山平高速路基湿陷性黄土沉陷机理分析与防治

高 源

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

山平高速路基湿陷性黄土沉陷机理分析与防治

高 源

(山西省交通规划勘察设计院，山西 太原 030012)

结合工程实例，分析了湿陷性黄土的物理和力学性质，阐述了湿陷性黄土的判定与评价标准，总结了路基沉陷的原因，并提出了处理湿陷性黄土地区地基沉陷的方法，保证了公路路基结构的稳定与安全。

湿陷性黄土，路基，沉陷机理

黄土在我国秦岭以北长城以南、太行山以西、日月山以东的黄河中游地区的甘肃、宁夏、陕西、山西、河南等省均有比较广泛的分布，其具有多孔性、湿陷性、收缩膨胀性和抗水性差等特点。这种地质条件比较特殊，所以导致公路路基发生沉陷的概率较大。本文通过对处于黄土地区的山平高速公路路基分析，总结导致路基沉陷发生的原因，并分享了该工程所采用的处理措施。

1 黄土的特性

科研人员一直注重黄土的基本特性，并结合地勘报告和长期的实际施工，把黄土的基本特性总结为五个方面：多孔性、垂直节理发育、层理不明显、透水性、沉陷性。这五种基本特性相互影响，互为作用。因此我们有必要对黄土的基本特性进行全面综合地分析研究。

2 湿陷性黄土的物理和力学性质

湿陷性黄土是指上覆土层在自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土体的结构破坏而发生显著附加变形的土，属于一种特殊性质的土。湿陷性黄土分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。自重湿陷性黄土是指在上覆土层的自重压力下受水浸湿后，即发生湿陷；非自重湿陷性黄土是指在自重应力下受水浸湿后不发生湿陷，需要在自重应力和由外荷引起的附加应力共同作用下，受水浸湿才发生湿陷的土。

2.1 物理性质

1)含水量、饱和度。湿陷性黄土的天然含水量在5%～23%之间，当含水量在23%以上，湿陷性基本消失，相应的压缩性增高。湿陷性黄土的饱和度约在17%～77%之间，当饱和度超过80%时，称为饱和黄土，湿陷性基本消失。2)比重、重度、孔隙比。湿陷性黄土的比重约在2.55～2.85之间。湿陷性黄土的天然重度一般在13.5 kN/m3～19.0 kN/m3。干重度一般在11 kN/m3～16 kN/m3之间。孔隙比是衡量湿陷性黄土密实程度的主要指标，一般在0.8～1.24之间。3)颗粒组成。湿陷性黄土的颗粒以粉粒(0.05 mm～0.005 mm)为主，其含量可达50%～75%，其次为砂粒和粘粒。4)可塑性。湿陷性黄土的液限，一般在22%～35%之间，塑性在14～20之间。

2.2 力学性质

1)抗剪强度。湿陷性黄土的粘聚力由两部分组成，一部分是原始粘聚力，另一部分是由于湿陷性黄土具有较多的可溶性盐和一定的负孔压力，形成较高的结构强度。天然状态下，湿陷性黄土的粘聚力一般在10 kPa～60 kPa，内摩擦角则在17°～30°之间。2)渗透性。湿陷性黄土的渗透性在不同方向上是不一样的，尤其在垂直和水平方向上相差较大。湿陷性黄土的渗透系数并不是一个常数，它随渗透溶液的性质、水头梯度和渗透时间的变化而变化。3)压缩性。湿陷性黄土在天然状态下的压缩性较低，但是一旦遇到水的作用，它的压缩性就会增高。

3 湿陷性评价

3.1 湿陷性的判定

对黄土湿陷性的判别是通过湿陷性系数δs来判定的，根据最新规范要求，以0.015作为分水岭，如果δs比0.015大，我们认为是湿陷性黄土，否则为非湿陷性黄土。通过湿陷系数计算的数值大小，工作人员大致可以判断黄土湿陷性的强弱。一般认为：当δs≤0.03为弱湿陷性；当0.03<δs≤0.07为中等湿陷性；当δs>0.07为强湿陷性。我们可以通过室内浸水压缩试验得到该系数δs，公式如下：

其中，hp为土样在压力p作用时下沉稳定后的高度；hp′为上述加压稳定后的土样，在浸水作用下，下沉稳定后的高度；h0为土样的原始高度；ep为土样在压力p作用下下沉稳定后的孔隙比；ep′为上述加压稳定后土样在浸水作用下下沉稳定后的孔隙比；e0为土样的原始孔隙比。

3.2 黄土湿陷种类的划分

建设场地的湿陷类型，应按实测自重湿陷量来判定。实测自重湿陷量通过室内试验测定不同深度土样的自重湿陷系数乘以土层厚度来确定。在工程现场挖深0.5 m、长或直径不小于10 m的试坑，进行浸水，直接测定该场地的实际自重湿陷量ΔZS′。

