘補(bǔ)夯。重錘補(bǔ)夯主要是利用高度自由降落對局部地面造成的強(qiáng)大沖擊力來壓實(shí)土體的。在這一過程中，沖擊能量可以通過波的形式在土體中快速的傳播，這會在一定程度上破壞夯點(diǎn)周圍土體原有的結(jié)構(gòu)，從而導(dǎo)致土體的孔隙率快速下降，顆粒之間進(jìn)一步靠攏，此時土體的強(qiáng)度、密度以及穩(wěn)定性均可得到有效的增強(qiáng)。

2.3 路基處治技術(shù)

（1）施工準(zhǔn)備。首先，在設(shè)計路線上明確確定出相關(guān)位置樁，例如路基中線樁、邊溝、路堤坡腳以及護(hù)坡道棄土堆等；其次，應(yīng)用全站儀與水準(zhǔn)儀來對其具體的位置進(jìn)行復(fù)測，并準(zhǔn)確制定出路基的填筑輪廓；最后，在正式施工作業(yè)前，施工人員要科學(xué)測算地基的承載力與路基的穩(wěn)定性，進(jìn)行驗(yàn)算，驗(yàn)算合格后再實(shí)施相應(yīng)的路基填筑作業(yè)。（2）地基處理。針對地基表面0.3m 以內(nèi)的積水、淤泥以及樹根要進(jìn)行徹底清理，翻松土體。同時要超挖2m，利用重錘來對超挖后的地基表面實(shí)施夯實(shí)，將夯擊能嚴(yán)格控制在500kN·m，明確具體的處理深度≥1.0m。另外，地基表面夯實(shí)后，要在其上面鋪筑一層厚度為1.0m 的6%灰土，再利用靜力壓路機(jī)實(shí)施壓實(shí)作業(yè)，以此來徹底消除黃土地基的濕陷性。（3）填料填筑。將填料運(yùn)送到施工現(xiàn)場之前，現(xiàn)場施工人員要對其含水量進(jìn)行整體的監(jiān)測，確保含水量可以達(dá)到±2%左右。在這一環(huán)節(jié)當(dāng)中，若含水量太低就要加入適量的水進(jìn)行潤濕，若太高則要實(shí)施相應(yīng)的翻曬處理。在填料進(jìn)場過程中，要從地基的最低處開始，并應(yīng)用分層填筑以及平行攤鋪的方式來對黃土路基實(shí)施填筑施工。此外，攤鋪的寬度要適當(dāng)寬于設(shè)計路堤的寬度，松鋪厚度也應(yīng)該要合理控制在100～300mm。在填筑期間，每一層均要實(shí)施振動壓實(shí)，待壓實(shí)后，土體的壓實(shí)度＞96%才可以填筑上一層。填筑完畢后，現(xiàn)場施工人員要通過機(jī)械與人工相結(jié)合的方法來整平。（4）填料壓實(shí)。此次研究應(yīng)用型號為YZ18 的振動壓路機(jī)對濕陷性黃土路基實(shí)施分層的壓實(shí)作業(yè)。在壓實(shí)作業(yè)期間，工作人員要合理控制振動壓路機(jī)的碾壓速度，最佳速度應(yīng)該為4km/h 左右[1]。每壓實(shí)3.0m 就要重新利用重錘補(bǔ)夯一次，一次要分成三次來完成。研究中夯點(diǎn)的布置與次序具體如圖1 所示。

圖1 重錘補(bǔ)夯夯點(diǎn)布置圖

3 質(zhì)量檢測

3.1 壓實(shí)度檢測

為了探究不同壓實(shí)方式的壓實(shí)效果，文章分別對K4+000～K4+360 試驗(yàn)段路基，經(jīng)不同壓實(shí)方法的壓實(shí)度進(jìn)行了全面的檢測，具體檢測數(shù)值如表1 所示。

