淺議濕陷性黃土區(qū)大厚度填方路基處理

柳順貴，康聯(lián)國，童景盛

（中國市政工程西北設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州730000）

0 引言

隨著城市化進(jìn)程不斷推進(jìn)，城市的面積不斷的擴(kuò)大，平整的河谷區(qū)域已開發(fā)完，低坡緩丘區(qū)域的開發(fā)成為未來城市建設(shè)的主要戰(zhàn)場。蘭州市位于我國黃土高原區(qū)域，城市屬狹長的河谷性城市，隨著城市人口的不斷增加，城市面積的不斷擴(kuò)大，黃河I級階地，河谷地帶開發(fā)已完成。城市向北擴(kuò)張正在如火如涂地進(jìn)行。

1 蘭州恒大文旅城工程實(shí)例

蘭州恒大文旅城就是蘭州市北山低丘緩坡區(qū)域開發(fā)的一個(gè)具有代表性實(shí)例。蘭州恒大文旅城場地面積約5.0 km2，整個(gè)場地地質(zhì)為濕陷性I～I(xiàn)II級區(qū)域，場地黃土覆蓋層厚度平均在30～100 m左右，場地初級平整在2012年進(jìn)行的，當(dāng)時(shí)由于工程管理等原因，場地初級平整時(shí)主要進(jìn)行土方的挖填平整，對黃土濕陷性未進(jìn)行任何的處理、填筑過程未按工程相關(guān)規(guī)范與標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行相應(yīng)的壓實(shí)工作。現(xiàn)要在平整后的場地上進(jìn)行工程建設(shè)，根據(jù)地理信息模型在挖方區(qū)和填土厚度小于30.0 m區(qū)域布置建筑.在填方厚度大于30.0 m區(qū)域布置市政道路等基礎(chǔ)設(shè)施。

現(xiàn)場局部地段填方厚度為30.0～100.0 m，原來場平填筑時(shí)沒有對填料的濕陷性進(jìn)行處理、填筑時(shí)未對填筑施工質(zhì)量進(jìn)行控制。場地處于自然沉降與慢慢密實(shí)狀態(tài)。工程建設(shè)要對大厚度填方內(nèi)黃土進(jìn)行換填或全部挖除進(jìn)行處理是不合理、不經(jīng)濟(jì)的，也是不現(xiàn)實(shí)的。根據(jù)地勘工作調(diào)查和工程經(jīng)驗(yàn)判斷大厚度填方土體在自然狀態(tài)下呈現(xiàn)出的隨著埋深增加土體的密實(shí)性在增大、隨著埋深的增加土體受水侵濕的概率再降低的特點(diǎn)，分析擬建工程對地基的要求。大厚度填土濕陷性對工程的影響主要是承載力不足和變形過大的問題，采取一定工程措施解決路基影響范圍內(nèi)承載力不足的問題，將大厚度填土濕陷性問題轉(zhuǎn)換為控制路基沉降變形的問題，使大厚度填方內(nèi)沉降變形量達(dá)到《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》和《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》相關(guān)要求，實(shí)現(xiàn)矛盾轉(zhuǎn)化、問題簡化，達(dá)到全填方范圍內(nèi)解決問題的效果。根據(jù)以上處理問題思路，結(jié)合現(xiàn)有工程處理技術(shù)水平和經(jīng)濟(jì)性提出工程處理方案：路基頂面采用灰土墊層+灰土擠密樁（樁長15.0～20.0 m），再對路基影響范圍內(nèi)由于施工、運(yùn)營產(chǎn)生沉降量和全填方深度范圍內(nèi)土體固結(jié)沉降變形進(jìn)行計(jì)算與控制。本方案從定型和定量兩個(gè)角度說明問題，以定量說明問題為主。

1.1 現(xiàn)場條件

1.1.1 地形、地貌

（1）原始地形、地貌

根據(jù)已收集到有關(guān)資料[1]，項(xiàng)目場地2012年之前基本保持了原始的黃土梁峁及溝谷地貌，呈現(xiàn)梁峁與溝谷相間的分布的地形形態(tài)，場地地形總體呈現(xiàn)北高南低的趨勢，見圖1。

圖1 現(xiàn)場原始地貌

（2）初級場平后的地形、地貌

在土地一級開發(fā)中，通過對黃土梁峁黃山、溝壑回填進(jìn)行土地整平開發(fā)，見圖2。整平后場地較為平坦，場地地形自北向南傾斜。地勢總體北高南低，自南向北場地高程介于1 640～1 750 m；場地周邊地形起伏大，部分溝壑未回填完成。溝壑回填采用原始梁峁削山后的馬蘭黃土進(jìn)行回填，見圖3。

