黃土濕陷性道路路基強夯治理措施

中國市政工程西北設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000

隨著“一帶一路”倡議的深入推進，我國中西部城市建設(shè)取得了飛速發(fā)展，城市市域范圍呈輻射狀不斷擴張，道路網(wǎng)的建設(shè)也越來越密集，建設(shè)規(guī)模越來越大，針對中西部地區(qū)的環(huán)境地質(zhì)特點和地基類型進行設(shè)計是道路建設(shè)者充分利用有限資源保障工程質(zhì)量面臨的重要內(nèi)容。

我國黃土分布西起甘肅祁連山脈的東端，東至山西、河南、河北交接處的太行山脈，南抵陜西秦嶺，北到長城，包括陜西、寧夏、甘肅、青海等5個省區(qū)的220多個縣市，面積達54萬km2，占全國土地面積的6%。我國西北的黃土高原是世界上規(guī)模最大的黃土高原，寧夏黃土多分布在固原市及同心縣周邊地區(qū)，還有部分分布在鹽池縣及靈武市周邊地區(qū)[1]。

黃土的濕陷性表現(xiàn)為在水的影響下受自身重力或外界荷載作用具有顯著的豎向壓縮變形的特點，給該區(qū)域內(nèi)道路建設(shè)設(shè)計、施工和養(yǎng)護均造成了極大的困擾。對于工程等級與濕陷等級較低的濕陷性黃土，在工程建設(shè)中廣泛采用換填的處理方法，但對于工程等級與濕陷等級較高的地基，需采用多種方式消除地基土的濕陷性，文章僅針對其中的強夯法消除濕陷性以提高路基濕陷性黃土地區(qū)道路建設(shè)質(zhì)量進行討論。

1 濕陷性黃土的工程特性

經(jīng)過長年沉積的老黃土通常是由黏土顆粒組成，結(jié)構(gòu)非常致密，開挖難度大，幾乎密不透水。但普通的黃土其組成中包含了大量弱黏結(jié)的粉粒，特別是濕陷性黃土表現(xiàn)為結(jié)構(gòu)疏松、固結(jié)程度低、承載力弱，在非擾動及干旱少雨狀態(tài)下基本能保持原有穩(wěn)定狀態(tài)，而一旦受到水的侵蝕，水就會迅速進入粉土顆粒之間，進一步削弱顆粒內(nèi)部的黏結(jié)力，使土顆粒處于相對松散的狀態(tài)，抗剪強度顯著降低，工程性質(zhì)隨之喪失，宏觀表現(xiàn)為地基或路基本體發(fā)生嚴重的豎向形變，路面整體或局部發(fā)生沉降，產(chǎn)生嚴重的縱橫向裂縫，甚至會導(dǎo)致構(gòu)筑物的傾斜和破裂。長期的研究和工程實踐表明，具有濕陷性特點的黃土在水的浸潤和自身或外荷載作用下所產(chǎn)生的變形往往具有突發(fā)性和不可逆等特點，同時還存在非連續(xù)性，一旦發(fā)生則意味著原土體結(jié)構(gòu)發(fā)生了重塑。這種重塑包括兩個方面：一是粒徑小的顆粒隨水的浸潤落入大顆粒間孔隙中，造成土體內(nèi)部不同區(qū)域的孔洞與坍落；二是土顆粒之間出現(xiàn)相對位移，內(nèi)部結(jié)構(gòu)完全重組。寧夏固原地區(qū)某項目典型濕陷性黃土土質(zhì)的物理力學(xué)特性如表1所示。

表1 寧夏固原地區(qū)某項目典型濕陷性黃土土質(zhì)的物理力學(xué)參數(shù)表

2 濕陷性黃土的地基強夯法處理措施

2.1 科學(xué)確定有效處理深度

強夯法是一種常見的通過一定質(zhì)量的重錘以一定高度沖擊地面，使地基土原本的土顆粒骨架結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土顆粒彼此擠緊密實，提前完成豎向變形的不良地基處理方法[2]。強夯法相比于其他化學(xué)加固法具有施工簡單、處理效果好、經(jīng)濟適用的優(yōu)點，適用于處理各濕陷等級的濕陷性黃土地基，處理土層深度以3～6m為宜，不宜超過8m。

強夯法處理時的有效深度由于土體自身的性質(zhì)差異，相同夯擊能作用下的結(jié)果有所不同。因此，強夯法有效處理深度應(yīng)通過試夯測試結(jié)果或區(qū)域內(nèi)相似工程經(jīng)驗確定。試夯時應(yīng)選擇具有代表性的段落進行試夯，試夯區(qū)域面積應(yīng)大于500m2，從而確定夯擊方案、單擊夯能、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、間歇時間等參數(shù)。強夯法有效處理深度參考值如表2所示。

