周明

（新疆兵團勘測設(shè)計院（集團）有限責(zé)任公司，烏魯木齊830000）

1 引言

不均勻沉降是黃土路基最常見的病害形式， 如果處治不當(dāng)，可能造成路面塌陷、邊坡失穩(wěn)等病害，嚴(yán)重影響行車安全和舒適度。 鑒于此，國內(nèi)外很多學(xué)者開始研究黃土地區(qū)路基沉降變形規(guī)律和處治措施，并取得了很多有價值的成果。 但是由于黃土性質(zhì)的復(fù)雜性， 并未形成統(tǒng)一的觀點來指導(dǎo)路基設(shè)計和施工。 同時，設(shè)計人員在開展黃土地區(qū)路基設(shè)計時，存在盲目套用臨近項目圖紙、不對處治方案進(jìn)行詳細(xì)比選等問題，使得設(shè)計方案偏保守[1]。 因此，進(jìn)一步研究濕陷性黃土路基變形特征及不均勻沉降控制技術(shù)具有十分重要的工程價值。

2 濕陷性黃土變形及復(fù)雜條件下路基的特征

2.1 黃土濕陷性特征

2.1.1 濕陷性變形階段

和一般路基填土相比，黃土的顆粒組成、礦物成分、化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)構(gòu)造等明顯不同，使得黃土處于欠壓實狀態(tài)，浸水后容易產(chǎn)生濕陷性變形，對路基工程產(chǎn)生很大危害。 相關(guān)研究表明，黃土的濕陷變形具有突變性、非連續(xù)性、不可逆性。 根據(jù)黃土單軸浸水壓縮試驗可將其變形劃分為3 個階段： 第一階段屬于黃土壓密變形 （彈性變形）， 服從土的壓縮定理（a=Δe/Δp，Δe 為孔隙比變化值，Δp 為壓力變化值，a 為壓縮系數(shù)）；第二階段屬于濕陷變形（塑性變形），是因為在黃土浸水后，結(jié)構(gòu)軟化，受全量塑性理論制約；第三階段屬于飽和黃土固結(jié)變形（黏彈性變形），受比奧特固結(jié)理論制約[2]。

2.1.2 濕陷性黃土變形特點

黃土的濕陷性通常具有以下特點[3]：（1）隱蔽性。黃土發(fā)生濕陷前不易被發(fā)現(xiàn)，具有較強的隱蔽性。 如濕陷性黃土從路基底部間斷穿過，如果勘測工作不細(xì)致，在公路運營期間可能產(chǎn)生陷穴和坑洞，導(dǎo)致基底不均勻沉降或邊坡破壞，危害行車安全。 （2）時效性。 水是導(dǎo)致黃土濕陷的關(guān)鍵因素。 由于黃土表面植被較少，垂直節(jié)理發(fā)育，隨著雨季的到來（尤其是暴雨天氣），雨水快速滲入黃土內(nèi)部，濕陷變形發(fā)生速度快，嚴(yán)重的可能掏空路基。（3）重現(xiàn)性。濕陷性黃土處理難度大，如果選擇的控制措施不合理，重復(fù)濕陷變形的概率會大幅提升。

2.2 復(fù)雜條件下黃土路基特征

3 復(fù)雜條件下黃土路基不均勻沉降變化規(guī)律

3.1 依托工程概況

3.1.1 建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)

本文以某高速公路項目為研究對象， 探討了濕陷性黃土不均勻沉降變化規(guī)律。 該高速公路全長36.8 km，路線起訖樁號為K0+000～K36+800，設(shè)計速度為120 km/h，設(shè)計荷載為公路-I 級，雙向4 車道，路基寬度為25.5m，瀝青路面結(jié)構(gòu)厚72 cm， 路面結(jié)構(gòu)組合為4 cm 細(xì)粒式瀝青混凝土AC-13C+6 cm 中粒式瀝青混凝土AC-20C+8 cm 粗粒式瀝青混凝土AC-25+18 cm 水穩(wěn)碎石上基層+18 cm 水穩(wěn)碎石下基層+18 cm 低劑量水穩(wěn)碎石底基層。

