浅谈湿陷性黄土路基设计与处理措施

王玉娜，陈 敏，李清杰

（济南市市政工程设计研究院(集团)有限责任公司,山东济南 250101）

1 概述

我国黄土地区的总面积占国土面积的6%以上，主要分布在黄河流域及其以北各省。随着社会主义建设的发展，黄土地区的公路及市政道路的建设会越来越多，对黄土特别是湿陷性黄土路基的处理技术的研究也显得更加重要。

湿陷性是黄土雨水润湿后突然发生沉陷的性质。湿陷性是黄土特有的工程地质性质。黄土浸水后会立刻发生湿陷，一般在3～30 min内的湿陷量即可达到80%[1]。

2 工程特性

2.1 湿陷性

在天然含水量时往往具有较高的强度和较小的压缩性，但在浸水后，在土的自重或外部荷载或二者共同作用下，其结构很快破坏，发生剧烈变形，强度也随之迅速降低。

2.2 崩解性

湿陷性黄土大多遇水后迅速崩解，且以块状崩解为主，崩解曲线陡立，呈片状崩解的湿陷性黄土。

2.3 多裂隙性

黄土垂直节理发育，垂直方向渗透性强，裂隙发育。

3 黄土湿陷现象的根本原因

黄土的结构特征及其物质组成是黄土产生湿陷的内在因素，而水和压力的作用是产生湿陷的外部条件。

黄土的结构是其形成环境造成的。在干旱和半干旱的气候条件下，季节性的短期降雨把松散的粉粒粘聚起来，而长期的干旱气候又使土中的水分不断蒸发，水中所含的碳酸钙、硫酸钙等盐类逐渐在土粒表面析出，缓慢沉淀而形成胶结物。随着含水量的减少，土粒彼此靠近，颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力也逐渐加大，这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力，阻止了土体的自重压密，形成了以粗粉粒为主体骨架的多孔隙结构。附于砂粒和粗粉粒表面的细粉粒和粘粒等胶体，以及大量集合于大颗粒接触点处的各种可溶盐和水分子形成胶结性联结，从而构成了矿物颗粒的集合体。周边有若干颗粒包围着孔隙，就是肉眼可见的大孔隙。当黄土受水浸湿时，结合水膜增厚并楔入颗粒之间，于是，结合水的联结作用消失，盐类溶于水中，土骨架的强度随之降低，土体在上覆土层的自重压力或在自重压力与附加压力的共同作用下，其结构迅速破坏，土粒向大孔滑移，粒间孔隙减小，导致大量的附加沉陷迅速产生，这就是黄土湿陷现象的根本原因所在[2]。

4 常用防治措施

湿陷性黄土范围内的路基路面发生变形、凹陷、开裂，道路边坡发生崩塌、剥落，道路内部易被水冲蚀成土洞和暗河。产生上述病害的内因是黄土所具有的对工程不利的特性，外因则主要是水。考虑到湿陷性黄土的危害性，当前针对湿陷性黄土的防治及施工的技术已经进行了不少研究及实践，以下介绍几种通常的防治措施。

4.1 地基处理

湿陷性黄土路基处理的原理，主要是破坏湿陷性黄土的大孔结构，以便全部或部分消除地基的湿陷性，常用的处理黄土路基湿陷性的方法有以下几种。

4.1.1 浅层换填

浅层换填法也叫垫层法。垫层法是先将基础下的湿陷性黄土一部分或全部挖除，然后用素土或灰土分层夯实做成垫层，以便消除地基的部分或全部湿陷量，并可减小地基的压缩变形，提高地基承载力，可将其分为局部垫层和整片垫层。当仅要求消除基底下1～3 m湿陷性黄土的湿陷量时，宜采用局部或整片土垫层进行处理；当同时要求提高垫层土的承载力或增强水稳性时，宜采用局部或整片灰土垫层进行处理。

垫层的设计主要包括垫层的厚度、宽度、夯实后的压实系数和承载力设计值的确定等方面。垫层设计的原则是既要满足建筑物对地基变形及稳定的要求，又要符合经济合理的要求，同时，还要考虑以下几方面的问题。

（1）局部土垫层的处理宽度超出基础底边的宽度较小，地基处理后，地面水及管道漏水仍可能从垫层侧向渗入下部未处理的湿陷性土层而引起湿陷，因此，设置局部垫层不考虑防水、隔水作用，地基受水浸湿可能性大及有防渗要求的建筑物不得采用局部土垫层处理地基。