当ΔZS′≤7 cm时，为非自重湿陷性黄土场地；

当ΔZS′>7 cm时，为自重湿陷性黄土场地。

3.3 湿陷等级的划分

湿陷性黄土总湿陷量ΔS按以下公式计算：

ΔS=β∑δihi。

其中，δi为第i层土湿陷系数；hi为第i层土样所对应地层的厚度；β为修正系数。

湿陷性黄土地基的湿陷等级可依据地基总湿陷量ΔS和计算自重湿陷量ΔZS综合判定，如表1所示。

表1 湿陷等级判定表

我们可以结合国家高速公路网荣城至乌海公路山西境山阴至平鲁段高速公路第SZ2合同段K210+000～K220+000段对湿陷性黄土的判定与评价进行一个直观的分析。本项目大部分路段分布湿陷性黄土，包括风积黄土及Ⅱ级阶地上的冲积次生黄土。通过土工试验及计算判定，湿陷等级为Ⅰ级非自重～Ⅳ级自重，湿陷厚度4.0 m～15.0 m，具体段落及实验数据见表2。

表2 山平高速K210+000～K220+000段湿陷性黄土物理力学指标汇总表

4 路基沉陷原因分析

4.1 压实度达不到设计要求

在实际施工中，由于填料的虚铺厚度超出压实机械有效压实范围，再加之填料存在杂质等，导致压实系数达不到设计要求。

4.2 水的浸透

由于雨水的影响，再加上路基的排水设施设置不当导致路基填土含水率增大，降低了回填土体强度，增加了路基沉陷发生的可能性。

4.3 各种荷载以及水、温度等自然环境条件的影响

由于路基路面承受着各种荷载作用以及水、温度等自然条件的影响，会导致原地面以下土的压缩变形，导致土的三相体重新排列，这样容易导致填土路堤的逐年缓慢沉降。

5 解决方案

处理湿陷性黄土地区地基沉陷有很多种方法，根据地勘报告，山平高速公路路基处理技术与其他地区高速公路相比在施工技术方面差别不大，但其处理方法又进一步体现了湿陷性黄土的地区特征，不仅提高了地基承载力而且消除了黄土的湿陷性。

山平高速公路对Ⅰ，Ⅱ级非自重湿陷性黄土地基采用冲击碾压法，采用此方法可以很好的减少公路路基的沉降量，大大减小了路基发生不均匀沉降的可能性，提高了路基的整体强度。该方法具有影响深、速度快、压实质量高的优点；对Ⅱ级及以上自重湿陷性黄土地基采用强夯处理，夯实宽度为路基坡脚以外3 m的范围。该方法的优点是施工工序不太复杂、处理效果明显提高、施工周期较短、可以很大程度的消除黄土的湿陷性，不足之处是会产生比较大的噪声和振动，对环境造成噪声污染。本工程采用此方法，取得了成功的经验；桥头及高度大于6 m挡土墙路段厚层自重湿陷性黄土地基，采取水泥土桩措施消除地基全部湿陷量或穿透湿陷性黄土层。对路基范围内及其路线两侧的陷穴、落水洞和空洞，进行回填压实(明穴)或灌泥浆(暗穴)等方法进行处理，以确保路基的稳定。该施工方法是将水泥土桩穿过湿陷性黄土层，桩底部进入地基的持力层中。增加路基的强度，由于湿陷性黄土层厚度不一，所以水泥土桩的长度也不是一定的，这就需要施工人员很好地控制水泥土桩的工程量，合理控制造价。本工程运用此施工方法不仅保证了桥头及高度大于6 m挡土墙路段的施工质量，也保证了工作面的安全，未发生塌陷事故。

6 结语

如果路基处于湿陷性黄土沉陷严重地区，可能就会影响到公路的结构安全和使用功能。本文结合工程实际案例分析湿陷性黄土基本特性并且总结了路基沉陷的主要原因，分享了山平高速公路在施工过程中采用的处理措施，希望能对实际施工助微薄之力。

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[7] 郑俊杰．地基处理技术[M]．武汉：华中科技大学出版社，2004.

Analysis and prevention of collapsible loose subsidence mechanism of Shan-Ping highway subgrade

Gao Yuan

(ShanxiTrafficSurveyPlanning&DesignInstitute,Taiyuan030012,China)

Combining with engineering examples,the article analyzes physical and mechanical properties of collapsible loose,describes collapsible loose identification and evaluation criteria,summarizes subgrade subsidence causes,and puts forward methods of processing foundation subsidence in collapsible loose region,and guarantees the highway subgrade structure stable and safe.

collapsible loose,subgrade,subsidence mechanism

2015-10-12

高 源(1983- )，男，工程师

1009-6825(2015)36-0149-02

U416.1 < class="emphasis_bold">文献标识码：A

A