關(guān)于濕陷性黃土路基設(shè)計(jì)的探討

史高強(qiáng)

（甘肅省建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

黃土是一種由第四系沉積而成的黃色、細(xì)沙質(zhì)土，其顆粒成分比較復(fù)雜。由于黃土本身結(jié)構(gòu)松軟，土壤微粒間存在大量的空隙，一旦遇水，很容易產(chǎn)生濕陷性；對(duì)建筑物的基礎(chǔ)穩(wěn)定性和安全性有一定的影響。在濕陷性黃土地區(qū)，由于其濕陷性的存在，往往會(huì)對(duì)其產(chǎn)生一定的不利影響，比如在濕陷期，引起地基不均勻沉降，從而使建筑物發(fā)生傾斜，產(chǎn)生裂縫，對(duì)施工安全構(gòu)成極大的威脅。黃土濕陷的危害是眾所周知的，很多由于濕陷而引起的施工事故，例如結(jié)構(gòu)的傾斜、倒塌、地下管線的損壞、高速公路的塌陷、斷裂等，都給人們以警示，對(duì)于濕陷性黃土區(qū)的地基處理，是一個(gè)不容忽視的問題。因此，在修建濕陷性黃土地區(qū)時(shí)，必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)牡鼗幚恚韵錆裣菪?。如果地基處理不好，將?huì)引起建筑物發(fā)生明顯的沉降，嚴(yán)重影響到居民的正常生產(chǎn)和生活，并且在工程建設(shè)中需要投入大量的資金來進(jìn)行加固，實(shí)際收益與投入不成正比，由此對(duì)濕陷性黃土路基進(jìn)行有效處理是當(dāng)前技術(shù)人員研究的重點(diǎn)內(nèi)容。

1 濕陷性黃土路基概述

1.1 黃土工程特性

一是滲水性，由于黃土的孔隙垂直、膨脹、收縮等特性，當(dāng)降雨進(jìn)入裂縫并增加滲透深度時(shí)，其粘粒也會(huì)增加，從而導(dǎo)致不透水；二是濕陷性，由于黃土在外界的作用下，本身就具有一定的承載力，一旦被水分浸濕就會(huì)引起土體結(jié)構(gòu)的破壞，從而產(chǎn)生沉降；三是膨脹性，這種性質(zhì)如果反復(fù)循環(huán)，會(huì)縮短道路的使用壽命，黃土遇水體積膨脹導(dǎo)致路基隆起膨脹，干燥后黃土收縮會(huì)導(dǎo)致路基發(fā)生沉降；四是多孔裂縫，黃土是一種特別的粘土，含沙率約為50%，而且孔隙度高，裂縫多呈斜坡和豎向分布，主要是從上到下貫穿。

1.2 黃土失陷情況出現(xiàn)原因

黃土的構(gòu)造特性和成分是引起黃土濕陷的內(nèi)部原因，而水壓又是造成黃土濕陷的外在條件。黃土的構(gòu)造與其形成的環(huán)境有關(guān)。在干旱和半干旱的天氣里，由于季節(jié)性的短時(shí)降水會(huì)將疏松的粉末聚集在一起，由于長(zhǎng)期的干旱，土壤中的水分會(huì)被蒸發(fā)，碳酸鈣、硫酸鈣等會(huì)慢慢地沉積下來，從而形成一種膠狀物質(zhì)。土壤水分含量越低，土壤粒子越接近，粒子間的分子吸引力越大，粘附水與毛細(xì)水的粘附力越大，土壤粒子間的抗滑性越強(qiáng)使土壤不能自重壓縮，從而形成以粗顆粒為主要骨架的多孔結(jié)構(gòu)。粘著砂粒和粗粉末的膠質(zhì)，如微粒和粘性粒子，在較大的接觸點(diǎn)上聚集著許多不同的可溶性鹽和水分子，使它們成為一組礦物微粒。周圍有許多微粒圍繞著這些微粒，這就是一個(gè)大的氣孔。在黃土被水浸泡后，粘附水薄膜變得更厚，楔形嵌入到顆粒間，從而使粘附水失去了聯(lián)系；土壤中的鹽溶解后，其骨架的強(qiáng)度會(huì)相應(yīng)下降，在上部土層的重力或重力和外加荷載的雙重作用下，結(jié)構(gòu)很快就會(huì)發(fā)生斷裂；由于顆粒向大孔方向滑動(dòng)，顆粒間的孔隙變小，造成了大量的附加沉降，從而形成了黃土濕陷。