（2）整片垫层的平面处理范围，每边超出建筑物外墙基础外缘的宽度，不应小于垫层的厚度，即不应小于2 m。

（3）在地下水位不可能上升的自重湿陷性黄土场地，当未消除地基的全部湿陷量时，对地基受水浸湿可能性大或有严格防水要求的建筑物，采用整片土垫层处理地基较为适宜；地下水位有可能上升的自重湿陷性黄土场地，应考虑水位上升后，对下部未处理的湿陷性土层引起湿陷的可能性。

4.1.2 重锤表层夯实法

重锤表层夯实适用于处理饱和度不大于60%的湿陷性黄土地基。一般采用2.5～3.0 t的重锤，落距4.0～4.5 m，可消除基底以下1.2～1.8 m黄土层的湿陷性。在夯实层的范围内，土的物理、力学性质获得显著改善，平均干密度明显增大，压缩性降低，湿陷性消除，透水性减弱，承载力提高。非自重湿陷性黄土地基，其湿陷起始压力较大，当用重锤处理部分湿陷性黄土层后，可减少甚至消除黄土地基的湿陷变形。因此在非自重湿陷性黄土场地采用重锤夯实的优越性较明显[3]。

4.1.3 强夯法

强夯法加固地基机理一般认为，是将一定重量的重锤以一定落距给予地基以冲击和振动，从而达到增大压实度，改善土的振动液化条件，消除湿陷性黄土的湿陷性等目的。强夯加固过程是瞬时对地基土体施加一个巨大的冲击能量，使土体发生一系列的物理变化，如土体结构的破坏或排水固结、压密以及触变恢复等过程。其作用结果是使一定范围内的地基强度提高、孔隙挤密。一般采用100～200 kN重锤、10～20 m落距夯击湿陷性黄土，可达到消除4～8 m深度内黄土的湿陷，而且还可提高地基承载力。

4.1.4 挤密法

挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土地基，施工时，先按设计方案在基础平面位置布置桩孔并成孔，然后将备好的素土（粉质黏土或粉土）或灰土在最优含水量下分层填入桩孔内，并分层夯（捣）实至设计标高止。通过成孔或桩体夯实过程中的横向挤压作用，使桩间土得以挤密，从而形成复合地基。值得注意的是，不得用粗颗粒的砂、石或其它透水性材料填入桩孔内。

灰土挤密桩和土桩地基一般适用于地下水位以上含水量14%～22%的湿陷性黄土、人工黄土和人工填土，处理深度可达5～10 m。灰土挤密桩是利用锤击打入或振动沉管的方法在土中形成桩孔，然后在桩孔中分层填入素土或灰土等填充料，在成孔和夯实填料的过程中，原来处于桩孔部位的土全部被挤入周围土体，通过这一挤密过程，从而彻底改变土层的湿陷性质并提高其承载力。

4.1.5 桩基法

桩基础既不是天然地基，也不是人工地基，属于基础范畴，是将上部荷载传递给桩侧和桩底端以下的土（或岩）层，采用挖、钻孔等非挤土方法而成的桩，在成孔过程中将土排出孔外，桩孔周围土的性质并无改善。设置在湿陷性黄土场地上的桩基础，桩周土受水浸湿后，桩侧阻力大幅度减小，甚至消失，当桩周土产生自重湿陷时，桩侧的正摩阻力迅速转化为负摩阻力。因此，在湿陷性黄土场地上，不允许采用摩擦型桩，设计桩基础除桩身强度必须满足要求外，还应根据场地工程地质条件，采用穿透湿陷性黄土层的端承型桩（包括端承桩和摩擦端承桩）。其桩底端以下的受力层:在非自重湿陷性黄土场地，必须是压缩性较低的非湿陷性土（岩）层;在自重湿陷性黄土场地，必须是可靠的持力层。这样，当桩周的土受水浸湿，桩侧的正摩阻力一旦转化为负摩阻力时，便可由端承型桩的下部非湿陷性土（岩）层所承受，并可满足设计要求，以保证建筑物的安全与正常使用[4]。

4.2 防排水措施

在一般路段,主要措施是防水,防止路侧积水和积水下渗，所以在路基坡脚外20～30 m范围内要仔细平整地表，填土和夯实洼地及裂缝，避免积水。主要的防排水措施如下。

4.2.1 地面排水

加强路基排水，对地表水应采取拦截、分散、防冲、防渗，远接远送的原则。根据设计及时做好综合排水设施，将水迅速引离路基，在填挖交界处引出的边沟要尽量远离路基坡脚。施工中经常出现土边沟刚刚挖好，一场雨水使边沟淤塞，边坡及坡脚发生水毁，边沟要及时砌筑，出口要加固，水最好引入涵洞（或桥下）。

