秦英廣

(太原理工大學(xué)，山西太原 030024)

黃土是第四紀(jì)的一種特殊堆積物，覆蓋全球面積的1/4以上，對(duì)黃土地基承載力問(wèn)題的研究由來(lái)已久，主要研究方向包括地基承載力的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試和濕陷性評(píng)價(jià)等方面。在我國(guó)黃土分布較廣，區(qū)域特征明顯，其中濕陷性黃土占黃土分布面積的60%左右，濕陷性黃土是指天然黃土在上覆土的自重作用下，或上覆土的自重應(yīng)力和附加應(yīng)力作用下，受水浸潤(rùn)后土的結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的黃土。20世紀(jì)50年代至今，我國(guó)對(duì)黃土性質(zhì)研究以及工程經(jīng)驗(yàn)積累方面取得了重要成果:從地質(zhì)學(xué)角度出發(fā)，研究黃土的成因、地質(zhì)年代、地層劃分、地形地貌、物質(zhì)組成以及結(jié)構(gòu)特征等;從工程角度方面，研究黃土的工程性質(zhì)、變形規(guī)律、工程處理方法等。

1 工程概況

聞臨高速公路起自聞喜縣東鎮(zhèn)東姚村，經(jīng)過(guò)稷山縣、萬(wàn)榮縣，終點(diǎn)位于臨猗縣孫吉鎮(zhèn)王顯莊村，全長(zhǎng)76.2 km，該區(qū)段位于山西省強(qiáng)烈濕陷性黃土分布地區(qū)［1］。黃土地貌是黃土堆積過(guò)程中遭受強(qiáng)烈侵蝕的產(chǎn)物。黃土塬、梁、峁等地貌類型主要由堆積作用形成;溝谷則是強(qiáng)烈侵蝕的結(jié)果。該高速公路段建設(shè)項(xiàng)目包括以下四種地貌形式［2］。

1)黃土丘陵區(qū):AK0+800～AK7+500段黃土丘陵區(qū)，總體上地形復(fù)雜，在前半段呈渾圓狀土包與平地相連，后半段接近高黃土臺(tái)塬區(qū)溝壑縱橫。溝壁稍陡，沖溝切割劇烈，呈“V”或“U”形，局部地段呈現(xiàn)黃土梁峁?fàn)?，本?xiàng)目路線起點(diǎn)段落，沖溝主方向?yàn)闁|西向，路線終點(diǎn)段落主溝方向多為南北向，密度4條/km～7條/km，寬度20 m～80 m，長(zhǎng)度50 m～400 m，深達(dá)百米，微地貌為黃土梁、陡坎、深谷。出露地層主要為馬蘭和離石黃土，馬蘭黃土多披覆在離石黃土上。2)高黃土臺(tái)塬區(qū):AK7+500～AK23+800，DK41+300～DK46+200，AK58+500～AK76+660段為高黃土臺(tái)塬區(qū)，總體上地勢(shì)平坦。地勢(shì)較為開(kāi)闊，地形起伏不大，地表大面積覆蓋第四系沉積物，線路沿地表展布，施工難度較小，局部發(fā)育溝谷，切割較淺。3)山前黃土平地區(qū):AK38+100～DK41+300，DK46+200～AK58+500段分布于稷王山、孤峰山前傾斜平原區(qū)，由南向北微微傾斜，坡降1°～3°，呈小臺(tái)階狀，由于黃土受流水的侵蝕，沖溝發(fā)育，沖溝一般長(zhǎng)1 km～2.5 km，切割深度40 m～60 m。沖溝溝壁直立，呈“V”或“U”字形，南北向延伸。4)黃土殘塬區(qū):AK23+800～AK34+415，AK34+709.302～AK38+100為黃土殘塬區(qū)，該區(qū)溝壑縱橫，梁、峁、殘塬相間，沖溝普遍發(fā)育，溝壁陡峭，切割強(qiáng)烈，呈“V”或“U”字形，水土流失嚴(yán)重，不良地質(zhì)以黃土陷穴、人工洞穴(窯洞)、滑坡、崩塌、地裂縫等為主。

2 黃土物理力學(xué)性質(zhì)

2.1 黃土物理力學(xué)性質(zhì)

以聞臨高速公路AK13+630～AK13+960為試驗(yàn)路段，對(duì)表1中土樣主要進(jìn)行以下幾個(gè)方面的試驗(yàn)研究:1)黃土的物理性質(zhì)試驗(yàn);2)黃土的力學(xué)性質(zhì)研究。結(jié)果分別如表1，表2所示。

由表1數(shù)據(jù)可知:1)隨著取土深度的增加，天然含水量基本增加。黃土地區(qū)地下水位深且年降水量小，在黃土地表，含水量只有10%左右;地表以下10 m處，含水量在10%～15%之間。2)土粒比重變化小，集中在2.71，粉土顆粒為主。3)單位體積內(nèi)土體內(nèi)土粒含量較少，黃土干密度小，約1.4 g/cm3～1.5 g/cm3。4)土體天然孔隙比在0.90～1.2之間。

