鮑燕妮

[同濟大學建筑設計研究院（集團）有限公司，上海市 200092]

0 引言

我國的黃土和黃土狀土主要分布在昆侖山、秦嶺、泰山、魯山連線以北的干旱、半干旱地區(qū)。原生黃土主要分布在山西、陜西、甘肅東南部和河南西部。黃土是以粉土為主，并含一定比例的細沙、極細砂和黏粒的沉積物。由于黃土粉粒含量較大、鈣質含量高、垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙發(fā)育，其具有顯著的結構性及強烈的水敏性，導致其在施工及運營過程中極易受水的影響[1]，進而產生不均勻沉降、路基開裂、產生坑槽、塌陷、暗穴、溜肩等工程地質病害。因此，黃土地區(qū)的道路路基會出現一些常見病害，包括對路基穩(wěn)定性、路面使用舒適性、邊坡安全性、排水設施、附屬工程壽命均產生不利影響。

我國大量學者針對黃土路基展開了大量研究，足以可見黃土地質對工程質量和安全影響是巨大的?，F結合甘肅蘭州新區(qū)某高填方路基現場病害現象及沉降觀測，分析該地區(qū)地貌形態(tài)下濕陷性黃土對高填方路基工程的危害性，進一步總結具體設計方法及注意事項，為類似工程提供參考。

1 工程地質及水文情況

現選取兩條路作為代表工程，分別為蘭州新區(qū)經十七路與NCE8# 路。經十七路是蘭州新區(qū)南部片區(qū)主干路網“兩橫兩縱”其中的“兩縱”之一，為南北向主干路，規(guī)劃紅線寬度為46 m；NCE8# 路為東西向城市次干路，紅線寬度30 m。

擬建道路地處蘭州新區(qū)東南部地區(qū)，地貌單元屬黃土丘陵地貌，丘陵呈垅狀分布，頂部為圓形或饅頭狀，坡形較緩，整體性好，高差67.81 m。該工程邊界條件是道路建設區(qū)域會先進行場平工程施工，再進行道路施工。其中，經十七路具有一定特殊性，部分路段位于原狀土區(qū)域，部分路段位于場平與原狀土銜接路段，部分路段又位于場平路段，NCE8# 路道路路基則均位于場平路段。原狀土丘陵地貌及場平后現場狀況見圖1 所示。

圖1 現場黃土丘陵地貌與場平后地貌

根據鉆探[2-3]，場地地層劃分為2 個工程地質層，主要由素填土與馬蘭黃土構成。

素填土（Q4ml）：淺黃色，稍濕，稍密～中密，土質不均勻，以人工回填的粉土為主，分布不連續(xù)，層厚3.00～20.00 m。層厚變化大，土質不均勻，工程地質條件差。

馬蘭黃土（Q32eol）：黃褐色，稍濕，中密～密實，土質均勻，具大孔隙，垂直節(jié)理發(fā)育，可見白色鈣化物質，呈零星狀分布，手搓具粉感，不易捏成團，干強度低，韌性差。廣泛分布于勘察區(qū)表部，該層場區(qū)普遍揭露。層厚2.30～31.20 m。

擬建場地內粉土的濕陷系數δs=0.02～0.16，自重濕陷系數δzs=0.02 ～0.13， 濕陷量Δs=3415.5 ～3550.5 mm。根據《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》[4]規(guī)定可知，該場地具有Ⅲ級（嚴重）自重濕陷。該場地①素填土承載力特征值為95 kPa，②馬蘭黃土承載力特征值為120 kPa。原位測試①素填土的密實度為稍密～中密，馬蘭黃土的密實度為稍密～中密。圖2 為地質剖面圖。

圖2 地質剖面圖

擬建道路橫跨小型溝谷，在降水集中的季節(jié)，暴雨可形成暫時性洪流匯集在低洼的溝谷中，區(qū)內潘家溝、下西溝等溝谷常年干涸無水，暴雨季節(jié)有少量流水，大都入滲消失或蒸發(fā)，少量流入秦王川盆地。在鉆探揭露深度范圍內未發(fā)現地下水，可不考慮地下水對工程的影響。

2 高填方路基填筑方案

2.1 場平回填情況

該區(qū)域場平工程是單獨委托場平設計院進行設計。其設計要求場地回填采用分層碾壓工藝，每層厚度不超過30 cm，以近地取材、方便施工、基層堅實等原則進行設計，低于設計標高6 m 以下深度回填壓實度大于85%；設計標高以下6 m 深度內回填壓實度大于90%。場地邊緣填方邊坡坡度采用1∶1.5；挖方邊坡坡度采用1∶1。

