不同處置措施下濕陷性黃土路基滲透變形分析

杜夏菲

(山西長(zhǎng)治公路勘察設(shè)計(jì)院， 山西 長(zhǎng)治 046000 )

中國(guó)的黃土面積達(dá)64 萬(wàn)km2，主要分布于甘肅、陜西、寧夏和山西等地。其中濕陷性黃土具有欠壓密性、濕陷性和結(jié)構(gòu)性3種特殊性質(zhì)，在水的作用下易產(chǎn)生沉降變形，不能直接用于路基填筑，需進(jìn)行特殊的防滲加固處理。處理淺層濕陷性黃土路基的主要方法包括強(qiáng)夯法、干拌水泥碎石樁、沖擊碾壓法等，處置深度一般不超過(guò)10 m；深厚濕陷性黃土的處置措施包括內(nèi)外套管組合沉管夯擴(kuò)法、灰土擠密樁法和高壓旋噴樁法等，處置深度一般可達(dá)15～20 m?；彝潦鞘液宛ね涟匆欢ū壤龜嚢瓒傻母邚?qiáng)度、低滲透性建筑材料，當(dāng)黃土路基下臥層土質(zhì)良好且厚度小于3 m時(shí)，常使用灰土墊層法進(jìn)行局部或整片處理；濕陷性黃土大于5 m(地下水位以上)時(shí)，常使用擠密樁進(jìn)行處置。該文針對(duì)深厚濕陷性黃土路基，提出灰土防滲墻處理措施，并與灰土擠密樁進(jìn)行對(duì)比分析。

1 試驗(yàn)概況

1.1 材料性能

黃土土樣取自山西長(zhǎng)治，最大干密度為1.58 g/cm3，最優(yōu)含水量約15.9%，滲透系數(shù)約7×10-4m/s，黃土粒徑級(jí)配見(jiàn)圖1。黏土塑限為19.5%，液限為33.2%，塑性指數(shù)為13.5，屬粉質(zhì)黏土。石灰粒徑小于5 mm，CaO十MgO的有效含量大于60%，出廠日期低于3個(gè)月。按照3∶7的比例配制灰土進(jìn)行擊實(shí)試驗(yàn)，擊實(shí)曲線見(jiàn)圖2。根據(jù)圖2，灰土的最大干密度為1.52 g/cm3，最優(yōu)含水量為18.1%，滲透系數(shù)為7.5×10-7cm/s，比黃土的滲透系數(shù)低3個(gè)數(shù)量級(jí)，滿足防滲需求。

圖1 黃土的粒徑級(jí)配

圖2 灰土(灰∶土=3∶7)的擊實(shí)曲線

1.2 模型及防滲結(jié)構(gòu)設(shè)置

選用3個(gè)1.2 m×1.2 m正方形鋼膜同時(shí)進(jìn)行試驗(yàn)，四周布置一層塑料布以防水分流失。黃土采用分層填筑法，每層厚度為5 cm。填筑完成后測(cè)試黃土壓實(shí)度，實(shí)際壓實(shí)度為0.79，含水率為16.2%。

試驗(yàn)工況分為3種：工況一為不作防滲處置；工況二為灰土擠密樁處置，樁直徑4 cm、深80 cm、樁間距10 cm，采用分層填筑、分層夯實(shí)的方式；工況三為灰土防滲墻處置，墻深80 cm、寬10 cm，在路基邊設(shè)置長(zhǎng)1 m×寬0.15 m×深0.15 m的浸水槽，作用在路基四周的荷載為4 kPa(見(jiàn)圖3)。

圖3 模型及工況設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

2 試驗(yàn)結(jié)果分析

2.1 含水率時(shí)程曲線

分別在3種模型的中心位置進(jìn)行含水率監(jiān)測(cè)，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 含水率時(shí)程變化曲線

從圖4可看出：隨著時(shí)間的推移，黃土路基的含水率逐漸升高。工況一(不作處置)下含水率前期增長(zhǎng)較快，從最初的16.2%上升至15 h時(shí)的25%，15 h內(nèi)增長(zhǎng)8.8%，50 h后含水率為33.2%，較16.2%增加17%；工況二(灰土擠密樁)下含水率近似呈線性增長(zhǎng)，存在一定波動(dòng)，含水率從最初的16.2%增加至25.2%，增加9%；工況三(灰土防滲墻)下含水率基本呈線性增長(zhǎng)，含水率從16.2%增加至19.4%，50 h內(nèi)含水率僅增加3.2%。灰土防滲墻的防滲效果最佳，灰土擠密樁次之，未作處置時(shí)黃土路基的防滲效果較差。這是因?yàn)榉罎B墻填筑過(guò)程中的夯實(shí)作用對(duì)黃土路基具有再次壓實(shí)擠密的效果，而且灰土填料的硬化和膨脹作用使該結(jié)構(gòu)的孔隙率大大降低，樁體本身的隔水性能提高，防滲效果得到最大發(fā)揮；灰土擠密樁成孔時(shí)具有一定的擠土效應(yīng)，土體密實(shí)度增加，因而滲透性有所降低；不進(jìn)行防滲處置時(shí)，由于黃土本身的滲透系數(shù)較大，在水平和垂直方向均具有較多的滲流通道，路基中含水量變化最明顯，含水率增加幅度較大。