表1 黃土土樣物理性質(zhì)

δs定量地表示了土樣所代表黃土層的濕陷程度，是一定壓力作用下單位厚度土層由于浸水在規(guī)定壓力產(chǎn)生的濕陷量，當(dāng)δs≥0.015時(shí)為濕陷性黃土，同時(shí)黃土的濕陷性與所受的壓力大小有一定關(guān)系，Ps表示使黃土產(chǎn)生濕陷臨界壓力起始?jí)毫?。?dāng)Ps小于上覆土的飽和自重時(shí)，在上覆土層自重壓力作用下受水黃土即發(fā)生濕陷，為自重濕陷性黃土。如果Ps大于上覆土的飽和自重，則土層在上覆土自重作用下不發(fā)生濕陷，為非自重濕陷性黃土。

由表2數(shù)據(jù)可知:1)黃土的濕陷系數(shù)δs基本都大于0.015，為濕陷性黃土。2)在AK13+630～AK13+960區(qū)段，場(chǎng)地濕陷類型基本為非自重濕陷性。3)從黃土液限、塑限試驗(yàn)結(jié)果可以看出，土樣可塑性指標(biāo)，接近天然狀態(tài)，可以認(rèn)為是特殊的粘性土或者粉性土。

2.2 黃土濕陷等級(jí)

在濕陷性黃土地區(qū)，準(zhǔn)確的評(píng)價(jià)場(chǎng)地黃土的濕陷性，才能選擇合適的地基處理方案，正確計(jì)算工程周期長(zhǎng)短及地基處理費(fèi)用。采用探井取樣，室內(nèi)雙線法試驗(yàn)，分析沿線黃土的濕陷性，以下選取該公路段線AK10+500～AK11+300，AK11+300～AK15+700，AK15+700～AK23+600為例進(jìn)行分析研究，如表3所示。

3 常見(jiàn)處理方法

不同的地區(qū)、土質(zhì)和工程特點(diǎn)，地基處理的方法也不同。根據(jù)該工程所涉及到的濕陷性黃土的類型、等級(jí)和土層厚度。主要 介紹以下兩種處理方法:強(qiáng)夯處理法和擠密樁法。

表2 黃土土樣物理力學(xué)性質(zhì)

表3 黃土濕陷等級(jí)

3.1 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是通過(guò)突然釋放的巨大能量將各種波形和動(dòng)應(yīng)力傳到土體內(nèi)，提高土的強(qiáng)度、降低壓縮性、改善砂土抗液化和消除濕陷性土的濕陷性，同時(shí)提高地基土的均勻程度，減少差異沉降。在山西地區(qū)應(yīng)用廣泛，具有施工簡(jiǎn)單、加固效果好和成本低等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于工民建筑、倉(cāng)庫(kù)、儲(chǔ)倉(cāng)、公路鐵路路基、碼頭和機(jī)場(chǎng)跑道。

1)加固機(jī)理:加固機(jī)理分為動(dòng)力密實(shí)、動(dòng)力固結(jié)和動(dòng)力置換三種［3］。

2)強(qiáng)夯有效深度:有效加固深度是選擇地基處理方法的重要依據(jù)，也能直觀地反映處理效果，可根據(jù)公式估算，它和夯錘重量、落距、地基土的性質(zhì)、土層厚度均有關(guān)。常用的單擊夯擊能為1 000 kN·m～4 000 kN·m，單擊夯擊能越大，有效加固深度越大，對(duì)于濕陷性黃土，有效加固深度可達(dá)到4 m～8 m。

3)強(qiáng)夯土承載力:強(qiáng)夯對(duì)上部地基土進(jìn)行重塑，強(qiáng)夯地基承載力特征值可以通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)載荷試驗(yàn)確定，對(duì)強(qiáng)夯土大量的載荷試驗(yàn)p—s曲線均無(wú)明顯拐點(diǎn)，對(duì)強(qiáng)夯土取p—s曲線s/b=0.01～0.015所對(duì)應(yīng)的荷載(s為壓板沉降量，b為壓板寬度或直徑)［4］。

針對(duì)本工程擬采用強(qiáng)夯法，分別對(duì)濕陷等級(jí)為自重的地段以及濕陷性黃土厚度大于6 m的非自重地段，原地面采取強(qiáng)夯處理;對(duì)于濕陷性黃土的厚度小于6 m時(shí)，原地面重錘夯實(shí)，增加土體的密實(shí)度使土體擠密，減小土體孔隙比。