3.1.2 地形地貌

高速公路總體為東西走向，位于丘陵和平原接地帶，大部分地形平坦，局部地形較陡。 路線K30+285～K32+600 段穿過濕陷性黃土地區(qū)，連續(xù)分布，厚度不均，厚6.0～10.0 m，濕陷量在95～164 mm， 濕陷程度以輕微～中等， 局部和碎石呈互層狀。 此外，黃土段有類似雞爪狀的細(xì)長沖溝，深度較大，填筑路基時需注意壓實質(zhì)量，控制不均勻沉降。

3.1.3 氣象氣候

項目處于溫帶大陸性氣候，四季氣溫變化大，最熱的是7月、8 月，平均氣溫25.7 ℃；最冷的是1 月，平均氣溫-15.2 ℃，氣候干燥少雨，多年平均降雨量約295 mm，降雨主要集中在7～10 月份。

3.2 有限元模型建立

隨著計算機技術(shù)的不斷提升， 數(shù)值模擬在巖土工程問題中的應(yīng)用越來越廣。 相對于傳統(tǒng)的分層總和法，數(shù)值模擬法具有成本低，可重復(fù)性好等優(yōu)點，能在有限時間內(nèi)計算各種工況[4]。 鑒于此，本文利用有限元軟件PLAXIS 3D 研究了某高陡濕陷性黃土路基在不同工況下的沉降變形規(guī)律。

可往往人的一些想法是命中注定的，當(dāng)精神上的一些東西跟現(xiàn)實世界相沖突之后，那一種美好就破滅了，就會使人產(chǎn)生絕望。

高陡路基段落為K16+200～K16+415， 研究斷面樁號為K15+660，最大填高28 m。 1 級、2 級和3 級邊坡坡率分別取1∶1.5、1∶1.75、1∶2，邊坡坡面采用拱形骨架植草防護，邊坡兩側(cè)設(shè)置尺寸為60 cm×60 cm 的矩形排水溝。 建立模型時將路基簡化為二維平面模型， 利用PLAXIS 3D 軟件中內(nèi)置的solid單元模擬邊坡巖土體，屈服準(zhǔn)則為摩爾-庫倫本構(gòu)；同時，邊坡網(wǎng)格劃分采用正四面體，共劃分出856 個單元，1 025 個節(jié)點。

根據(jù)地質(zhì)勘察資料及室內(nèi)土工試驗結(jié)果可知， 地基土從上到下分別為濕陷性黃土和碎石， 路基填料為性能良好的砂礫土，不同巖土體的主要物理力學(xué)參數(shù)為：（1）濕陷性黃土重度17.1 kN/m3、黏聚力24 kPa、內(nèi)摩擦角26°；（2）碎石重度24.0 kN/m3、黏聚力30 kPa、內(nèi)摩擦角45°；（3）路基填料重度19.5 kN/m3、黏聚力6 kPa、內(nèi)摩擦角30°。

3.3 黃土路基不均勻沉降計算結(jié)果

本文通過分層加載來模擬路基的分層填筑， 并在道路中心及兩側(cè)每隔3 m 設(shè)置沉降檢測點， 不同位置的沉降變形計算結(jié)果見表1。

表1 不同位置黃土路基沉降變化cm

由表1 計算結(jié)果可知： 黃土路基各監(jiān)測點的沉降變形并不是均勻變化的，路基中心點處沉降變形最大，離路基中心距離越遠(yuǎn)，沉降變形越小。 在距離路基中心長度相同的位置，右側(cè)沉降略大于左側(cè)沉降，這是因為路基地面線呈左高右低，右側(cè)填土高度大于左側(cè)填土高度， 使得填土自身重力和作用在地基上的附加荷載增加[5]。 同時，各監(jiān)測點處的地基沉降在總沉降中的占比遠(yuǎn)小于路基填土沉降。 這也說明，高陡黃土路基的填筑高度是影響其不均勻沉降的主要因素。

4 黃土路基不均勻沉降控制關(guān)鍵技術(shù)

由上節(jié)可知，K15+660 處的高陡路基各監(jiān)測點沉降都大于30 cm，不滿足JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》要求，需對黃土路基進(jìn)行處理。