表1 壓實(shí)度檢測結(jié)果 單位：%

通過分析與對比表1 中的相關(guān)數(shù)據(jù)可知，重錘補(bǔ)夯可以有效提高濕陷性黃土路基的壓實(shí)度。經(jīng)振動壓實(shí)后濕陷性黃土路基，其壓實(shí)度為92.2%，并沒有達(dá)到濕陷性黃土壓實(shí)度96%的這一硬性要求[2]。應(yīng)用重錘補(bǔ)夯后的濕陷性黃土路基，各個檢測點(diǎn)的壓實(shí)度均已經(jīng)超過了97%左右，且均值達(dá)到了97.6%，十分符合濕陷性黃土路基施工的要求。由此可以進(jìn)一步證明，使用單一的振動壓實(shí)是無法達(dá)到濕陷性黃土填筑路基的相關(guān)施工要求的，因此要選擇振動壓實(shí)與重錘補(bǔ)夯相結(jié)合的綜合壓實(shí)方法來有效提升路基整體的壓實(shí)度，滿足濕陷性黃土路基施工的相關(guān)要求。

3.2 沉降觀測

本次研究中對實(shí)施黃土填筑路基一年后的沉降進(jìn)行了詳細(xì)的觀測與數(shù)據(jù)分析，并在此基礎(chǔ)上精準(zhǔn)的繪制了曲線圖，如圖2 所示。

根據(jù)圖2 可知，路基沉降的程度會隨著時間的推移而不斷增大，且沉降速率呈現(xiàn)出先增后減的規(guī)律趨勢。在120d 后，由于與公路相關(guān)的多種配套設(shè)施的建設(shè)基本完成，且車流量在持續(xù)的增加，因此公路路基的沉降速度也顯示出較為明顯的加快趨勢。在240d 后，公路路基相對來說已經(jīng)達(dá)到了較為穩(wěn)定的狀態(tài)，此時再進(jìn)行振動壓實(shí)與重錘補(bǔ)夯這一種綜合壓實(shí)作業(yè)，就可以進(jìn)一步提高路基的穩(wěn)定性，促使公路路基早日達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。

圖2 沉降量S 隨時間T 變化曲線

3.3 濕陷系數(shù)

此次研究主要是利用濕陷系數(shù)來對試驗(yàn)段4m 深處的路基土的濕陷性進(jìn)行評價，同時也要準(zhǔn)確的測定出其在50kPa 壓力作用下具體的變形系數(shù)，并將其準(zhǔn)確的換算成濕陷系數(shù)，具體數(shù)值如表2 所示。

表2 路基土濕陷系數(shù)

根據(jù)圖2 數(shù)據(jù)顯示，利用單一的振動壓實(shí)方法，路基土的濕陷系數(shù)在0.0020 左右，其系數(shù)無法滿足我國《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB 50025—2004）中的相關(guān)規(guī)定，即濕陷系數(shù)δs ＜0.0015[3]。由此可證，采用單一的單振動壓實(shí)無法消除黃土的濕陷性。但應(yīng)用重錘補(bǔ)夯方法進(jìn)行壓實(shí)的路基土，其濕陷系數(shù)均＜0.0015。綜上所述，采用綜合性的壓實(shí)方法可以有效消除黃土的濕陷性。

4 結(jié)束語

我國社會經(jīng)濟(jì)發(fā)展的新階段，人們對于交通運(yùn)輸?shù)母咝耘c日常出行的安全性要求也越來越高。在這一背景下，公路施工單位就要充分重視濕陷性黃土地區(qū)高速公路路基處治技術(shù)的應(yīng)用，并根據(jù)濕陷性黃土工程的整體特點(diǎn)，結(jié)合綜合壓實(shí)施工的機(jī)理，通過多種壓實(shí)方法的結(jié)合應(yīng)用來不斷提高路基壓實(shí)的壓實(shí)度，有效縮短黃土路基的穩(wěn)定時間，從而大大增強(qiáng)濕陷性黃土地區(qū)高速公路路基的穩(wěn)定性，進(jìn)一步提高路基的整體質(zhì)量。