闻临高速公路黄土湿陷性分析

秦英广

(太原理工大学，山西太原 030024)

黄土是第四纪的一种特殊堆积物，覆盖全球面积的1/4以上，对黄土地基承载力问题的研究由来已久，主要研究方向包括地基承载力的现场测试和湿陷性评价等方面。在我国黄土分布较广，区域特征明显，其中湿陷性黄土占黄土分布面积的60%左右，湿陷性黄土是指天然黄土在上覆土的自重作用下，或上覆土的自重应力和附加应力作用下，受水浸润后土的结构迅速破坏而发生显著附加下沉的黄土。20世纪50年代至今，我国对黄土性质研究以及工程经验积累方面取得了重要成果:从地质学角度出发，研究黄土的成因、地质年代、地层划分、地形地貌、物质组成以及结构特征等;从工程角度方面，研究黄土的工程性质、变形规律、工程处理方法等。

1 工程概况

闻临高速公路起自闻喜县东镇东姚村，经过稷山县、万荣县，终点位于临猗县孙吉镇王显庄村，全长76.2 km，该区段位于山西省强烈湿陷性黄土分布地区［1］。黄土地貌是黄土堆积过程中遭受强烈侵蚀的产物。黄土塬、梁、峁等地貌类型主要由堆积作用形成;沟谷则是强烈侵蚀的结果。该高速公路段建设项目包括以下四种地貌形式［2］。

1)黄土丘陵区:AK0+800～AK7+500段黄土丘陵区，总体上地形复杂，在前半段呈浑圆状土包与平地相连，后半段接近高黄土台塬区沟壑纵横。沟壁稍陡，冲沟切割剧烈，呈“V”或“U”形，局部地段呈现黄土梁峁状，本项目路线起点段落，冲沟主方向为东西向，路线终点段落主沟方向多为南北向，密度4条/km～7条/km，宽度20 m～80 m，长度50 m～400 m，深达百米，微地貌为黄土梁、陡坎、深谷。出露地层主要为马兰和离石黄土，马兰黄土多披覆在离石黄土上。2)高黄土台塬区:AK7+500～AK23+800，DK41+300～DK46+200，AK58+500～AK76+660段为高黄土台塬区，总体上地势平坦。地势较为开阔，地形起伏不大，地表大面积覆盖第四系沉积物，线路沿地表展布，施工难度较小，局部发育沟谷，切割较浅。3)山前黄土平地区:AK38+100～DK41+300，DK46+200～AK58+500段分布于稷王山、孤峰山前倾斜平原区，由南向北微微倾斜，坡降1°～3°，呈小台阶状，由于黄土受流水的侵蚀，冲沟发育，冲沟一般长1 km～2.5 km，切割深度40 m～60 m。冲沟沟壁直立，呈“V”或“U”字形，南北向延伸。4)黄土残塬区:AK23+800～AK34+415，AK34+709.302～AK38+100为黄土残塬区，该区沟壑纵横，梁、峁、残塬相间，冲沟普遍发育，沟壁陡峭，切割强烈，呈“V”或“U”字形，水土流失严重，不良地质以黄土陷穴、人工洞穴(窑洞)、滑坡、崩塌、地裂缝等为主。

2 黄土物理力学性质

2.1 黄土物理力学性质

以闻临高速公路AK13+630～AK13+960为试验路段，对表1中土样主要进行以下几个方面的试验研究:1)黄土的物理性质试验;2)黄土的力学性质研究。结果分别如表1，表2所示。

由表1数据可知:1)随着取土深度的增加，天然含水量基本增加。黄土地区地下水位深且年降水量小，在黄土地表，含水量只有10%左右;地表以下10 m处，含水量在10%～15%之间。2)土粒比重变化小，集中在2.71，粉土颗粒为主。3)单位体积内土体内土粒含量较少，黄土干密度小，约1.4 g/cm3～1.5 g/cm3。4)土体天然孔隙比在0.90～1.2之间。