2.2 含水率隨深度的變化

試驗(yàn)結(jié)束后(50 h)，分別對(duì)路基中心不同深度處(15、40、65 cm)的含水率進(jìn)行測(cè)試，黃土路基含水率隨深度的變化見(jiàn)圖5。

圖5 含水率與黃土路基深度的關(guān)系

從圖5可看出：從整體上看，隨著黃土路基深度的增加，含水率呈逐漸減小趨勢(shì)。工況一下含水率從34.2%下降至32%，減小量為2.2%；工況二下含水率從25%下降至23%，下降量為2%；工況三下含水率從22%下降至20.2%，下降量為1.8%。路基上部含水量大于下部，這主要是因?yàn)樵囼?yàn)浸水槽的深度僅為15 cm，水分的滲透分為水平和垂直兩個(gè)方向，由于傳感器的深度均相同，在同一鉛垂面下時(shí)，距離浸水槽越近的區(qū)域含水率越大，越深的地方存在相對(duì)滯后的現(xiàn)象。相同深度下，工況一時(shí)含水率最大，工況二時(shí)含水率次之，工況三時(shí)含水率最小。這是因?yàn)榛彝练罎B墻的防滲效果最佳，其水平滲透水量最小，灰土擠密樁的防滲效果次之，而僅依靠黃土壓實(shí)效果時(shí)，黃土路基的含水量明顯增加，表明黃土路基自身的防滲性較差。

2.3 沉降變形分析

在土體自重、荷載及浸水后濕陷作用下，黃土路基會(huì)發(fā)生一定沉降變形，其隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖6。

圖6 不同工況下黃土路基沉降變形曲線

從圖6可看出：3種工況下路基沉降變形分為初期沉降變形期(0～5 h)、穩(wěn)定變形期(5～50 h)兩個(gè)階段。在初始沉降變形期，3種工況下沉降變形相差極小，試驗(yàn)5 h后，工況一下沉降變形為22 mm，工況二下沉降變形為22.3 mm，工況三下沉降變形為22.5 mm。在這一階段，黃土路基發(fā)生的沉降變形主要由路基填筑時(shí)的不密實(shí)性(欠密實(shí)性)所引起，此時(shí)水分還未完全滲透浸入路基底部，黃土路基的濕陷性對(duì)沉降變形的影響較小。在路基上部荷載及土體自重作用下，黃土路基發(fā)生較大沉降，且沉降速率較快。隨著時(shí)間的推移，因土體自重產(chǎn)生的沉降變形基本穩(wěn)定，此時(shí)黃土路基底部遭受浸水作用，開(kāi)始產(chǎn)生濕陷性沉降變形，但濕陷性沉降變形速率小于自身沉降變形速率。由于不同防滲結(jié)構(gòu)具有不同防滲擋水效果，后期沉降變形逐漸顯現(xiàn)，防滲結(jié)構(gòu)的防滲效果越好，路基的濕陷性沉降變形越小，故工況三下沉降變形最小，工況二下沉降變形居中，工況一下沉降變形最大，試驗(yàn)50 h最終沉降變形分別為40、47和52.5 mm。

3 結(jié)論

(1) 灰土防滲墻的防滲效果最佳，灰土擠密樁次之，未作處置時(shí)黃土路基的防滲效果較差，試驗(yàn)50 h后黃土路基的含水率上升量分別為3.2%、9%和17%。

(2) 黃土路基含水率隨深度增加而降低，這是因?yàn)樗譂B入存在相對(duì)滯后。

(3) 黃土路基的沉降變形呈兩階段變化特征，第一階段主要由上部荷載及土體自重作用引起，第二階段主要由黃土濕陷性引起，且前者的沉降變形速率大于后者；采用灰土防滲墻處置時(shí)沉降變形最小，灰土擠密樁的沉降變形居中，未作處置的黃土路基沉降變形最大。