4.2.2 地下排水

地下排水设施按设计要求加固并做好防渗措施。在基底设置足够的引水渗沟或支撑渗沟，在路堤上游设置截水渗沟。对于路堤基底渗水，利用天然砂砾排除，防止路基病害。

5 工程实例分析

5.1 工程概况

济南西部城区某沿湖修建的几条道路，道路总长4.6 km，道路等级有城市次干路及支路。拟建道路沿线位于山前冲洪积平原上部，在钻探深度范围内揭露的第四系地层主要为填土、山前冲洪积成因的黄土、黏性土、砂土、碎石土。其中勘区上部自地表填土之下分布有第②层黄土，呈褐黄色，局部黄褐色，可～硬塑，含白色钙质条纹，具虫孔。根据地质报告同时结合道路纵断判断，路基持力层位于黄土层内。根据湿陷系数及湿陷起始压力，查阅《公路工程地质勘察规范》(JTG C20—2011)，判定黄土为湿陷性黄土，湿陷性黄土场地的湿陷类型为非自重湿陷性黄土场地。其湿陷性黄土地基的湿陷等级为Ⅰ级（轻微湿陷）。

5.2 湿陷性黄土路基采用的处理措施

对路基范围内的杂填土及表层土应挖除，采用素土换填，素土应满足路基填料要求。表层填土挖除后土层多为Ⅰ级湿陷性黄土（轻微湿陷），为保证路基稳定根据土层厚度对湿陷性黄土采用强夯处理。强夯的单位夯击能应根据施工设备黄土地层的时代湿陷性黄土层的厚度和要求消除湿陷性黄土层的有效深度等因素确定。一般可取1000～4000 kN·m/m2，夯锤底面宜为圆形，锤底的静压力宜为25～60 kPa，应先在场地内选择有代表性的地段进行试夯或试验性施工。施工时夯锤的质量、落距、夯点布置、夯击次数和夯击遍数等参数，宜与试夯选定的相同，施工中应有专人监测和记录。

在强夯施工过程中或施工结束后，应按下列要求对强夯处理地基的质量进行检测：检查强夯施工记录，基坑内每个夯点的累计夯沉量不得小于试夯时各夯点平均夯沉量的95%；隔7～10 d，在每500～1000 m2面积内的各夯点之间任选一处，自夯击终止时的夯面起至其下5～12 m深度内，每隔1 m取1～2个土样进行室内试验，测定土的干密度、压缩系数和湿陷系数。

根据设计及施工经验，路基采用强夯路基处理后，潮湿及过湿路基统一按中湿类型处理，按路基土干湿类型分述如下。

5.2.1 挖方路段

（1）正常干燥路段：湿陷性黄土地基强夯处理，路基顶面以下30 cm土基采用8%灰土改良处理；

（2）中湿路段：湿陷性黄土地基强夯处理，路基顶面以下30 cm土基采用8%灰土改良处理。

5.2.2 填方路段

（1）正常干燥路段：湿陷性黄土地基强夯处理，路基顶面以下自下而上分别采用满足设计要求的土或改良土回填、30 cm 8%灰土改良处理；

（2）中湿路段：湿陷性黄土地基强夯处理，30 cm 8%灰土垫层，路基顶面以下自下而上分别采用满足设计要求的土或改良土回填、20 cm 8%灰土改良处理。

6 结语

湿陷性黄土是一种对于道路及其它构造物建设都会产生一定程度影响的特殊土质，而在实际施工过程中，其对工程的巨大破坏力是显而易见的。然而，就每一个工程来看，它们都有其自身的特点及建设条件，只有从影响其物理力学性质变化的内在因素和外在因素等多方面加以考虑，通过调整土的力学性质加以处理，灵活运用各种措施手段来做好湿陷性黄土的路基处理才是可行的。

[1]GB 50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[2]裴章勤，刘卫东.湿陷性黄土地基处理[M].北京：中国铁道出版社，1992.

[3]杨盛福.高速公路路基设计与施工[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]刘世凯，陆永清，欧湘萍.公路工程地质与勘察[M].北京:人民交通出版社,1999.