2.2 路基填筑要求

擬建道路工程設計一般路段采用當地合格土質填料進行分層壓實填筑。填方路段對地面進行強夯處理，強夯范圍為坡腳線外3 m。強夯后填筑當地合格土質填料至路床頂面以下80 cm。當選用濕陷性黃土回填時，應提前對其進行灑水悶濕處理，回填每2 m，采用25KJ 沖擊壓實機補壓。上部路床80 cm 采用砂礫填筑，分層填筑碾壓后壓實度要求不低于95%。其中，沖擊壓實遍數為暫定，具體應由實驗段最終確定。對目前場平施工完畢原地面進行再次強夯處理，并對原有場平邊坡虛土土方翻挖至實面后進行填筑。地面坡度緩于1∶5 時，可直接填筑路基。陡于1∶5 時，必須在地面開挖臺階，高填路基需進行超寬填筑。圖3 為現場強夯施工之實景。

圖3 現場強夯施工照片之實景

強夯夯擊能、夯擊次數結合試驗段確定，以夯沉量控制夯擊次數。首先采用2～3 遍點夯，再以低能量滿夯1～2 遍，滿夯可改用輕錘或低落距夯擊，錘印搭接。7～10 d 后，在有效加固深度（不小于6 m），測定土的壓實度，濕陷系數等指標進行檢測。根據現場調研，場平土方填筑較松散，場平表面強夯最大夯擊能可達到6 000～7 000 kN·m。

2.3 填挖交界

橫向填挖交界：當原地面線與路槽底部交于左半幅內（即填方一側）時，路床進行超挖回填處理后，在左半幅路床（距離路面結構底80 cm）范圍內鋪設兩層雙向土工格柵；反之則在全斷面路床范圍內鋪設兩層雙向土工格柵。

縱向填挖交界：超挖長度為10 m（短邊），在路床范圍內鋪設兩層雙向土工格柵并鋪設粒料類路床。

2.4 路基邊坡及防護

每級邊坡高度為8 m，第一級填方邊坡坡率取1∶1.5，設2 m 寬平臺；第二級填方邊坡坡率取1∶1.75，設2 m 寬平臺；從第三級填方邊坡開始，每級坡率均為1∶2，并在每8 m 處設2 m 寬平臺。道路兩側的地塊為城市建設用地，后期會陸續(xù)開發(fā)建設，故道路邊坡不作永久性防護。

2.5 邊坡穩(wěn)定計算

根據設計道路橫斷面圖，道路最大填挖方達到30 m 以上，選取高度最大的路塹邊坡、路堤邊坡橫斷面進行邊坡穩(wěn)定性計算。采用理正軟件復雜土層土坡穩(wěn)定計算方法，其計算結果如表1 所列，均為穩(wěn)定路基。

表1 邊坡穩(wěn)定性計算結果統(tǒng)計表

3 高填方路基現場病害分析

在強夯處理場平，路基按照設計要求分層填筑壓實后，兩條道路的高填方路基段出現一些病害，經十七路高填方路基主要有三處發(fā)生了縱向或橫向開裂，裂縫寬度約3～6 cm，由路基上方貫穿至邊坡下緣，裂縫向下延伸至溝壑方向，向上延伸至場平內裂縫（見圖4）。NCE8# 路路基也發(fā)生了橫向貫通性裂縫，裂縫發(fā)生在高填方路段，裂縫寬度3～5 cm，該處裂縫貫通坡腳下至場平上出現的一處開裂陷穴（見圖5）。

圖4 經十七路南延段路基開裂狀況之實景

圖5 NCE8# 路路基開裂及場平陷穴之實景

現場發(fā)生裂縫后，各方會同當地知名專家進行現場考察并探討總結病害原因如下：（1）大面積場平填方密實度有限，黃土濕陷性未完全消除，在雨季后出現了多處裂縫及深不見底的陷穴。黃土發(fā)生陷穴最直接的誘因就是水的潛蝕，黃土中有著非常豐富的含鹽量，碳酸鈣在遇到雨水時會迅速對土壤結構造成破壞，從而加劇土壤質地松軟[5]。故在高填方路基荷載作用下產生陷穴及裂縫的場平出現承載力不足，產生不均勻沉降開裂延展至路基。（2）經十七路位于場平邊緣位置，其橫向裂縫主要出現在原狀地形丘陵與山洼溝壑銜接處，在山洼溝壑處填筑高路基后，由于大量雨水聚集在溝壑位置，導致黃土地基在上部荷載作用下會發(fā)生一定沉降，加上場平與高填方路基自身不斷自密實，與縱向搭接山體挖方路基之間產生不均勻沉降引起開裂。（3）部分縱向裂縫是出現在原狀地形與場平邊坡搭接處，主要是由于場平邊坡壓實度不足，采用常規(guī)臺階搭接方式不能確保整體密實度及均勻性，場平與高路基自身沉降不一致引起路基開裂。

