李雪浩

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司,山西 太原 030012）

0 前言

黃土是指第四紀(jì)期間風(fēng)力搬運(yùn)形成的黃色沉積物，其中約60%的黃土具有濕陷性[1]。濕陷性黃土?xí)谧灾貞?yīng)力或附加應(yīng)力作用下，因浸水而土體結(jié)構(gòu)破壞，發(fā)生顯著的附加變形，對(duì)高速公路路基安全穩(wěn)定產(chǎn)生嚴(yán)重影響。如何合理運(yùn)用各種濕陷性黃土處治方法以達(dá)到安全、耐久、經(jīng)濟(jì)、低碳的處治效果，是保障黃土地區(qū)公路工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展的重要工程問題。

1 工程概況

汾石高速公路全長(zhǎng)82.29 km，是山西省“十四五”期間實(shí)現(xiàn)縣縣通高速目標(biāo)的最后兩個(gè)項(xiàng)目之一。路線約80%位于沖洪積平原、黃土丘陵和黃土覆蓋中山區(qū)，項(xiàng)目區(qū)內(nèi)全新統(tǒng)沖洪積相（Q4al+pl）及上更新統(tǒng)坡積（Q3dpl）黃土廣泛分布，土體結(jié)構(gòu)松散，大孔隙和垂直節(jié)理發(fā)育，壓縮性高，且多具濕陷性。

2 濕陷性黃土評(píng)價(jià)

2.1 黃土濕陷機(jī)理

黃土顆粒間的松散結(jié)構(gòu)和膠結(jié)物質(zhì)是導(dǎo)致黃土濕陷的根本原因。黃土是在干旱或者半干旱的氣候條件下形成，黃土中，粒徑＞0.01 mm的顆粒構(gòu)成了黃土的骨架，粒徑0.01~0.002 mm的顆粒填充在骨架之間的孔隙中，粒徑＜0.002 mm的顆粒在黃土中起到膠結(jié)作用。黃土顆粒和孔隙之間由膠結(jié)物質(zhì)粘結(jié)，在一般情況下，黃土能保持結(jié)構(gòu)性，具有低壓縮性、高抗剪強(qiáng)度的特性。在浸水后，一部分黃土的顆粒間膠結(jié)物質(zhì)發(fā)生溶解和軟化，顆粒間水化膜增厚、連接程度降低，骨架強(qiáng)度隨之下降，在自重壓力或者附加壓力的共同作用下，骨架架構(gòu)隨之破壞，土體顆?；虼罂紫?，土體隨之發(fā)生濕陷變形。

2.2 濕陷等級(jí)劃分

公路工程采用室內(nèi)浸水飽和壓縮試驗(yàn)的方法判定黃土濕陷程度，采用濕陷系數(shù)和濕陷量作為定量評(píng)價(jià)指標(biāo)。

濕陷系數(shù)可按式（1）計(jì)算：

試驗(yàn)中要尤其注意試驗(yàn)壓力的選定。對(duì)零填路基，試驗(yàn)壓力應(yīng)采用地基土飽和自重壓力；對(duì)路堤，試驗(yàn)壓力應(yīng)采用路堤荷載作用下地基附加壓力和地基土飽和自重壓力之和；對(duì)路塹，試驗(yàn)壓力應(yīng)自挖方設(shè)計(jì)高程算起，取路塹底以下地基土飽和自重壓力。自重濕陷系數(shù)測(cè)定方法與一致，但試驗(yàn)壓力應(yīng)取土樣上覆土的飽和自重應(yīng)力。