2 案例概述

為深入探究灰土擠密樁在濕陷性黃土路基中的應(yīng)用要點(diǎn)，文章選取實(shí)際案例進(jìn)行詳細(xì)闡述。案例工程為某市新建道路工程，需改造路段全長(zhǎng)為437.181 m，道路紅線寬度為16 m，道路整體呈東西走向，工程沿線大部分為現(xiàn)狀山地。施工技術(shù)人員在對(duì)該路段處理方案進(jìn)行設(shè)計(jì)過程中發(fā)現(xiàn)其路基部分處于濕陷性黃土層中，由此其結(jié)合實(shí)際情況提出采用灰土擠密樁對(duì)路基部分進(jìn)行處理。

3 灰土擠密樁地基處理作業(yè)要點(diǎn)

3.1 灰土擠密樁施工方案設(shè)計(jì)

案例工程中，技術(shù)人員經(jīng)過實(shí)地考察以及對(duì)各項(xiàng)因素進(jìn)行綜合考量后，做出如下設(shè)計(jì)：設(shè)計(jì)成孔樁徑為0.4 m，采取等邊三角形方式布局，設(shè)置樁芯距為1.1 m以及1.5 m的灰土樁各一組，樁體材料采取2∶8比例設(shè)置的消石灰與土。依照現(xiàn)行JC/T481-92標(biāo)準(zhǔn)，施工所用消石灰應(yīng)為鈣質(zhì)消石灰合格品，其具體規(guī)格為：CaO+MgO含量在60%以上、含水率控制在0.2%～4%范圍內(nèi)、0.9 mm篩余應(yīng)在0.5%以下。施工所用黃土應(yīng)保證其純凈性，土料實(shí)際使用前應(yīng)利用20 mm以下篩孔對(duì)其進(jìn)行過篩處理。依照擊室試驗(yàn)結(jié)果，最佳含水量應(yīng)為±2%。實(shí)際施工中還應(yīng)對(duì)樁體材料進(jìn)行分層回填與夯實(shí)處理，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)夯擊次數(shù)以及分層厚度進(jìn)行確定。其施工原理如圖1所示。

3.2 灰土擠密樁的施工設(shè)備

①成孔設(shè)備：沉管成孔樁機(jī)；②拌合設(shè)備：常規(guī)拌合設(shè)備；③回填土夯實(shí)設(shè)備：當(dāng)前應(yīng)用較為廣泛的夯實(shí)設(shè)備包括兩種，一種應(yīng)用于K0+000～K0+301工段，使用夯錘進(jìn)行強(qiáng)夯擠壓，用于回填機(jī)鉆孔的夯錘，應(yīng)選用倒置拋物線或尖圓錐形，其重量不能少于100 kg，夯土的最大直徑應(yīng)該小于樁的孔徑10～16 cm。在K398+460—K398+480工段，利用沉管式成孔樁機(jī)械進(jìn)行成孔，并進(jìn)行擠土施工。

3.3 灰土擠密樁的施工工藝流程

①測(cè)量放樣。對(duì)工地進(jìn)行清潔和平整。②樁位的放線和打樁機(jī)位置確定。③鉆孔：用沉管法鉆孔。④對(duì)鉆孔底部進(jìn)行壓實(shí)。⑤回填壓實(shí)：將回填物料攪拌均勻后，按順序向孔洞中填充。以設(shè)計(jì)回填層為基準(zhǔn)，以錘重及下落距離為基準(zhǔn)，以夯打的數(shù)量為基準(zhǔn)（或以打樁器的出力為基準(zhǔn)）來計(jì)算擠壓時(shí)間。⑥按鉆孔、回填夯的施工次序，從外到內(nèi)，每一行之間要相距1～2個(gè)鉆孔，并適時(shí)進(jìn)行回填夯。具體如圖2所示。

圖2 灰土擠密樁施工流程

3.4 回填擠密樁試驗(yàn)檢測(cè)

3.4.1 在試樁之前進(jìn)行土壤的取樣和試驗(yàn)