表1 黄土土样物理性质

δs定量地表示了土样所代表黄土层的湿陷程度，是一定压力作用下单位厚度土层由于浸水在规定压力产生的湿陷量，当δs≥0.015时为湿陷性黄土，同时黄土的湿陷性与所受的压力大小有一定关系，Ps表示使黄土产生湿陷临界压力起始压力。当Ps小于上覆土的饱和自重时，在上覆土层自重压力作用下受水黄土即发生湿陷，为自重湿陷性黄土。如果Ps大于上覆土的饱和自重，则土层在上覆土自重作用下不发生湿陷，为非自重湿陷性黄土。

由表2数据可知:1)黄土的湿陷系数δs基本都大于0.015，为湿陷性黄土。2)在AK13+630～AK13+960区段，场地湿陷类型基本为非自重湿陷性。3)从黄土液限、塑限试验结果可以看出，土样可塑性指标，接近天然状态，可以认为是特殊的粘性土或者粉性土。

2.2 黄土湿陷等级

在湿陷性黄土地区，准确的评价场地黄土的湿陷性，才能选择合适的地基处理方案，正确计算工程周期长短及地基处理费用。采用探井取样，室内双线法试验，分析沿线黄土的湿陷性，以下选取该公路段线AK10+500～AK11+300，AK11+300～AK15+700，AK15+700～AK23+600为例进行分析研究，如表3所示。

3 常见处理方法

不同的地区、土质和工程特点，地基处理的方法也不同。根据该工程所涉及到的湿陷性黄土的类型、等级和土层厚度。主要 介绍以下两种处理方法:强夯处理法和挤密桩法。

表2 黄土土样物理力学性质

表3 黄土湿陷等级

3.1 强夯法

强夯法是通过突然释放的巨大能量将各种波形和动应力传到土体内，提高土的强度、降低压缩性、改善砂土抗液化和消除湿陷性土的湿陷性，同时提高地基土的均匀程度，减少差异沉降。在山西地区应用广泛，具有施工简单、加固效果好和成本低等优点。广泛应用于工民建筑、仓库、储仓、公路铁路路基、码头和机场跑道。

1)加固机理:加固机理分为动力密实、动力固结和动力置换三种［3］。

2)强夯有效深度:有效加固深度是选择地基处理方法的重要依据，也能直观地反映处理效果，可根据公式估算，它和夯锤重量、落距、地基土的性质、土层厚度均有关。常用的单击夯击能为1 000 kN·m～4 000 kN·m，单击夯击能越大，有效加固深度越大，对于湿陷性黄土，有效加固深度可达到4 m～8 m。

3)强夯土承载力:强夯对上部地基土进行重塑，强夯地基承载力特征值可以通过现场载荷试验确定，对强夯土大量的载荷试验p—s曲线均无明显拐点，对强夯土取p—s曲线s/b=0.01～0.015所对应的荷载(s为压板沉降量，b为压板宽度或直径)［4］。

针对本工程拟采用强夯法，分别对湿陷等级为自重的地段以及湿陷性黄土厚度大于6 m的非自重地段，原地面采取强夯处理;对于湿陷性黄土的厚度小于6 m时，原地面重锤夯实，增加土体的密实度使土体挤密，减小土体孔隙比。

3.2 挤密桩法

灰土挤密桩法和土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基，处理地基的深度在5 m～15 m，利用沉管、冲击或爆破等方法在地基中挤土成孔。然后向孔内填素土或灰土成桩。加固机理包括挤密作用、灰土性质作用、桩体作用:土或灰土桩在成孔时，桩孔位置原有土体被强制挤压，使桩周一定范围的土层密实度得以提高，挤密影响半径在1.5倍～2.0倍桩径直径左右，其中土的天然孔隙比对挤密效果影响很大，当 e=0.90 ～1.2 时，挤密效果良好，当 e＜0.80 时，土的湿陷性一般已经消除，没有必要采用挤密地基;灰土桩的特殊材料在化学性质上和力学性能上能够很好的提高地基承载力、消除黄土的湿陷性以及减小沉降量;桩体的变形模量远大于桩间土的变形模量，桩体上产生应力集中的同时降低了一定深度范围以内的桩间土应力，一定程度上消除了压缩变形和湿陷变形的不利影响。