總結主要原因是受到場平密實度、填挖方路基密實度銜接及雨水作用影響產生病害現象。為了避免對后期管線及路面工程的不利影響，結合工期要求，確定處理方案是：（1）疏導場平（周邊地形）上積水，避免積水在路基底部；（2）采用灌粘土，或混凝土等方式封閉陷穴、裂縫；（3）對高填方路基進行等載預壓，同時對路基進行長期沉降觀測；（4）待沉降基本穩(wěn)定后對路基頂部再次進行強夯處理；（5）設置灰土路床封閉雨水下滲，最后再施工上部路面結構。

4 現場路基沉降數據分析

經十七路主要設置三處斷面沉降觀測，均有其代表性。其中，K0+940 樁號處屬于高填方路段代表，路基填土高度33.88 m，位于原狀山包與溝壑縱向填挖交界段；K1+180 樁號為一個橫向半填半挖橫斷面，右側填方側路基邊坡高度達到36.6 m；K1+360樁號處為原狀地貌與場平地坪縱向銜接段，路基最大高度約20.58 m，坐落于場平邊坡位置。觀測時間近三年，以下列出路基沉降觀測部分數據（見表2～表5 所列及圖6 所示）。

圖6 經十七路路基累計沉降觀測數據曲線圖

表2 路基頂累計沉降觀測值（2017 年）一覽表 單位：mm

表3 路基頂累計沉降觀測值（2018 年部分）一覽表 單位：mm

表5 路基頂累計沉降觀測值（2019 年）一覽表 單位：mm

以上觀測數據顯示，三個點位累計沉降一致在增加，累計沉降達到210～267 mm，第三年整體趨勢逐步減緩，但尚未完全收斂，可見黃土地區(qū)高填方路基的沉降時間非常長。此外，位于原狀土地貌縱橫向搭接段K0+940，K1+180 樁號位置累計沉降值趨于一致，反而K1+360 樁號累計沉降略大，達到267 mm，反應出場平邊坡壓實度不足引起的累計沉降更大。由此可見場平工程不滿足時，對其上方工程的后期推進帶來巨大影響。對沉降數據詳細分析可見每年雨季對沉降影響是比較明顯的，雨季及雨季后兩個月沉降趨勢增大，其余時間相對平緩，故曲線不均勻，帶有一定臺階狀上升趨勢。

表4 路基頂累計沉降觀測值（2018 年部分）一覽表 單位：mm

按照《公路路基設計規(guī)范》[6]提出的方法估算，工后沉降量為填土高度的0.7%～1.5%，即K0+940 路基工后沉降為237 mm～508 mm，K0+940 路基工后沉降為256 mm～549 mm，K0+940 路基工后沉降為144 mm～309 mm。與現場觀測累計沉降對比，觀測數據基本屬于預測低限值，且觀測數據尚未完全收斂，因此建議擬建工程高填方路基段尚需繼續(xù)堆載,并進一步觀測。

5 結語

結合上述分析，提出以下結論供相關工程參考。

（1）該工程高填方路基沉降觀測數據顯示三年時間沉降尚未完全收斂。分析可知黃土地區(qū)沉降發(fā)展非常緩慢，常常發(fā)生幾年，或十幾年時間。因此，在工程設計中應避免采用高填方路基。

（2）路基開裂多發(fā)生在原狀地形丘陵與山洼溝壑縱橫向銜接處?；蛟瓲畹匦闻c場平搭接處。這是由于溝壑處路堤往往是高填方，基底又易受到水的侵蝕，濕陷性黃土在水的作用下出現裂縫、陷穴及沉降變形，外荷載作用下再次產生沉降破壞。故高路基填筑需重視縱橫向搭接處地基處理，做好沖溝溝底清淤換填工作，可采用強夯或復合地基進行處理。在路基搭接段，設置粒料類路基過渡段，輔以格柵搭接及加強壓實工藝[7]，設置縱橫向盲溝及周邊排水措施，并預留路基沉降自密實的時間。

（3）黃土地區(qū)高填方路基需預留合理加寬加高值，以保證路基沉降后寬度滿足要求。

（4）當場平工程作為道路基礎時，其場平填筑要求應滿足道路工程規(guī)范要求，確保場平地基的密實度，消除黃土填料的濕陷性，確保場地良好排水措施，避免雨水匯集地表徑流產生暗穴及裂縫。

（5）一般對于填土不高的路基來說，以地基沉降為主；對于高填方路基來說，路堤自身沉降占總沉降相當大的比例[8]。因此，對于黃土地區(qū)的高填方路基，需提高路基自身填筑壓實標準，建議補充分層強夯的處理措施。