在進(jìn)行試樁之前，必須先調(diào)查并測(cè)試樁區(qū)的土體特性。①在試樁區(qū)布置2口人工探井，其厚度比原設(shè)計(jì)的2.2 m以上。在土壤中，每10 m處采集一塊原始土壤樣品，進(jìn)行土壤水分、干濕密度、孔隙比的測(cè)定；塑料液體極限和濕陷系數(shù)，自重濕陷系數(shù)，初始濕陷壓力。②試夯區(qū)應(yīng)布置2處以上的連續(xù)動(dòng)態(tài)觸探（標(biāo)準(zhǔn)鉆），其深度比預(yù)計(jì)的加固深度要高出2～3 m。③場(chǎng)地土壤的夯實(shí)實(shí)驗(yàn)：計(jì)算出土壤的最優(yōu)水分和最高的干重。④對(duì)樁內(nèi)物料進(jìn)行灰度檢驗(yàn)，對(duì)使用III類或更高品質(zhì)的球磨生灰石進(jìn)行檢測(cè)。⑤樁內(nèi)物料壓實(shí)：根據(jù)設(shè)計(jì)配比，確定出最優(yōu)的灰泥土的水分和最高干重。

3.4.2 工程中的檢驗(yàn)

①在工程建設(shè)過程中，要經(jīng)常檢驗(yàn)摻入的灰土拌和質(zhì)量；②在工程中檢測(cè)樁孔直徑和樁孔深度；③依據(jù)夯錘的質(zhì)量和填密的不同，計(jì)算出夯錘落距和夯擊次數(shù)，并以指定的樁基材料的壓實(shí)度為依據(jù)。用打樁機(jī)的打樁距離進(jìn)行記錄。每一次夯擊時(shí)，都要進(jìn)行一次回填方的頂高程和夯沉量。

3.4.3 建設(shè)后的檢驗(yàn)

①在試驗(yàn)完成4個(gè)星期后，在樁間土上布置2口人工探井，深2～3 m以上，每0.5 m處留一根原始土壤樣品，測(cè)定樁間土含水量、干濕密度和孔隙比；在傳統(tǒng)的塑液限制條件下，對(duì)樁間土壤進(jìn)行濕陷系數(shù)、自重濕陷系數(shù)、初始濕陷壓等濕陷測(cè)試。②試夯區(qū)應(yīng)布置2處以上的連續(xù)動(dòng)態(tài)觸探（標(biāo)準(zhǔn)鉆），其深度要比鋼筋樁深2～3 m以上。③在完成試驗(yàn)后4個(gè)星期內(nèi)，應(yīng)選取3個(gè)以上的樁身。通過采樣，測(cè)定土壤含水量，干濕密度、孔隙比、塑液限等土壤的日常測(cè)試。④在完成試驗(yàn)后4個(gè)星期內(nèi)，應(yīng)選取3個(gè)以上的樁身進(jìn)行樁的靜力強(qiáng)度測(cè)試。

4 灰土擠密樁現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)及處置效果

4.1 施工路段現(xiàn)場(chǎng)灰土擠密樁現(xiàn)場(chǎng)施工試驗(yàn)

案例工程中，施工路段樁心距采用1.1 m間隔設(shè)計(jì)，回填投料厚度設(shè)計(jì)為0.5～2.6 m區(qū)間范圍內(nèi)。在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的過程中，施工技術(shù)人員使用振動(dòng)式沉管樁機(jī)和樁孔夯實(shí)機(jī)，夯實(shí)機(jī)錘重為160 kg。整組鉆孔只用10 min，搗固法一次鉆孔16 min，一次鉆孔耗時(shí)26 min。

在對(duì)施工路段進(jìn)行試驗(yàn)之前，技術(shù)人員對(duì)其進(jìn)行采樣試驗(yàn)的物理指標(biāo)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，發(fā)現(xiàn)該路段黃土層的厚度在4.5～6.8 m的區(qū)間范圍之內(nèi)，濕陷系數(shù)為0.032，自重濕陷系數(shù)為0.0 017，濕陷初始?jí)毫?7.8 KPa，濕陷量為84.6 mm，濕陷程度為輕微水平，判定濕陷等級(jí)為I級(jí)。