根據(jù)計(jì)算所得的濕陷量，按照相關(guān)規(guī)范對(duì)濕陷性黃土地基濕陷等級(jí)進(jìn)行劃分。

根據(jù)勘察和試驗(yàn)結(jié)果，項(xiàng)目全線濕陷黃土路段總長(zhǎng)16.78 km，其中Ⅰ級(jí)非自重段落3.315 km，占濕陷段落總長(zhǎng)的19.58%，濕陷厚度2.5~9.2 m；Ⅱ級(jí)非自重段落長(zhǎng)2.145 km，占濕陷段落總長(zhǎng)的12.67%，濕陷厚度6.5~10.6 m；Ⅱ級(jí)自重段落長(zhǎng)7.18 km，占濕陷段落總長(zhǎng)的43.3%，濕陷厚度4~13.8 m；Ⅲ自重段落長(zhǎng)4.14 km，占濕陷段落總長(zhǎng)的24.45%，濕陷厚度10.4~13.7 m。

3 濕陷性黃土處治方案設(shè)計(jì)

3.1 處治設(shè)計(jì)原則

濕陷性黃土地基處理設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“安全、耐久、低碳、經(jīng)濟(jì)”原則，結(jié)合工程地質(zhì)條件和路基工點(diǎn)類型合理選定處治方案。不同重要程度的工點(diǎn)需要達(dá)到的處理效果不同，首先應(yīng)按照工程重要性對(duì)路基工程進(jìn)行分類，路基工程等級(jí)劃分可參照表1[2]。

表1 工程等級(jí)劃分

甲類工程對(duì)地基變形敏感，一旦地基發(fā)生沉陷變形，往往后果嚴(yán)重，故應(yīng)采取較強(qiáng)地基處理手段，以消除地基的全部濕陷量或者穿越水體下滲影響范圍內(nèi)濕陷性土層為處治目標(biāo)。乙類工程為一般路基段，允許地基出現(xiàn)一定程度的變形下沉，設(shè)計(jì)階段應(yīng)結(jié)合具體路基形式、高度和工程地質(zhì)條件，選定經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。乙類工程的最小處理深度應(yīng)符合表2要求[2]。

表2 濕陷性黃土地基最小處理深度 /m

3.2 處治方法分析

濕陷性黃土處治的關(guān)鍵是減小土體孔隙率，增大土體壓實(shí)度，擠密樁、換填、夯擊、碾壓等方式都是行之有效的處治手段[3]，但都有其適用范圍。

（1）擠密樁法。工程中常采用灰土擠密樁、素土擠密樁或者干拌水泥碎石擠密樁等方式處理濕陷性黃土地基。擠密樁法通過沉管施工擠密土體，并在消除黃土濕陷性的同時(shí)，由樁體和樁間土共同組成復(fù)合地基。擠密樁法處治有效性高、施工適應(yīng)性廣，但工程造價(jià)較高，以汾石高速為例，灰土擠密樁的處治單價(jià)約為55元/m2，是強(qiáng)夯的2.7倍。故擠密樁主要適用于甲類工程或者濕陷等級(jí)高、厚度厚、其他處治方式施工困難的特殊路段，不宜作為常規(guī)處治手段。

（2）強(qiáng)（重）夯法。強(qiáng)（重）夯法通過重錘反復(fù)擊打地基，運(yùn)用夯擊勢(shì)能壓密土體，是工程中最常用的濕陷性黃土處治方法。工程中常用強(qiáng)夯的單點(diǎn)夯擊能為1 000~4 000 kN·m，可有效消除起夯面下3~6 m土層的濕陷性，重夯單點(diǎn)夯擊能為600 kN·m，可消除起夯面下2~3 m土層的濕陷性。強(qiáng)（重）夯法工程造價(jià)低，強(qiáng)夯處理單位造價(jià)約為20元/m2，重夯處理單位造價(jià)約為9元/m2。強(qiáng)（重）夯法可應(yīng)用于填高較高、濕陷等級(jí)較高的乙類工程和濕陷土層分布不厚的甲類工程。但是在地形陡峭的黃土沖溝地區(qū)，由于強(qiáng)夯施工機(jī)械操作困難，需考慮其他處治方案。同時(shí)強(qiáng)夯施工對(duì)自然邊坡穩(wěn)定性和周圍建筑物的安全存在一定影響，高邊坡和臨近建筑物的路段需謹(jǐn)慎采用或采取必要的安全措施。

