含水量变化对湿陷性黄土地基处理的影响

张卫华

（山西省交通规划勘察设计院，山西 太原030012）

0 引言

黄土是第四纪堆积的以粉土颗粒为主、富含碳酸盐、具有大孔性、黄色的土状沉积物。湿陷性黄土是在其自重压力或自重压力和附加压力作用下受水浸湿后，土体结构迅速破坏，并产生显著附加下沉的黄土。“显著附加下沉”是指受水浸湿后的黄土在压力作用下，发生了较大的变形，这种变形一般情况下远大于它本身的正常压密或塑性变形。黄土的这种湿陷性对公路工程危害严重，处治措施不当会引起地基湿陷、路基沉陷等工程病害。

湿陷性黄土四大物理性质指标（含水量、容重、比重、空隙比）和三个状态指标（液限、塑限、塑性指数）中，含水量与湿陷性关系最为密切。

1 湿陷变形与天然含水量的关系

湿陷变形是在充分浸水饱和的情况下产生的，它的大小除了与土本身密度和结构性有关外，主要取决于土的初始含水量和浸水饱和时的作用压力。对一项具体工程而言，浸水饱和时的作用压力一般按规范取值或取接近于工程实际压力数值即可；但初始含水量，即天然含水量受气候条件或地下水的影响在动态变化，尤其是干季和雨季变化尤甚，不同阶段的取样会有不同的试验结果。

1.1 含水量增大对湿陷系数的影响

有关资料数据显示，青海西宁和希里沟雨季较干季含水量增加28%～50%，湿陷系数相应降低57.6%～60.0%，数据详见表1。

表1 湿陷系数干湿季变化情况

一般情况下，土的含水量越高，湿陷系数越小。湿陷性黄土的含水量达到或超过某一极限值时，不论在多大的湿陷压力作用下，都不会产生相当于湿陷系数δs≥0.015的湿陷变形，此时土的湿陷变形将大部或全部转化为压缩变形，这个含水量极值即为湿陷极限含水量。如三门峡地区湿陷性黄土的天然含水量W＞23%、西安地区W＞24%、兰州地区W＞25%时，通常情况下，其湿陷很轻微或湿陷性就不存在了。

1.2 含水量减少对湿陷系数的影响

如果湿陷性黄土天然地层长期干旱，则它的湿陷系数将会增大。如西宁某地天然状态的土样，经过干湿循环处理后，测得的湿陷系数数值增加很多，远远超过100%，详见表2。

表2 干湿循环处理后湿陷系数的变化

一般情况下，土的含水量越低，湿陷系数越大。换句话说，含水量不断降低可使黄土的湿陷性得到部分恢复或全部恢复。

1.3 含水量对总变形的影响

有关资料显示，随着天然含水量的增加，黄土的湿陷变形减小，而压缩变形增大；随着天然含水量的减小，黄土的湿陷变形增大，而压缩变形减小。土的总变形值在同一压力下似乎基本不变，即天然含水量变化对总变形基本无影响。这还有待更多的数据验证。

2 工程实例

祁临高速公路临汾市北环段项目全长19.255km，采用四车道高速公路标准建设，设计速度为100 km/h，路基宽度为26m。

2.1 勘察阶段成果

项目于2009年5月初展开地质勘察。

2.1.1 地形、地貌

项目位于临汾断陷盆地北部，最低点在汾河河谷，海拔为435m；最高点在起点处，海拔为540m，相对高差为105m。地形形态为平原区。

湿陷性黄土路段分布于汾河东、西两岸的Ⅱ级阶地，地势较开阔，地形略有起伏，有少量黄土冲沟发育，具体桩号段落为K0+000～K5+440及K14+600～AK19+265。

2.1.2 地表水系

项目区水系属黄河流域汾河水系。路线分别在K11+559和K14+122跨越汾河和大洪峪涧河。汾河是黄河的第二大支流，是山西省最大的河流，项目区内年平均流量为43.9m3/s，最大洪峰流量为2 800m3/s。大洪峪涧河属汾河水系，是汾河一级支流，水量主要受大气降水影响，汛期流量较大，干旱季节河道中无水，属季节性河流。

2.1.3 降水气象

项目区属暖温带大陆性季风气候区，具有春季干燥、多风；夏季炎热、雨量集中；秋季凉爽湿润，秋雨多于春雨；冬季寒冷干燥，雨雪偏少的气候特征。

区内全年降水主要集中在7、8、9三个月，尤以7月最多。降水量、蒸发量、日照特征见表3。

表3 项目区降水量、蒸发量、日照表

2.1.4 黄土路段地质条件及评价

（1） K0+000～K5+440段

地层岩性以Q3粉土与粉质黏土为主，局部夹碎石土、砂土透镜体，地下水埋藏较深，一般大于9.0m，地面以下3.0～10.0m 坚硬粉质黏土、稍密粉土具Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷，以下地层以可塑粉质黏土及湿粉土为主。总体评价，地基稳定性较差，路基段应对湿陷性黄土进行地基处理。

（2）K14+600～K19+265段

地层岩性以Q4、Q3粉土、粉质黏土与碎石土互层为主，表层为4.0～8.0m 粉土、粉质黏土具Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷，地下水埋藏较深，一般在钻探深度（15m）内未见。总体评价，地基稳定性稍差，路基段应对湿陷性黄土进行地基处理。