4.1 黃土地基處理

4.1.1 處治原理

該項目黃土分布深度較大，約6.0～10.0 m。 為了消除黃土地基的濕陷性，可采用灰土擠密樁進(jìn)行處理。

灰土擠密樁是通過鋼套筒在地基內(nèi)成孔，然后在孔內(nèi)分層填入灰土夯實，形成灰土樁，與樁間土共同組成復(fù)合地基?；彝翑D密樁屬于柔性樁，其作用機理體現(xiàn)在兩個方面：一是樁體的擠密作用，即成孔時樁孔處土體被強制往側(cè)向擠壓，使得1.5～2.0 倍樁徑范圍內(nèi)的土層孔隙比體積減小，密實度提高；二是石灰內(nèi)的Ca（OH）2成分與黃土顆粒發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生膠體凝聚，提高土體強度。

4.1.2 設(shè)計參數(shù)

灰土擠密樁樁徑不宜過大也不宜過小，樁徑過小會增加打樁和回填工作量，反之樁間土擠密程度不足。 結(jié)合臨近項目處理經(jīng)驗和相關(guān)規(guī)范，樁徑取0.5 m，樁間距1.0 m，梅花形布樁。

灰土擠密樁的成孔和回填作業(yè)宜間隔進(jìn)行， 并在回填前夯實孔底。 回填土料建議采用粉質(zhì)黏土，石灰消解至少3 d 后過篩，土料和石灰拌和均勻至顏色一致后及時回填夯實。 需要注意，如施工現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)黃土地層分布與勘察數(shù)據(jù)不一致，應(yīng)立即停止施工，待查明情況后聯(lián)系設(shè)計單位調(diào)整方案。

4.2 路基填土處理

4.2.1 鋪筑土工格柵

土工格柵張力和延展性較好， 且土工格柵和填土間的摩擦咬合作用可以約束土體，減少土體的側(cè)向變形。 因此，高陡黃土路基可通過鋪土工格柵來減少路基左右側(cè)的不均勻沉降。 在上路床和下路床頂面各鋪設(shè)一層雙向拉伸土工格柵（參數(shù)見表2），每幅土工格柵搭接部位重疊30 cm，并用直接10 mm的鋼筋錨釘加固，錨固間距2 m×2 m。

表2 土工格柵材料參數(shù)

4.2.2 分層補夯

為降低黃土路基工后不均勻沉降， 建議對路堤分層強夯處理。 分層強夯是在各層填土壓實度均滿足規(guī)范要求的條件下進(jìn)行的補夯，每填筑4 m 強夯一次。 即以該段路基的路床頂面為最終強夯層，向下每間隔4 m 為一層，最后一層間距＜4 m時，在基底補夯一次。

由于高陡路基段落較長，可分臺階進(jìn)行強夯。 補夯后，應(yīng)采用灌砂法或環(huán)刀法檢查壓實度， 建議補夯后的路基壓實度比規(guī)范要求的提高1%。

4.3 處治效果評價

在采取上述措施后， 對該高陡路基各監(jiān)測點的沉降變形進(jìn)行了重新計算，計算結(jié)果見圖1。

圖1 黃土路基處治前后沉降變化

由圖1 可知， 濕陷性黃土路基在經(jīng)灰土擠密樁、 土工格柵、補夯等措施處理后，各監(jiān)測點的沉降變形均有明顯降低，且滿足規(guī)范要求。 處理后黃土路基最大沉降15.2 cm，相對于處理前降低幅度達(dá)59.8%。 同時，路基左右側(cè)沉降大小基本一致，不均勻沉降現(xiàn)象有明顯改善。

5 結(jié)語

本文分析了濕陷性黃土路基變形特征， 并依托某高速公路項目中黃土路基的沉降變形規(guī)律， 對不均勻沉降控制技術(shù)進(jìn)行研究，主要得到以下結(jié)論：（1）黃土浸水后易產(chǎn)生濕陷性變形，危害路基安全，且具有明顯的隱蔽性、時效性和重現(xiàn)性；（2）黃土路基不同位置的沉降變形并不是均勻變化的，與路基中心距離越遠(yuǎn)，沉降變形越小；（3）黃土路基不均勻沉降控制可采用灰土擠密樁、土工格柵、補夯等措施，處理后各監(jiān)測點沉降會有明顯降低。 研究成果可為類似的濕陷性黃土路基設(shè)計提供科學(xué)的理論指導(dǎo)。