依據(jù)對(duì)施工路段灰土擠密樁試驗(yàn)檢測(cè)數(shù)據(jù)可得出如下結(jié)果：

（1）用160 kg的夯錘進(jìn)行10次夯擊，用沉管式打樁設(shè)備進(jìn)行打樁。采用2 m的落差法對(duì)擠灰土層進(jìn)行擠壓。采用單樁間距1.1 m時(shí)，能較好地解決黃土的濕陷問題，滿足高等級(jí)公路路基加固需要。

（2）樁間土干密實(shí)度在1.1 m厚時(shí)達(dá)到最大，同時(shí)壓縮模量也達(dá)到最高，除此以外壓實(shí)系數(shù)以及失陷系數(shù)達(dá)到最低，實(shí)現(xiàn)全場(chǎng)地的濕陷消除目的。因而，在該技術(shù)條件下，最佳回填層厚度應(yīng)為1.1 m。

5 灰土擠密樁荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)

為對(duì)濕陷黃土的濕陷特性及基礎(chǔ)加固效應(yīng)進(jìn)行檢驗(yàn)與分析，研究人員選擇典型土體進(jìn)行擠密樁荷載試驗(yàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，研究人員設(shè)計(jì)采用1.1 m、1.3 m兩種不同的軸向距離進(jìn)行試驗(yàn)，以供工程設(shè)計(jì)、施工時(shí)參考。在開展灰土樁施工之前，研究人員通過對(duì)原場(chǎng)地進(jìn)行室內(nèi)土工實(shí)驗(yàn)，得出原基礎(chǔ)承載力和濕沉初壓力分別為190 kPa和149 kPa。隨后研究人員對(duì)不同類型的壓實(shí)灰土樁進(jìn)行承載能力測(cè)試，并對(duì)其承載能力進(jìn)行分析。具體試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。

表1 復(fù)合地基承載力特征值以及濕陷起始?jí)毫?/p>

從以上結(jié)果可以看出，采用灰土樁法進(jìn)行擠密處理后，復(fù)合地基的承載力和濕陷初始?jí)毫Χ加休^大幅度的提高。但增加的幅度較小，承載力較原有結(jié)果增加了1.08倍（樁心間距1.10 m）和1.06倍（樁心間距1.30 m）；濕陷的初始?jí)簭?qiáng)增加利1.40倍（樁心距1.1 m）和1.33倍（樁心距1.3 m）。濕陷初始?jí)簭?qiáng)稍小于或等于承載力，可以認(rèn)為是完全或部分地排除了濕陷性的作用。

結(jié)果表明：樁心距在1.1 m情況下所取得濕陷性排除作用優(yōu)于樁心距1.3 m情況，但由于試驗(yàn)次數(shù)的減少，其定量分析規(guī)律也不明顯，具體規(guī)律以及標(biāo)準(zhǔn)還不能肯定，需要進(jìn)行大量的實(shí)驗(yàn)研究。在設(shè)計(jì)時(shí)，可以考慮結(jié)構(gòu)荷載和復(fù)合地基的初始濕陷壓力，選擇適當(dāng)?shù)某休d力設(shè)計(jì)值，其設(shè)計(jì)值要比初始濕陷壓力小。

6 總結(jié)

綜上所述，在當(dāng)前新時(shí)期背景下，繼續(xù)提升道路工程建設(shè)質(zhì)量已經(jīng)成為我國(guó)交通事業(yè)發(fā)展中必須面對(duì)的重要問題，同時(shí)也是支持我國(guó)社會(huì)經(jīng)濟(jì)建設(shè)有序開展的重要前提。濕陷性黃土路基是我國(guó)道路工程建設(shè)中必須解決的重要問題，其直接對(duì)道路施工以及后續(xù)使用質(zhì)量造成影響，文章案例采用灰土擠密樁技術(shù)開展施工設(shè)計(jì)，由最終工程建設(shè)成果可知，該工程竣工后完全滿足相關(guān)質(zhì)量規(guī)范，同時(shí)也可以滿足道路實(shí)際使用要求，濕陷性黃土地形對(duì)道路工程的影響基本得到解決，有效保障道路行駛安全性以及舒適性，其實(shí)際施工設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)可以為其他工程提供必要依據(jù)。