（3）沖擊碾壓法。沖擊碾壓法是通過多邊形沖擊壓路機(jī)碾壓地基形成的沖擊輪勢(shì)能密實(shí)土體，工程中常用的30 kJ壓路機(jī)有效處理范圍可達(dá)1.5 m，并且造價(jià)優(yōu)勢(shì)明顯，約為4元/m2，故可作為乙類工程的常規(guī)性處治手段。但是由于沖擊壓路機(jī)需一定的施工長(zhǎng)度和場(chǎng)地寬度保證碾壓速度，場(chǎng)地空間較小的路段不適用。

（4）換填墊層法。換填墊層是通過水泥土、石灰土等改良土體替換濕陷性土層，達(dá)到消除濕陷性的目的。但是工程造價(jià)高，每1 m厚的4%水泥土墊層造價(jià)約為52元/m2，6%灰土墊層造價(jià)約為64元/m2，換填墊層法宜作為其他處治方法的補(bǔ)充手段，靈活運(yùn)用。

3.3 處治方案設(shè)計(jì)

3.3.1 甲類工程

（1）橋頭路基。橋頭路基處治長(zhǎng)度為與橋臺(tái)距離25 m的路基地基，處理寬度為每側(cè)應(yīng)超出路基底寬3 m范圍。

對(duì)濕陷性黃土厚度小于5 m時(shí)的填方路段，采用強(qiáng)夯處理，單點(diǎn)夯擊能選用2 000 kN·m，強(qiáng)夯前應(yīng)選擇代表性路段選取試夯區(qū)進(jìn)行試夯，確定夯擊方案、夯擊次數(shù)、夯擊遍數(shù)、間歇時(shí)間等參數(shù)。同時(shí)，施工前還應(yīng)測(cè)量地基土含水量，對(duì)含水量大于22%或者飽和度大于60%的土體，應(yīng)事先進(jìn)行晾曬等待含水率降低后進(jìn)行施工，對(duì)含水量小于8%的，應(yīng)先潤(rùn)濕土體后再進(jìn)行施工。施工過程中，要做好減震措施，保證橋梁構(gòu)造物安全，設(shè)計(jì)方案見圖1。

圖1 填方小于5 m的橋頭路堤地基處理設(shè)計(jì)圖

對(duì)濕陷性黃土厚度大于5 m時(shí)的填方路段，采用石灰土擠密樁處理，擠密樁樁身消石灰含量為10%，樁徑采用40 cm，樁孔呈等邊三角形布置，孔中心距1 m，樁長(zhǎng)以穿透濕陷性土層為控制，但考慮到山西地區(qū)年降水量較少，地表水和施工用水下滲深度有限，樁長(zhǎng)不宜超過8 m。樁頂需設(shè)置30 cm厚的灰土墊層，用于調(diào)整荷載分布和封閉地表水，設(shè)計(jì)方案見圖2。

圖2 填方大于5 m的橋頭路堤地基處理設(shè)計(jì)圖

考慮到該項(xiàng)目挖方橋臺(tái)較少，且絕大部分濕陷土層已被挖除，對(duì)挖方橋頭路基采用路床部分換填6%灰土處理。

（2）涵洞、通道，墻高大于6 m的擋土墻。結(jié)合地基承載力要求，對(duì)地基設(shè)置50 cm灰土墊層提高地基承載力，并根據(jù)濕陷等級(jí)采取相應(yīng)措施消除濕陷。Ⅲ級(jí)及以上濕陷性黃土地基采用2 000 kN·m夯擊能的強(qiáng)夯處治；Ⅱ級(jí)及以下濕陷性黃土采用600 kN·m夯擊能的重夯處治。

