高速公路濕陷性黃土路基處理措施

陳 文

（中鐵十九局集團第五工程有限公司，遼寧大連 116100）

0 引言

隨著交通事業(yè)的發(fā)展，高速公路作為我國交通網(wǎng)絡(luò)中重要組成部分，人們對其質(zhì)量要求較為嚴格。我國疆土遼闊，路基土組成特性也較復(fù)雜，特別是國家實行西部大開發(fā)后，在高速公路路基建設(shè)中遇到了許多嚴峻挑戰(zhàn)，如濕陷性黃土路基處理。黃土一般在干燥時具有較高強度，遇水后其結(jié)構(gòu)立即遭到破壞，失去原有形態(tài)和牢固性。濕陷性黃土主要指黃土受到氣候條件或雨水影響，并在外部荷載作用或自身重力作用下出現(xiàn)下沉現(xiàn)象[1]。在濕陷性黃土路基上直接修筑高速公路，會出現(xiàn)路基沉陷、路基陷穴及路堤崩塌等破壞。本文依托實際工程，主要對高速公路濕陷性黃土路基進行處理，為日后濕陷性黃土路基施工提供指導(dǎo)意見。

1 濕陷性黃土地質(zhì)特征及破壞原因

1.1 濕陷性黃土

濕陷性黃土屬于黃土的一種，其主要由粉土顆粒組成，成分大多為碳酸鹽，具有較多空隙且表面呈現(xiàn)黃色的松散沉積物。國內(nèi)外學(xué)者試圖將黃土劃分為黃土和黃土狀土兩大類。在工程建設(shè)中，一般將黃土劃分為濕陷性黃土和非濕陷性黃土。濕陷性黃土主要由于黃土在受到地下水浸潤的同時，還受到外部荷載作用，導(dǎo)致其結(jié)構(gòu)迅速發(fā)生破壞并出現(xiàn)顯著下沉的現(xiàn)象。

（1）從宏觀角度分析，濕陷性黃土主要具備以下特征：①外觀主要顏色為黃色，此外還有褐黃、灰黃等顏色；②具有較高的含鹽量，其中以碳酸鹽含量為主，此外，硫酸鹽和氯化物含量也較高；③濕陷性黃土中粉土顆粒含量達到一半以上，并且其松散狀沉積物中含有較多大孔隙。

（2）從微觀角度分析，濕陷性黃土主要由結(jié)構(gòu)單元、膠結(jié)構(gòu)和孔隙等3部分組成。

根據(jù)上述分析得知，粉土構(gòu)成了濕陷性黃土結(jié)構(gòu)，其中粗粉顆粒形成骨架，細粉顆粒、黏土等膠結(jié)物吸附在其表面，特別是集中于大顆粒的接觸點處，并與鹽物質(zhì)反應(yīng)形成的溶液和碳酸鈣、硫酸鈣等物質(zhì)共同形成膠結(jié)，最終構(gòu)成黃土微觀結(jié)構(gòu)。濕陷性黃土的化學(xué)成分主要包含碳酸鹽、中溶鹽和易溶鹽（表1）[2]。研究資料顯示，我國濕陷性黃土的pH值一般在6.0～9.2，當(dāng)酸性值越高時，黃土的濕陷性就越強。

1.2 濕陷性黃土發(fā)生原因

濕陷性黃土產(chǎn)生主要包括物理及化學(xué)反應(yīng)，同時也受到多個因素影響。一方面受到外界壓力和水的浸潤作用，導(dǎo)致其發(fā)生濕陷，另一方面是受黃土物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征影響[3]。

表1 濕陷性黃土主要化學(xué)成分

當(dāng)天氣干燥時，由于黃土沒有足夠的密實度，其水分蒸發(fā)量明顯大于大氣降水量，而造成黃土層結(jié)構(gòu)密實度不足的原因主要是沒有充足的壓力和濕度條件。當(dāng)覆蓋一層土后，土層不能得到充分壓實，導(dǎo)致濕陷性黃土具有較低濕度和較高孔隙率。

1.3 影響因素

黃土顆粒中的粘粒含量、膠結(jié)物等都會對黃土性質(zhì)產(chǎn)生影響，其中鹽類含量是造成黃土濕陷的一個重要原因。當(dāng)黃土中易溶鹽含量較高時會導(dǎo)致黃土濕陷的敏感性增強，同時會出現(xiàn)突發(fā)的沉陷現(xiàn)象。若其中含有較多難溶鹽，則會出現(xiàn)濕陷滯后現(xiàn)象。此外，黃土的濕陷性還與土體中水分含量、天然孔隙比和外部荷載壓力有關(guān)，當(dāng)天然孔隙比小、含水量大時，黃土的濕陷性就越大；當(dāng)孔隙比和含水量保持不變時，外部施加荷載越大會造成黃土濕陷性越強，當(dāng)壓力達到一定數(shù)值后繼續(xù)增加，其濕陷性反而降低。針對新堆積黃土，在小壓力作用下表現(xiàn)出高壓縮性特征。此外，在降雨量較大地區(qū)發(fā)生濕陷性的可能性會更大，同時還受到雨水浸泡時間的影響[4]。