3.2 擠密樁法

灰土擠密樁法和土擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土和雜填土地基，處理地基的深度在5 m～15 m，利用沉管、沖擊或爆破等方法在地基中擠土成孔。然后向孔內(nèi)填素土或灰土成樁。加固機(jī)理包括擠密作用、灰土性質(zhì)作用、樁體作用:土或灰土樁在成孔時(shí)，樁孔位置原有土體被強(qiáng)制擠壓，使樁周一定范圍的土層密實(shí)度得以提高，擠密影響半徑在1.5倍～2.0倍樁徑直徑左右，其中土的天然孔隙比對(duì)擠密效果影響很大，當(dāng) e=0.90 ～1.2 時(shí)，擠密效果良好，當(dāng) e＜0.80 時(shí)，土的濕陷性一般已經(jīng)消除，沒(méi)有必要采用擠密地基;灰土樁的特殊材料在化學(xué)性質(zhì)上和力學(xué)性能上能夠很好的提高地基承載力、消除黃土的濕陷性以及減小沉降量;樁體的變形模量遠(yuǎn)大于樁間土的變形模量，樁體上產(chǎn)生應(yīng)力集中的同時(shí)降低了一定深度范圍以內(nèi)的樁間土應(yīng)力，一定程度上消除了壓縮變形和濕陷變形的不利影響。

1)樁心距:樁間距以保證樁間土擠密后，達(dá)到密實(shí)度和消除濕陷性為原則。一般取2倍～2.5倍樁孔直徑，計(jì)算公式為:L=對(duì)于重要工程和缺乏經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)的樁間距，還應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)成孔擠密試驗(yàn)確定不同樁距擠密效果的優(yōu)劣。樁孔內(nèi)的填料需分層回填夯實(shí)，平均壓實(shí)系數(shù)不宜小于0.97。

2)承載力和變形模量:主要通過(guò)荷載試驗(yàn)和參照工程經(jīng)驗(yàn)確定。針對(duì)消除黃土濕陷性為目的的擠密樁，采取浸水試驗(yàn)，其中自重濕陷性黃土的浸水直徑不應(yīng)小于土層厚度且大于10 m，實(shí)驗(yàn)所得的p—s曲線不存在明顯直線段時(shí)，取s/b=0.012(灰土擠密樁時(shí)取s/b=0.008)相對(duì)應(yīng)的荷載作為地基承載力特征值。一般工程地基承載力特征值可根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)值確定，無(wú)具體經(jīng)驗(yàn)時(shí)，灰土擠密樁不應(yīng)大于處理前的1.4倍且不應(yīng)大于180 kPa;灰土擠密樁法不應(yīng)大于處理前的2倍和250 kPa。

3)地基變形:計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布采用各向同性均質(zhì)線性變形體系理論，最終變形參考GB 50007建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范的相關(guān)要求，復(fù)合土層的壓縮模量采用荷載試驗(yàn)的變形模量代替［5］。

針對(duì)本工程中Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)自重濕陷性、Ⅰ級(jí)～Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土以及與6 m以上高擋墻連接路段擬采用強(qiáng)夯結(jié)合灰土擠密樁法處理，達(dá)到穿透全部濕陷性土層、消除濕陷性的要求。

4 結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土因特有的土體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和工程性能，給工程建設(shè)帶來(lái)了許多困難，黃土地區(qū)公路建設(shè)最難處理的問(wèn)題就是消除黃土濕陷性問(wèn)題，針對(duì)濕陷性黃土的特殊性能，地基處理的目的主要即破壞濕陷性黃土的大孔隙結(jié)構(gòu)，消除或減小地基因偶然浸水而引起的濕陷變形。濕陷性黃土地基處理方法的選擇應(yīng)綜合考慮建筑物的類別、場(chǎng)地的濕陷類型、地基的濕陷等級(jí)、施工技術(shù)及工程造價(jià)等因素。

結(jié)合高速公路黃土土樣的物理和力學(xué)性質(zhì)的研究結(jié)果和常見(jiàn)黃土地基處理方法的使用范圍，分析了在本工程中強(qiáng)夯法和擠密樁法的適用性。

本工程大部分地區(qū)采用強(qiáng)夯法，分別對(duì)濕陷等級(jí)為自重的地段以及濕陷性黃土厚度大于6 m的非自重地段，原地面采取強(qiáng)夯處理;對(duì)于濕陷性黃土的厚度小于6 m時(shí)，原地面重錘夯實(shí)，增加土體的密實(shí)度使土體擠密，減小土體孔隙比。針對(duì)本工程中Ⅰ級(jí)～Ⅲ級(jí)自重濕陷性、Ⅰ級(jí)～Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土以及與6 m以上高擋墻連接路段擬采用強(qiáng)夯結(jié)合灰土擠密樁法處理，達(dá)到穿透全部濕陷性土層、消除濕陷性的要求。

［1］李 毅.山西省濕陷性黃土地區(qū)地基處理方法的探討［J］.山西建筑，2008，34(33):110-111.

［2］龍 毅，周 侗，湯國(guó)安，等.典型黃土地貌類型區(qū)的地形復(fù)雜度分形研究［J］.山地學(xué)報(bào)，2007，34(4):110-111.

［3］王鳳超，張紅波，徐 建.強(qiáng)夯法加固機(jī)理及在濕陷性黃土地基中的應(yīng)用［J］.山西建筑，2008，34(27):108-109.

［4］王 軍，張旭紅.強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基的效果分析［J］.巖土工程，2004，19(3):23-24.

［5］JGJ 94-2008，建筑樁基技術(shù)規(guī)范［S］.