1)桩心距:桩间距以保证桩间土挤密后，达到密实度和消除湿陷性为原则。一般取2倍～2.5倍桩孔直径，计算公式为:L=对于重要工程和缺乏经验的地区的桩间距，还应通过现场成孔挤密试验确定不同桩距挤密效果的优劣。桩孔内的填料需分层回填夯实，平均压实系数不宜小于0.97。

2)承载力和变形模量:主要通过荷载试验和参照工程经验确定。针对消除黄土湿陷性为目的的挤密桩，采取浸水试验，其中自重湿陷性黄土的浸水直径不应小于土层厚度且大于10 m，实验所得的p—s曲线不存在明显直线段时，取s/b=0.012(灰土挤密桩时取s/b=0.008)相对应的荷载作为地基承载力特征值。一般工程地基承载力特征值可根据当地经验值确定，无具体经验时，灰土挤密桩不应大于处理前的1.4倍且不应大于180 kPa;灰土挤密桩法不应大于处理前的2倍和250 kPa。

3)地基变形:计算地基变形时，地基内的应力分布采用各向同性均质线性变形体系理论，最终变形参考GB 50007建筑地基基础设计规范的相关要求，复合土层的压缩模量采用荷载试验的变形模量代替［5］。

针对本工程中Ⅰ级～Ⅲ级自重湿陷性、Ⅰ级～Ⅱ级非自重湿陷性黄土以及与6 m以上高挡墙连接路段拟采用强夯结合灰土挤密桩法处理，达到穿透全部湿陷性土层、消除湿陷性的要求。

4 结语

湿陷性黄土因特有的土体结构特点和工程性能，给工程建设带来了许多困难，黄土地区公路建设最难处理的问题就是消除黄土湿陷性问题，针对湿陷性黄土的特殊性能，地基处理的目的主要即破坏湿陷性黄土的大孔隙结构，消除或减小地基因偶然浸水而引起的湿陷变形。湿陷性黄土地基处理方法的选择应综合考虑建筑物的类别、场地的湿陷类型、地基的湿陷等级、施工技术及工程造价等因素。

结合高速公路黄土土样的物理和力学性质的研究结果和常见黄土地基处理方法的使用范围，分析了在本工程中强夯法和挤密桩法的适用性。

本工程大部分地区采用强夯法，分别对湿陷等级为自重的地段以及湿陷性黄土厚度大于6 m的非自重地段，原地面采取强夯处理;对于湿陷性黄土的厚度小于6 m时，原地面重锤夯实，增加土体的密实度使土体挤密，减小土体孔隙比。针对本工程中Ⅰ级～Ⅲ级自重湿陷性、Ⅰ级～Ⅱ级非自重湿陷性黄土以及与6 m以上高挡墙连接路段拟采用强夯结合灰土挤密桩法处理，达到穿透全部湿陷性土层、消除湿陷性的要求。

［1］李 毅.山西省湿陷性黄土地区地基处理方法的探讨［J］.山西建筑，2008，34(33):110-111.

［2］龙 毅，周 侗，汤国安，等.典型黄土地貌类型区的地形复杂度分形研究［J］.山地学报，2007，34(4):110-111.

［3］王凤超，张红波，徐 建.强夯法加固机理及在湿陷性黄土地基中的应用［J］.山西建筑，2008，34(27):108-109.

［4］王 军，张旭红.强夯法处理湿陷性黄土地基的效果分析［J］.岩土工程，2004，19(3):23-24.

［5］JGJ 94-2008，建筑桩基技术规范［S］.