圖2 現(xiàn)場平整后地貌

圖3 現(xiàn)場填挖區(qū)域圖

1.1.2 地質(zhì)條件

根據(jù)勘探揭露及地質(zhì)調(diào)繪，場地地層結(jié)構(gòu)自上而下描述及分布特征綜述如下：

（1）①-1層雜填土（Q4ml）：雜色，松散～密實(shí)，主要由建筑垃圾組成，分布于場地內(nèi)的便道區(qū)域，為修筑臨時(shí)道路的填筑體，雜填土層厚度較薄，該土層厚度一般都在0.80～3.00 m，平均1.94 m，層底高程1 621.94～1 791.28 m。

（2）①-2層素填土（Q4ml）：淺黃色，松散～稍密，主要由粉土組成。該層主要分布于原始場地地勢相對較低的溝谷區(qū)域，受原始地形影響，填土層厚度變化極大，層厚一般在1.00～104.80 m，層底埋深1.00～104.80 m，見圖4。

圖4 素填土土樣

（3）②-1層黃狀粉土（Q4al+pl）：褐黃色，稍濕～濕，稍密，顯水平層理，層厚一般在11.60 m，層底埋深104.10 m。

（4）②-2層粉細(xì)砂（Q4al+pl）：褐黃色，稍濕～濕，稍密，顯水平層理，顆粒成分主要為石英及長石、云母等，夾有花崗巖、砂巖碎屑，層厚一般在0.50～2.30 m，平均1.43 m，層底埋深：72.20～99.30 m。

（5）③-1層濕陷性馬蘭黃土（Q3eol）：淺黃色，稍濕，稍密～中密。土質(zhì)較均勻，上部可見大孔隙及垂直節(jié)理發(fā)育。該層在場地淺挖方區(qū)以及填方區(qū)地普遍分布，層厚一般在0.60～50.30 m，層底埋深3.50～101.20 m，見圖5。

圖5 馬蘭黃土土樣

（6）③-2層非濕陷性馬蘭黃土（Q3eol）：淺黃色，稍濕，中密～密實(shí)，土質(zhì)較均勻，隨深度增加，孔隙率漸小，層厚一般在0.40～98.40 m，層底埋深15.90～106.90 m。

1.1.3 高填方區(qū)地質(zhì)說明

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，擬建工程場區(qū)高填方區(qū)，主要是通過開挖現(xiàn)狀山體填筑到溝谷地區(qū)。整個(gè)填方區(qū)地質(zhì)較為簡單，主要以土①-2層素填土（Q4ml）為主，填方厚度為0～105 m；根據(jù)調(diào)查，擬建場地場平自2012年開始平整，至2013年年底基本完成，在回填期間，進(jìn)行了局部強(qiáng)夯處理。2014年后場地又進(jìn)行了兩次大范圍的場地平整，溝谷回填及回填區(qū)域多采用分層推筑、分層壓實(shí)回填，見圖6。

圖6 填方示意圖

2 大厚度填方處理方法研究

根據(jù)大厚度黃土填筑場地所呈現(xiàn)的特點(diǎn)，充分利用隨著填土厚度增加填筑土體的密實(shí)性在增加，隨著填土厚度增加浸水概率再大幅度減少特點(diǎn)，將通常處理黃土場地主要是靠高強(qiáng)度、大范圍[2]處理措施來減小和消除黃土濕陷性問題轉(zhuǎn)化為充分結(jié)合現(xiàn)場土體自身特點(diǎn)、抓住黃土濕陷性對路基影響的本質(zhì)問題是沉降變形的問題。結(jié)合大厚度填土所呈現(xiàn)隨深度增加密實(shí)性增加的特點(diǎn)，把路基處理重點(diǎn)放在路基頂面密實(shí)性較小的區(qū)域，通過處理提高路基的密實(shí)性、降低濕陷性、減小路基沉降變形；通過人工地基處理，在路基頂面形成一定厚度密實(shí)的硬殼層阻斷、減少了地表水下滲，降低了填方深處填土發(fā)生濕陷的概率。硬殼層分散了路面荷載、減小了填方深處土體附加壓應(yīng)力，減小了路基沉降變形。

本次方案設(shè)計(jì)采用模型[3]：1.5 m墊層（灰土）+15.0 m擠密樁（灰土）對路基頂面一定厚度范圍進(jìn)行處理。對路基影響范圍內(nèi)由于路基處理、工程建設(shè)、運(yùn)營產(chǎn)生沉降量和全填方深度范圍內(nèi)土體固結(jié)沉降變形進(jìn)行計(jì)算與控制。為簡化問題，路基處理范圍（灰土墊層+擠密樁）內(nèi)認(rèn)為濕陷性已全部處理，把該部分簡化為一剛體（沒有變形）。將車輛荷載、路面結(jié)構(gòu)、墊層和擠密樁視為附加在現(xiàn)狀土體上的附加荷載，計(jì)算附加荷載引起路基影響范圍內(nèi)的沉降變形。計(jì)算全部填土范圍內(nèi)隨時(shí)間固結(jié)沉降量，使工程建設(shè)的附加荷載引起沉降變形量與填土隨時(shí)間固結(jié)沉降量之和小于《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》所確定變形量。