表2 強夯法有效處理深度參考值

2.2 合理選擇夯錘

夯錘可選用鑄鋼錘或鋼筋混凝土錘（鋼包殼），夯錘上應(yīng)設(shè)置數(shù)個上下貫通的氣孔，錘底面可選用平底、凸形底、球形底等，當單擊夯能小于4000kN·m時錘底面直徑宜為2.5m，當單擊夯能大于5000kN·m時錘底面直徑宜為3.0m。對于起吊夯錘的機械，我國大多以履帶式吊車改裝，根據(jù)工程所采用的夯錘和起重高度來選用起重機的型號，可單機作業(yè)，也可主、副機（移錘）聯(lián)合作業(yè)，可在吊臂兩側(cè)輔以門架，從而提高起重能力和安全性。門架由橫梁和2個支腿組成，支腿的結(jié)構(gòu)形式有格構(gòu)式或管式，門架上部橫梁中心絞接于吊桿頂部。

2.3 嚴格控制土體含水率

土體含水率對于強夯效果有著明顯的影響，因此強夯法施工前應(yīng)對待處理地基土的含水率進行測定。土體中各層的相對壓實程度沿著深度的變化規(guī)律隨著含水率的變化而有所不同，當含水率較低時，強夯法主要的加固范圍集中在土體淺層范圍內(nèi)，深層的相對壓實程度遠遠不如淺層，最表層的土體由于波的反射使得其相對壓密程度低于相鄰層，且含水率越低，此情況越明顯。土體含水率接近強夯最優(yōu)含水率時，相對壓密程度隨著深度均勻地減小。當土體含水率高于強夯最優(yōu)含水率時，在土體的淺層范圍內(nèi)出現(xiàn)了明顯的壓縮不均勻現(xiàn)象[3]。因此，當測定土體含水率小于8%時，采用土體成孔注水潤濕土體，待3～7d后進行施工；當測定土體含水率大于24%時，通過晾曬等措施使土體含水率降低后再進行施工。

2.4 合理布設(shè)強夯施工時夯點

強夯施工時夯點宜按正方形或等邊三角形布設(shè)，夯點中心距為夯錘直徑的1.2～2.0倍。施工過程中分主夯、副夯、滿夯3遍實施，主夯按布置夯點完成第一遍后，副夯點在主夯點中間穿插布置，副夯點的布置間距及單擊夯擊能應(yīng)與主夯點相同。待主夯、副夯完成后，進行滿夯施工，滿夯夯點按相鄰夯點的1/4搭接連續(xù)夯擊，滿夯單擊夯擊能可為主副夯單擊夯擊能的1/2～1/3。為更好地分散土體的超靜孔隙水壓力，兩遍夯擊之間宜有時間間歇，間歇時間長短與土的粒徑、含水率、夯點間距、處理土層厚度等眾多因素有關(guān)。間歇時間根據(jù)試夯結(jié)果確定，單從土性考慮時，低液限黏土一般為7～14d，低液限粉土一般為3～7d，砂土一般為1～3d。夯點的夯擊次數(shù)由試夯階段得到的夯擊次數(shù)和夯沉量關(guān)系曲線確定，停夯標準以最后兩擊的平均夯沉量為準，當單擊夯擊能小于2000kN·m時，最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm；當單擊夯擊能為2000～4000kN·m時，最后兩擊的平均夯沉量不大于100mm；當單擊夯擊能大于4000kN·m時，最后兩擊的平均夯沉量不大于200mm，且最后一擊夯沉量應(yīng)小于上一擊的夯沉量。

2.5 強夯質(zhì)量檢驗

強夯質(zhì)量檢驗應(yīng)在施工結(jié)束后7～14d進行，按1處/2000m2的抽檢頻率進行抽檢，在設(shè)計處理深度內(nèi)每隔0.5m取1～2個土樣進行室內(nèi)試驗，測定土的壓實度、壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)。施工結(jié)束15～30d后，可采用荷載試驗、標準貫入試驗、瞬態(tài)瑞利波法或探井取樣試驗等方法檢驗地基土的強度變化情況，評價強夯的效果，應(yīng)按1處/3000m2的抽檢頻率進行抽檢，且不應(yīng)少于3處。

3 結(jié)束語

我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展很大程度上加快了道路建設(shè)的步伐，現(xiàn)階段，中西部地區(qū)尤其是城市中，受各種用地限制的影響，無法避免需要在濕陷性黃土上進行道路建設(shè)。因此，在勘察設(shè)計階段，只有根據(jù)濕陷性黃土的工程特點和造成濕陷的主要影響因素有針對性地進行科學(xué)分析和計算，才能選取合理的不良地基處理措施和方法，從而有效控制道路在使用過程中的沉降變形，最終達到提高道路整體質(zhì)量的目的。