不同處置措施下濕陷性黃土路基滲透變形研究

黃崇國

(湖南中益土木工程技術(shù)發(fā)展有限公司,湖南 長沙 410000)

1 濕陷性黃土在物理力學(xué)性能指標(biāo)上的特點

1.1 顆粒組成

在我國,濕陷性黃土的顆粒以粉土顆粒為主,其占總重量的50%～70%,而在粉土顆粒中,又以0.05～0.01 mm的粗粉土顆粒為主,占總重約40.60%,<0.005 mm的黏土顆粒較少,占總重約14.28%,>0.1 mm的細(xì)砂顆粒占總重在5%以內(nèi),基本上沒有超過0.25 mm的中砂顆粒,見表1。在加固過程中,可以添加適量的鈣質(zhì)物質(zhì),加固效果更好[1]。顆粒級配的差異,對土體的抗剪強(qiáng)度和抗剪強(qiáng)度有較大的影響。在工程實踐中,選用粒度相同但形狀不同的細(xì)沙,或粒度不同的細(xì)沙,會造成較大的水分損失。在密實易達(dá)到或超過均質(zhì)性的條件下,通過改變粒徑、粒徑比例,可有效改善土體強(qiáng)度;在粗粒徑間距>0.05 mm的情況下,可賦予濕陷黃土更好的抗壓性能,并在不發(fā)生滲流的情況下,實現(xiàn)水分的完全排除。

表1 濕陷性黃土的顆粒組成

對于濕陷性黃土,因其粒徑大小的差異,對其穩(wěn)定與強(qiáng)度的需求也各不相同。如果土層較為致密,可以采用粉沙、碎石等進(jìn)行加固,如果土層較為松散,可以采用水泥等物質(zhì)進(jìn)行加固;而戶外基層的關(guān)鍵是要選用適當(dāng)?shù)酿ね?、粗?xì)沙和不同含泥量的顆粒組成。

1.2 界限含水率

界限含水率是黏土由一種膠凝狀態(tài)向另一種膠凝狀態(tài)轉(zhuǎn)變時的分界線,又稱為膠凝極限[2]。它是用來測定黏土流動狀態(tài)、可塑狀態(tài)、半固體狀態(tài)、固體狀態(tài)相互轉(zhuǎn)變時的分界含水量,是在土工試驗中用到的一項基本參數(shù)。根據(jù)土壤含水量的變化,可以將土壤分為流動、塑性、半固體和固體四種狀態(tài)。土體在流態(tài)與塑性之間的界限是液限,在流態(tài)與塑性之間的界限是塑限[3]。黃土的濕陷性是由水文、地質(zhì)、氣候等因素造成的,在治理過程中要視具體情況而定。當(dāng)本區(qū)域土體水分含量有很大的差異時,就可以使用超前緩坡和固結(jié)灌砂的方法,見表2。

表2 我國濕陷性黃土的天然含水量it～mm,液限值

在加固工程中,黃土的含水量會有一定的改變,通常表現(xiàn)為濕陷現(xiàn)象。當(dāng)土質(zhì)含水率高時要采用干夯法進(jìn)行壓實。在選擇濕陷性土地基后,要考慮到土壤本身存在高程度內(nèi)澇和滲透性能較弱等缺陷,所以在實際操作時,要結(jié)合具體情況來確定采用何種土質(zhì)作為地基基礎(chǔ)。

1.3 比重、容重及孔隙比

在高密度的情況下,容重、孔隙比都會有所提高,從而使?jié)裣莸乇淼某休d力有所提高,若土壤含水率偏小,則應(yīng)采取防滲措施[4]。在施工過程中,受水文地質(zhì)條件、施工方法和場地條件的影響,所產(chǎn)生的裂縫尺寸各不相同,故應(yīng)依據(jù)實際條件,制定出符合工程需要的最優(yōu)壓實度。對于含較多細(xì)粒的砂土,可通過增加其孔隙系數(shù)來減小水的蒸發(fā),增加其滲透性,進(jìn)而減小其對地表的承載力。

孔隙比、容重對濕陷性黃土地基的成本和施工難易程度有很大的影響,目前對這兩個方面的研究還很少[5]。但由于細(xì)沙中的水分含量較高,并且容易受到溫度和濕度的影響而發(fā)生變化,并且還會引起土體的膨脹,所以,為降低造價、確保工程質(zhì)量,需要選用合適的濕陷性黃土材料來進(jìn)行基礎(chǔ)的加固,以避免出現(xiàn)下陷等問題。各地區(qū)黃土孔隙比見表3。