2.1 地基應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)地勘資料反映，在高填方區(qū)，土質(zhì)全為黃土，具有IV級濕陷性。整個(gè)工程地質(zhì)問題是：濕陷性+填筑土欠固結(jié)性[4]。

2.1.1 地基附加應(yīng)力

工程設(shè)計(jì)路基處理方案是：1.5 m灰土墊層+15.0 m灰土擠密樁處理，見圖7。

圖7 路基處理圖（單位：m）

道路建成后，車輛荷載、路面結(jié)構(gòu)層荷載和灰土擠密樁形成附加荷載為路基的附加荷載見表1，其形成應(yīng)力為附加應(yīng)力，具體計(jì)算結(jié)果見表2。

表1 路基附加荷載計(jì)算表

表2 附加荷載在路基中引起應(yīng)力

2.1.2 路基自重應(yīng)力計(jì)算

根據(jù)大填方區(qū)TJ03孔的《土工試驗(yàn)成果報(bào)告表》相關(guān)資料，計(jì)算BxL矩形的中心點(diǎn)處下方自重應(yīng)力，具體計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 自重應(yīng)力計(jì)算表

地基受壓層度確定：根據(jù)相關(guān)規(guī)范內(nèi)容[4]，路基沉降量計(jì)算深由附加應(yīng)力與自重應(yīng)力的比值確定，見圖8。

圖8 路基應(yīng)力圖

σ=0.2σzz對應(yīng)深度為沉降量計(jì)算深度Zn。最后確定路基受壓層深度Zn=14.25 m。

2.2 路基沉降量計(jì)算

2.2.1 附加應(yīng)力與自重引起路基沉降量計(jì)算

根據(jù)現(xiàn)場地勘工作取樣深度及土工試驗(yàn)成果報(bào)告的資料統(tǒng)計(jì)，計(jì)算地基在附加荷載與自重下沉降變形量,見表4。

表4 地基沉降計(jì)算表

因工程建設(shè)路基產(chǎn)生沉降量為S：

2.2.2 地基隨時(shí)間沉降量計(jì)算

由于工程位于大厚度黃土填方區(qū)，在工程施工完成投入運(yùn)營后，隨時(shí)間推移，地基會發(fā)生自然緩慢沉降，地基填土的固結(jié)度會逐步的提高。地基隨時(shí)間沉降長期積累，對工程危害也是較大的，在工程設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮到這一部分沉降?，F(xiàn)通過地質(zhì)資料計(jì)算該部分沉降量。

該項(xiàng)目填土層厚度為30～100 m不等，工程勘察時(shí)通過探井取樣，有土工試驗(yàn)成果的填土層厚度約為40 m，通過數(shù)據(jù)分析，通過有限數(shù)據(jù)去推理和計(jì)算全填方厚度的固結(jié)沉降量,見表5。

表5 路基固結(jié)沉降計(jì)算表

根據(jù)工程特點(diǎn),項(xiàng)目區(qū)最終沉降量為工程建設(shè)時(shí)沉降與地基隨時(shí)間沉降量之和,本項(xiàng)目的總沉降量為17.16 cm（工程建設(shè)沉降6.99 cm加隨時(shí)間沉降量10.17 cm）。

本工程方案設(shè)計(jì)中，初步擬定該項(xiàng)目設(shè)置管線檢漏溝，將管線設(shè)置在檢漏溝內(nèi)。檢漏溝為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[5]中關(guān)于容許工后沉降規(guī)定，本項(xiàng)目路基工后沉降按干線公路的二級公路的涵洞、箱涵、通道處位置計(jì)，容許工后沉降量。通過比較本項(xiàng)目地基總沉降量小于規(guī)范規(guī)定容許工后沉降量。

2.3 地基剩余濕陷量計(jì)算

根據(jù)工程方案，綜合考慮到工程實(shí)際情況。在進(jìn)行了路基灰土擠密處理范圍內(nèi)，路基濕陷性全部處理。路基處理范圍以下部分考慮到浸水的可能性，對其濕陷性量進(jìn)行計(jì)算，對其對工程危害性進(jìn)行評估。

根據(jù)甘肅省地方標(biāo)準(zhǔn)《大厚度濕陷性黃土場地工程處理技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定[6]（見表6），地基處理后的剩余濕陷量評估值△z。