3.3.2 乙類工程

（1）填方路基。填方路段的地基處理范圍為路堤段距坡腳排水溝外側(cè)不小于1 m，無(wú)排水溝時(shí)坡腳外1 m。對(duì)Ⅰ級(jí)濕陷性黃土地基采用正常填前碾壓處理；對(duì)Ⅱ級(jí)非自重、自重濕陷性黃土地基采用沖擊碾壓（30 kJ）處理；對(duì)Ⅲ級(jí)自重濕陷性黃土地基，填土高度≤4 m時(shí)采用沖擊碾壓（30 kJ）處理，填土高度＞4 m時(shí)采用重夯（600 kN·m）。對(duì)Ⅳ級(jí)自重濕陷性地基，填土高度＞4 m時(shí)采用強(qiáng)夯（2 000 kN·m），填土高度≤4 m時(shí)采用重夯（600 kN·m）處理。

（2）挖方路基。挖方路段的處理范圍為路基斷面寬度（包含邊溝范圍）。對(duì)Ⅰ級(jí)濕陷性黃土地基采用下路床翻松碾壓，上路床回填6%灰土處理；對(duì)Ⅱ級(jí)非自重、自重濕陷性黃土地基采用超挖至路床底，對(duì)地基進(jìn)行正常碾壓后，下路床分層壓實(shí)，上路床回填6%灰土處理；對(duì)Ⅲ、Ⅳ級(jí)自重濕陷性黃土地基采用挖至路床底，對(duì)地基沖擊碾壓（30 kJ）后，下路床分層壓實(shí)，上路床回填6%灰土處理。

（3）以上方案中，對(duì)處治長(zhǎng)度小于100 m不適宜沖擊碾壓的路段，采用重夯（600 kN·m）代替處理。對(duì)距離房屋建建筑物水平距離小于50 m的，不適宜強(qiáng)（重）夯、沖擊碾壓處理路段，采用地基清表后換填50 cm灰土墊層，并在坡腳設(shè)寬1.2 m的灰土隔水墻處理，隔水墻的高度根據(jù)濕陷性等級(jí)確定。

（4）在地基處理前，應(yīng)對(duì)路堤坡腳或路塹邊坡坡口上側(cè)80 m、下側(cè)50 m范圍內(nèi)的黃土陷穴、落水洞和空洞進(jìn)行回填壓實(shí)。

3.4 防排水措施

浸水是導(dǎo)致濕陷性黃土沉陷的根本原因，防排水設(shè)計(jì)是濕陷性黃土地基處理的重要部分。黃土地區(qū)公路工程應(yīng)加強(qiáng)綜合排水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，保證排水暢通，防止積水與下滲，做到防治并重。

在路基排水設(shè)計(jì)中，對(duì)挖方、低路堤及低填淺挖路段，在挖方邊坡或填方邊坡坡腳外設(shè)置排水邊溝，邊溝水通過排水溝引至路基范圍之外；挖方路段或斜坡路堤上方流入路界的地表徑流較大路段，設(shè)置截水溝；多級(jí)路塹或路堤路段，在邊坡平臺(tái)處設(shè)置平臺(tái)截水溝，減少坡面沖刷；在路堤和路塹坡面或者坡面平臺(tái)上向下集中排水時(shí)，設(shè)置急流槽；中央分隔帶表面采用鋪面封閉，鋪面之下設(shè)置防水層。黃土地區(qū)的排水溝渠長(zhǎng)度應(yīng)控制在300 m以內(nèi)，溝底縱坡不應(yīng)小于0.3%，并設(shè)置適當(dāng)?shù)姆罎B措施。

4 結(jié)語(yǔ)

近幾十年來(lái)，隨著山西省基礎(chǔ)設(shè)施的快速建設(shè)，在濕陷性黃土地基處理方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，但沒有一種地基處理方法是萬(wàn)能的，對(duì)具體工程而言，應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件、工點(diǎn)類型、工程投資和施工條件等因素綜合考量，確定最適宜工程的地基處理方案，不斷提高精細(xì)化、品質(zhì)化設(shè)計(jì)水平，努力打造優(yōu)質(zhì)耐久、安全舒適、經(jīng)濟(jì)低碳的精品工程。