2.1.5 湿陷性黄土的指标

勘察阶段项目沿线湿陷性黄土的物理力学指标见表4。

表4 勘察阶段湿陷性黄土物理力学指标汇总表

2.2 初步设计阶段处治措施

勘察成果揭示，需对K0+000～K5+440、K14+600～K19+265 两段Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷性黄土地基进行处治。两段路基平均填高分别为3.5m 和4.0m。根据《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）确定了以下处治方案：填方区地基采用冲击碾压或重锤夯实处理；挖方区开挖到路床后，如仍存在湿陷性土层，则先冲击碾压，后回填30cm 厚的6%石灰土。方案主要以消除或部分消除地基湿陷量为考虑。

2.3 施工图设计阶段处治措施

项目于2009 年8 月初开始施工图勘察设计，经历6、7 月的雨季，上述两路段的湿陷性黄土地表含水量普遍增大，达到了20%～23%。根据相关数据和经验，该值接近了湿陷极限含水量，即该状态下湿陷性黄土的湿陷变形很小，主要为压缩变形，若采用冲击碾压或重锤夯实处治来消除或部分消除地基湿陷量，地基容易形成“橡皮土”，难以压实，初步设计方案不再适宜。因此将方案优化为：在填方路段路基底部填筑30～50cm 砂砾垫层处理；在低填浅挖及挖方路段路面底面以下换填80cm 砂砾垫层。方案主要以满足地基压实度为主，并考虑由压缩变形引起的地基沉降对工程的影响。

2.4 施工阶段处治措施

项目于2009 年10 月初开工建设，经历6、7、8月的雨季，上述两路段地表含水量达到了22%～25%，按照施工图设计方案处治地基，大部分路段可满足规范要求，局部路段不能满足要求的，将原设计方案的砂砾垫层加厚20～30cm 后可满足规范要求。

3 根据含水量变化进行动态勘察设计

由第1部分可知，黄土的湿陷性不是一成不变的，会随着天然含水量的变化而变化。天然含水量增大，可使土的湿陷量减小或消失；天然含水量减小，可使土的湿陷量增大或恢复。当黄土的含水量大于湿陷极限含水量时，黄土的湿陷变形已全部转化为压缩变形，即黄土由湿陷性黄土转化为了非湿陷性黄土；当含水量减小，小于湿陷极限含水量时，黄土的湿陷变形又会恢复或部分恢复，即黄土由非湿陷性黄土转化为了湿陷性黄土。

第2部分工程实例中，地基土含水量接近湿陷极限含水量，勘察期间为干季，取样含水量低，试验确定的湿陷系数偏高。经历6、7、8 月的雨季，施工期间的地基含水量普遍增大约5%，湿陷系数有所降低。因此，对路基基底的处理措施也随之进行了优化调整，即由以处理湿陷变形为主的方案调整为以处理压缩变形为主的方案。反之，勘察期间如为雨季，取样含水量高，试验确定的湿陷等级和承载力可能会偏低，确定具体方案时同样应随含水量变化而调整。

由此可见，含水量的变化对黄土湿陷性影响明显，对地基处治措施影响较大。而含水量受地下水埋藏、地表水、季节性降水渗入等影响而变化。一般情况下，勘察设计与施工间存在一定的时间差，勘察设计阶段的地基土含水量等地质条件未必与施工时的一致。这就需要在设计阶段确定方案时，采取动态分析的观点，综合考虑，选用适宜可行的地基处治方案。

4 应对措施建议

（1）在初步勘察阶段，应查明场地内各土层的物理力学性质、场地湿陷类型、地基湿陷等级及分布，并预估干湿季或地下水位变化对地基土的影响。在干湿季或地下水变化幅度大的地段，应从初步勘察阶段开始进行地基土含水量的动态观测。

（2）设计阶段应根据勘察成果预估施工期的地基土性质的情况，确定适宜的地基处治方案；地基施工前，应再次取样试验与勘察阶段成果比对，以验证设计方案的适宜性或及时优化设计方案。

（3）一般情况下，当湿陷性黄土地基含水量小于20%时，可根据湿陷厚度、湿陷等级及公路构造部位对地基变形的不同要求选用强夯、重夯、冲击碾压、灰土挤密桩等方案处治地基；当湿陷性黄土地基含水量大于20%时，黄土湿陷比较轻微，可根据湿陷厚度及公路构造部位对地基变形的不同要求选用土（素土、灰土或砂砾）垫层、换土回填或强夯置换的方案处治地基，通常垫层的压实度能达到94%以上。

（4）黄土天然含水量接近湿陷极限含水量时，即使仍评价为湿陷性黄土，一般也不宜采用规范中的冲击碾压、重夯或强夯的方案来消除地基湿陷，宜采用能满足规范压实度的压实方案，并考虑由压缩变形引起的地基沉降对工程的影响。

[1] 工程地质手册编委会.工程地质手册[M].4版.北京：中国建筑工业出版社，2007.

[2] GB 50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[3] 郑晏武. 中国黄土的湿陷性[M]. 北京：地质出版社，1982.