表6 不同深度地基土深度浸水機(jī)率系數(shù)（a）

根據(jù)工程方案，本項(xiàng)目剩余濕陷量計(jì)算范圍為15～20 m、20～25 m和大于25 m三個(gè)范圍。

（1）15～20 m范圍（計(jì)算結(jié)果見表7）根據(jù)公式

表7 15～20 m范圍剩余濕陷量計(jì)算表

（2）20～25 m范圍（計(jì)算結(jié)果見表8）

表8 20～25 m范圍剩余濕陷量計(jì)算表

（3）大于25 m范圍（計(jì)算結(jié)果見表9）

表9 大于25 m范圍剩余濕陷量計(jì)算表

剩余濕陷量合計(jì)為:

考慮到路基在頂面已經(jīng)進(jìn)行處理（1.5 m灰土墊層+15.0 m灰土擠密樁）,處理后處理層的密實(shí)度有較大提高,降低了水滲透系數(shù),相應(yīng)透水性大大降低,形成了一個(gè)不透水層,起到了隔水層的作用。在路基全部填方區(qū)域內(nèi)雖有0.45m剩余濕陷量，但其發(fā)生的濕陷的概率已大大降低，對工程可靠度是一個(gè)低概率的事件，從工程經(jīng)濟(jì)與合理性方面是不值得再去用工程措施處理的。

3 對處理結(jié)果的分析

本工程方案根據(jù)濕陷性黃土不遇水浸濕承載力能滿足路基承載力需要；濕陷性對道路路基實(shí)質(zhì)影響是路基變形的影響的認(rèn)識。

本工程方案采用根據(jù)大厚度填土的特點(diǎn)（隨著填土埋深的增加土的密實(shí)性不斷增加、隨著填土深度增加受水浸濕的概率不斷降低的特點(diǎn)），充分利用填土特點(diǎn)，用合理、經(jīng)濟(jì)的工程措施及有限的工程處理范圍，使路基沉降變形控制在規(guī)范容許的范圍之內(nèi)，通過控制路基沉降變形解決了大厚度黃土填筑區(qū)全填筑高度范圍內(nèi)黃土濕陷性問題。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)理論對處理結(jié)果進(jìn)行定型與定量的分析評價(jià)。

定型分析：本工程方案在路基頂面形成一定厚度的人工地基硬殼層，該層的剛度和承載力較自然地基大大提高，給路面結(jié)構(gòu)層提供了一個(gè)剛度較大、變形較小和厚度較厚路基墊層，就像橋梁的承臺一樣，起到了分散荷載，減小變形作用；處理后地基形成了一個(gè)較大厚度的路基硬殼層，形成土拱效應(yīng)；路基處理達(dá)到處理路基影響范圍內(nèi)的黃土的濕陷性，解決路基影響范圍內(nèi)的沉降變形的問題。通過工程原理、工程經(jīng)驗(yàn)，處理結(jié)果達(dá)到了路基對變形和承載力的要求。

定量分析：本方案通過計(jì)算由于工程施工和運(yùn)營給路基帶來附加應(yīng)力所引起沉降量，計(jì)算全填方深度范圍內(nèi)隨時(shí)間固結(jié)沉降所引起沉降量，使路基全填方厚度范圍內(nèi)的沉降量小于規(guī)范所容許的范圍。以數(shù)據(jù)說話定量分析、定量的控制了道路路基沉降變形，使路基的沉降處于可控、允許的范圍內(nèi)。

4 結(jié)語

（1）抓住了濕陷性問題實(shí)質(zhì)是路基沉降變形的問題，將處理填土濕陷性問題轉(zhuǎn)換為控制路基變形問題。

（2）充分利用大厚度填方所呈現(xiàn)的特點(diǎn)，隨著填方深度的增加土體的密實(shí)度在增加，隨著埋深的增加土體受水浸濕的概率大幅降低的特點(diǎn)。

（3）合理的確定路基的處理范圍，計(jì)算全填厚度內(nèi)的路基沉降變形，解決全填方厚度沉降變形的問題，達(dá)到了全厚度、全面解決問題的目的。

（4）以成熟的工程技術(shù)，解決工程復(fù)雜的問題。

（5）本處理方案雖在蘭州北山低丘緩坡區(qū)域大厚度黃土填方區(qū)工程建設(shè)的一個(gè)實(shí)例，但本方案提出處理方案思路、工法具有通用性；本方案主要思路是抓住了路基濕陷性本質(zhì)是路基沉除變形量，通過計(jì)算與控制路基沉降變形量確定路基處理范圍與標(biāo)準(zhǔn)，解決了過去道路路基濕陷性處理范圍與標(biāo)準(zhǔn)主要依據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)、處理原則與思想雜亂的問題，使問題解決結(jié)果定型、定量可控。本方案所采用的思路與工法具有使用的普遍性。