表3 我國濕陷性黃土的孔隙比

1.4 含水率和飽和度

分析黃土地基中水分含量的變化對其理化性質(zhì)的影響。通常,土的孔結(jié)構(gòu)愈穩(wěn)定,其抗壓強(qiáng)度愈高,但一旦達(dá)到某一數(shù)值,就會產(chǎn)生滲透現(xiàn)象。當(dāng)土壤中存在較多雜質(zhì)或顆粒較大時(如黏土),那么就會導(dǎo)致滲透水量增大。而在土壤中包含大量的細(xì)小塵埃粒,或者黏附在孔隙表面,并使水滴聚集于毛細(xì)管的時候,被稱為含水率偏大區(qū)(也就是土質(zhì)吸力小于飽和度)。

隨著含水量、飽和度的增大,滲透損失也隨之增大,故在填筑濕陷黃土?xí)r,應(yīng)盡量選用少量的細(xì)沙。因為水是一種在移動過程中不可或缺的物質(zhì),因此可以將其添加到細(xì)沙顆粒中,但若采用了不均勻或過軟化的水泥材料,引起孔隙堵塞,就會導(dǎo)致滲透坡過大,進(jìn)而使含水量逐步增加;在含水量超過10%的情況下,滲透率將變得更高,從而對工程的穩(wěn)定性及品質(zhì)產(chǎn)生較大的影響。

1.5 壓縮性

濕陷性黃土地基具有不同程度的壓縮特性,受土層特性、水文特性和氣候環(huán)境等影響,其壓縮模量隨時間而改變。因此,在水分含量很低的情況下,可以采用軟化或硬塑的方式來填充;在含水量較高的情況下(例如砂土、泥煤灰等),為了改善其壓縮特性,需添加大量的熱礦物粉體。

濕陷性黃土地基的可壓縮性很強(qiáng),在應(yīng)用時,必須用壓片機(jī)進(jìn)行加壓,若未壓實或壓緊量不足,則會發(fā)生水化。濕陷性黃土地基壓縮問題是指因為含水量過多,使得軟土層與硬質(zhì)黏土之間的相互作用力變大,破壞地基結(jié)構(gòu),使其變形,造成地面坍塌的現(xiàn)象。在實際應(yīng)用中,要根據(jù)材料性質(zhì)、強(qiáng)度進(jìn)行選擇與應(yīng)用。

2 處理方法及適用條件

2.1 墊層法

墊層法是指在濕陷性黃土地基上,鋪覆一定厚度的石灰或石粉,并與水泥砂混合,構(gòu)成一層較薄、較穩(wěn)定的基層[6]。此法可廣泛應(yīng)用于滲透系數(shù)大、孔隙發(fā)育、滲透性差、或有滲流場存在的斜坡。在應(yīng)用軟墊方法時,應(yīng)在軟墊厚度與濕陷黃土基涂料抗壓強(qiáng)度相當(dāng)?shù)那闆r下進(jìn)行軟墊加固。這種方式必須在施工方對現(xiàn)場進(jìn)行勘察后,才能正式展開。由于這種土質(zhì)通常都屬于松散狀,流動性較強(qiáng),并且還存在不均勻沉降性等特性,所以在我國的南方地區(qū)被大量采用。

2.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是采用高強(qiáng)度的物質(zhì),將土體打?qū)?從而提高地基的承載力,這種方法在施工時要對壓實度和含水量進(jìn)行合理的控制[7]。在具體的工程建設(shè)中,每個步驟都要進(jìn)行嚴(yán)密的控制,當(dāng)出現(xiàn)某些土質(zhì)較弱,且存在較厚的軟夾層時,可以采用這種方法來處理;對于某些含水率很高的黃土或含濕陷黃土,其地基具有很高的濕陷程度時,可采用強(qiáng)夯處理。該方法適合于厚度較大、強(qiáng)度大、含水量高、密實度較大、地基承載力較強(qiáng)、在特殊條件(如斷裂帶)或軟弱夾層中形成的地表工程。

2.3 擠密法

擠密法是在濕陷性黃土地基上鋪設(shè)碎石樁,將地基的基層和壓實材料一同鋪筑。在此方法下,當(dāng)土層較低或較高時,再進(jìn)行填縫處理,這樣可以避免由于水灰比過大而引起地面裂縫。因為在這種方式下進(jìn)行施工時,需要用到很多設(shè)備及泥土等材料。因此,采用此方式會極大地增加工作量,增加工程成本。但因為其操作簡單方便、對場地要求不高、可循環(huán)利用等特點,被廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土地基處理。

2.4 預(yù)浸水法

預(yù)浸水法指的是將制備好的濕陷性黃土與石灰石粉或煤灰石等工業(yè)原材料按照比例添加到混合料中,在一定的溫度下,用水沖洗干凈后進(jìn)行壓實。當(dāng)混合物完全溶解后,將所含的水分全部倒在填縫板上,隨后通過攪拌機(jī)均勻地加泥(約為1 m左右),使其充分浸沒水中,形成一個個水孔,即形成預(yù)浸水面,隨后,再用石灰、煤灰石等物質(zhì)將預(yù)濕性黃土中的水分排出。這種方法可以在土體的表層形成一層水泥薄膜,從而達(dá)到防滲、保溫的效果,而且,因為灰土自身的高強(qiáng)度、高穩(wěn)定等特性,它還可以很好地控制地面的下沉,適合在比較平坦的地方使用。