2 工程實踐

2.1 工程概況

某高速公路全長71.58 km，全線設(shè)計采用雙向6車道，設(shè)計時速為100 km。該路線所在區(qū)域?qū)儆诖箨懶约撅L(fēng)氣候，光照充足且四季分明，一年中最低氣溫可達-20 ℃，最高氣溫達到38 ℃。試驗段為K18+250～K20+540段，填土高度為2.4～5.0 m，地貌類型以侵蝕性地貌為主，土質(zhì)為非自重濕陷性黃土，濕陷層厚度1.0～4.3 m。該段路是地區(qū)戰(zhàn)略經(jīng)濟發(fā)展項目區(qū)的重要組成部分，其建設(shè)對地區(qū)經(jīng)濟、商品流通和旅游業(yè)等發(fā)展具有重要意義?，F(xiàn)依據(jù)GB 50025—2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》，對該試驗段濕陷性黃土地基進行處理。

2.2 換填墊層法

換填墊層法適用于濕陷性黃土層厚度不大，可以一次性將軟弱土層全部挖除，然后更換強度或穩(wěn)定性更大的土或無侵蝕材料。研究分析2～3 m的換填厚度經(jīng)濟性最佳，若濕陷性黃土層厚度過大，會導(dǎo)致?lián)Q填法工程量大大增加。

換填墊層法一般可以用來對濕陷性土、膨脹土、素填土等地基進行處理，墊層種類包括砂墊、土墊層、粉煤灰墊層和干渣墊層等，其適用范圍見表2。

換填墊層法可以適用于地下水位上部處理或整片地基處理，具體作用有：①通過整體或局部換填施工，可消除濕陷性黃土的濕陷量；②可有效減小地基土的抗壓縮性和滲水特性；③可降低下臥層頂面的附加應(yīng)力。

2.3 重錘夯實法

重錘夯實法主要將重錘提升至一定高度后自由下落，利用其自身重力對土體進行夯實，采用這種方法可消除濕陷性黃土層厚度約1.5 m。研究顯示，經(jīng)夯實后的土層特性大都向好的方向發(fā)展，其干密度變大，濕陷性也逐漸消除，透水性也大大減弱，降低了土層的壓縮性，同時增強了土體承載力。由于黃土的濕陷性不是自重濕陷引起，因此采用重錘對濕陷性土層進行夯實，可以降低濕陷變形量。因此，若黃土不具有自重濕陷性，選取重錘夯實法是一種很好的地基處理方式。

表2 墊層適用范圍

2.4 強夯法

強夯法也稱作動力固結(jié)法，是將重錘提升至一定高度后，使其在重力作用下自由落體，對地基產(chǎn)生強大的沖擊和振動。針對不同土質(zhì)類型，強夯法加固深度均不同（表3）。

表3 強夯法有效加固深度

強夯法施工周期短、設(shè)備簡單、經(jīng)濟性好且能夠?qū)Χ喾N土質(zhì)類型進行加固，優(yōu)點：①施工機械和方法簡單，可根據(jù)施工現(xiàn)場實際狀況選擇合適的施工設(shè)備；②強夯法加固效果好；③施工工期短且速度快。④有效加固深度大，高能級的單層夯擊范圍可達到11 m，普通能級的單層夯擊處理區(qū)域在5.5～7.5 m。

2.5 擠密法

擠密法主要通過擠密的方法使深層土體達到密實狀態(tài)，進而降低土體孔隙比，增大強度。根據(jù)回填材料不同，可以將擠密法分為渣土樁擠密法、灰土擠密樁法、砂樁擠密法和土擠密樁法，其中砂樁擠密法和土擠密樁法用于濕陷性黃土地基加固。

土擠密樁和灰土擠密樁一般在地基土中設(shè)置一個半徑為14～30 cm的樁孔，并需要向樁中回填素土或灰土。其加固原理一方面是在成孔的同時，樁孔位置的土體從側(cè)面擠出，從而間接使樁孔周圍土體密實，另一方面是樁體中的石灰和土發(fā)生物理和化學(xué)反應(yīng)，形成新的樁體結(jié)構(gòu)并具有較高強度。

3 結(jié)語

高速公路濕陷性黃土路基破壞類型包括路基沉陷、路基陷穴和路堤破壞等。本文在分析濕陷性黃土特性的基礎(chǔ)上，研究其破壞原因及影響因素。依托實際工程，提出幾種濕陷性黃土路基處理技術(shù)，即換填墊層法、重錘夯實法、強夯法和擠密法，工程實際應(yīng)用中，可根據(jù)實際情況選擇合適的處理技術(shù)，對濕陷性黃土路基進行處置。