2.5 樁基礎(chǔ)

樁基是一種臨時的建筑物,它是在一般的基礎(chǔ)上,以鋼筋或水泥為主要形式,把上邊的荷載傳遞給土層。它以其較高的強(qiáng)度、較高的剛性而被廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土的治理。在提高沉降率的同時,避免了地面沉陷造成的地面上抬,減小了施工過程中對軟黏土的影響,減小了施工過程中的工程擾動,確保了樁-基礎(chǔ)間的安全間距。樁基礎(chǔ)在國內(nèi)得到了廣泛的使用,它是一種較為普遍和常用的地基處理方法。但由于地區(qū)、地質(zhì)條件以及氣候環(huán)境等因素,會對其造成不同程度的影響,因此,在使用這種方式進(jìn)行設(shè)計和施工時,必須要選擇性能優(yōu)良、承載能力較好的樁體。

3 濕陷性黃土地基處理的主要方法

3.1 換土墊層法

換土墊層法是指將泥土與各種性質(zhì)的物質(zhì)混合均勻后,加石灰漿水?dāng)嚢杈鶆?然后直接將其分層鋪攤到基層上,從而形成一層極薄的軟化底層,當(dāng)其厚度達(dá)到一定程度后,就可以將濕陷性黃土地基表面當(dāng)作一個過渡層進(jìn)行處理,其優(yōu)點是施工過程簡便、快速、容易操作。在進(jìn)行施工時應(yīng)注意:在那些比較復(fù)雜或者有一定深度要求且容易變形、并且易積水和滲水嚴(yán)重地區(qū)可以采用該方法;當(dāng)土體中有空洞或裂痕時,不能采用換土墊填土。

3.2 素土擠密樁法

在復(fù)合地基處理中,將其視為一個單獨的整體,再對其進(jìn)行加強(qiáng),形成一種新形式的具有一定強(qiáng)度和剛度的壓實混凝土,在此方法中,可依據(jù)具體條件,選用合適的粒徑。這種方法設(shè)備簡單,操作簡單,因為它能夠有效地控制地表沉降速率,并且能夠降低工程成本,所以得到了廣泛的應(yīng)用。素土擠密樁法適合于對地下水位以上的粉土、黏性土、素填土、雜填土和混陷性黃土等地基進(jìn)行處理,可處理的地基的厚度一般為3～15 m。在以減少地基土濕陷為首要目標(biāo)的情況下,可以采用純土擠密樁,但當(dāng)土體中含水量在24%以上、飽和度在65%以上時,采用純土擠密樁的適用范圍需經(jīng)實驗驗證。

3.3 振沖碎石樁法

振沖碎石樁是利用振蕩的方法,在濕陷性黃土基礎(chǔ)上,對其進(jìn)行加固,并對其沉降時機(jī)、位移等加以控制,從而達(dá)到提高其承載力的目的。該方法采用震動錘擊方式,在打樁過程中產(chǎn)生激勵作用,并在打樁后,采用靜電式攪拌器,使打樁后的樁與樁之間的孔洞連接,從而增強(qiáng)打樁的地震作用。在此基礎(chǔ)上,通過添加適當(dāng)數(shù)量的石灰來達(dá)到加固作用,從而增加基礎(chǔ)的承載力、穩(wěn)定與強(qiáng)度。采用這種方法節(jié)省了大量的時間。目前,該方法在國內(nèi)已有較多的使用:利用振動沉降法,增加基礎(chǔ)土的剪切強(qiáng)度;采用振動的方法,提高樁的可壓縮性;在軟弱和堅硬的土層中,采用碎石沖孔法等。

3.4 深層攪拌樁法

在國內(nèi),這一技術(shù)被廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土地基,其基本原理是通過深層攪拌樁的力學(xué)效應(yīng),將水泥砂漿與軟化點結(jié)合起來,對地基進(jìn)行固結(jié)和強(qiáng)化,以達(dá)到降低沉降、增加地基穩(wěn)定系數(shù)、增強(qiáng)滲透變形的目的。該法適用于沙層較淺,地表無水或有空隙的情況;由于土體水分含量較高,而且分布不均,產(chǎn)生了較大的滲透力,從而造成了坑外水的發(fā)生;也可用于淤泥質(zhì)土的加固,由于其施工簡便等特點,被廣泛應(yīng)用于工程中,并獲得了較好的效果。

4 總 結(jié)

分析了各種加固措施的優(yōu)缺點得出結(jié)論:濕陷黃土具有較好的防滲性能。針對濕陷性黃土地基軟基,從不同的角度出發(fā),探討了軟基處理方法。