湿陷性黄土评价及处治方法研究

孙万虎

(甘肃路桥建设集团有限公司,甘肃 兰州 730030)

0 前 言

黄土是指第四纪期间风力搬运形成的黄色沉积物,其中约60%的黄土具有湿陷性。湿陷性黄土会在自重应力或附加应力作用下,因浸水而土体结构破坏,发生显著的附加变形,对高速公路路基安全稳定产生严重影响[1]。如何合理运用各种湿陷性黄土处治方法以达到安全、耐久、经济、低碳的处治效果,是保障黄土地区公路工程建设高质量发展的重要工程问题[2]。

1 工程概况

甘肃省某高速公路全长168 km,约55%位于冲洪积平原、黄土丘陵和黄土覆盖中山区,项目区内全新统冲洪积相(Q4al+pl)及上更新统坡积(Q3dpl)黄土广泛分布,土体结构松散,大孔隙和垂直节理发育,压缩性高,且多具湿陷性。

2 湿陷性黄土评价

2.1 黄土湿陷机理

黄土颗粒间的松散结构和胶结物质是导致黄土湿陷的根本原因。黄土是在干旱或者半干旱的气候条件下形成,黄土中,粒径>0.01 mm的颗粒构成了黄土的骨架,粒径0.01～0.002 mm的颗粒填充在骨架之间的孔隙中,粒径<0.002 mm的颗粒在黄土中起到胶结作用。黄土颗粒和孔隙之间由胶结物质粘结,在一般情况下,黄土能保持结构性,具有低压缩性、高抗剪强度的特性[3]。在浸水后,一部分黄土的颗粒间胶结物质发生溶解和软化,颗粒间水化膜增厚、连接程度降低,骨架强度随之下降,在自重压力或者附加压力的共同作用下,骨架架构随之破坏,土体颗粒滑向大孔隙,土体随之发生湿陷变形。

2.2 湿陷等级划分

公路工程采用室内浸水饱和压缩试验的方法判定黄土湿陷程度,采用湿陷系数和湿陷量作为定量评价指标。湿陷系数可按公式(1)计算

(1)

试验中要尤其注意试验压力的选定。对零填路基,试验压力应采用地基土饱和自重压力;对路堤,试验压力应采用路堤荷载作用下地基附加压力和地基土饱和自重压力之和;对路堑,试验压力应自挖方设计高程算起,取路堑底以下地基土饱和自重压力。自重湿陷系数δzs测定方法与δs一致,但试验压力应取土样上覆土的饱和自重应力。

测定δs<0.015的定为非湿陷性黄土,δs>0.015的定为湿陷性黄土。

通过湿陷系数,按式(2)和式(3)计算湿陷量Δs和Δzs。

(2)

(3)

式中:β为考虑基底以下地基土受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数;hi为土层厚度。β0为因地区土质而异的修正系数。该项目取1.40。

根据计算所得的湿陷量,按照相关规范对湿陷性黄土地基湿陷等级进行划分。

根据勘察和试验结果,项目全线湿陷黄土路段总长16.78 km,其中Ⅰ级非自重段落3.315 km,占湿陷段落总长的19.58%,湿陷厚度2.5～9.2 m;Ⅱ级非自重段落长2.145 km,占湿陷段落总长的12.67%,湿陷厚度6.5～10.6 m;Ⅱ级自重段落长7.18 km,占湿陷段落总长的43.3%,湿陷厚度4～13.8 m;Ⅲ自重段落长4.14 km,占湿陷段落总长的24.45%,湿陷厚度10.4～13.7 m。

3 湿陷性黄土处治方案设计

3.1 处治设计原则

湿陷性黄土地基处理设计应遵循“安全、耐久、低碳、经济”原则,结合工程地质条件和路基工点类型合理选定处治方案[4]。不同重要程度的工点需要达到的处理效果不同,首先应按照工程重要性对路基工程进行分类,路基工程等级划分如表1所示。

表1 工程等级划分

甲类工程对地基变形敏感,一旦地基发生沉陷变形,往往后果严重,故应采取较强地基处理手段,以消除地基的全部湿陷量或者穿越水体下渗影响范围内湿陷性土层为处治目标。乙类工程为一般路基段,允许地基出现一定程度的变形下沉,设计阶段应结合具体路基形式、高度和工程地质条件,选定经济合理的设计方案。乙类工程的最小处理深度如表2所示。

表2 湿陷性黄土地基最小处理深度 (单位m)

3.2 处治方法分析

(1)挤密桩法。工程中常采用灰土挤密桩、素土挤密桩或者干拌水泥碎石挤密桩等方式处理湿陷性黄土地基。挤密桩法通过沉管施工挤密土体,并在消除黄土湿陷性的同时,由桩体和桩间土共同组成复合地基[5]。挤密桩法处治有效性高、施工适应性广,但工程造价较高,以汾石高速为例,灰土挤密桩的处治单价约为55元/m2,是强夯的2.7倍。故挤密桩主要适用于甲类工程或者湿陷等级高、厚度厚、其他处治方式施工困难的特殊路段,不宜作为常规处治手段。

(2)强(重)夯法。强(重)夯法通过重锤反复击打地基,运用夯击势能压密土体,是工程中最常用的湿陷性黄土处治方法[6]。工程中常用强夯的单点夯击能为1 000～4 000 kN·m,可有效消除起夯面下3～6 m土层的湿陷性,重夯单点夯击能为600 kN·m,可消除起夯面下2～3 m土层的湿陷性。强(重)夯法工程造价低,强夯处理单位造价约为20元/m2,重夯处理单位造价约为9元/m2。强(重)夯法可应用于填高较高、湿陷等级较高的乙类工程和湿陷土层分布不厚的甲类工程。但是在地形陡峭的黄土冲沟地区,由于强夯施工机械操作困难,需考虑其他处治方案。同时强夯施工对自然边坡稳定性和周围建筑物的安全存在一定影响,高边坡和临近建筑物的路段需谨慎采用或采取必要的安全措施。

(3)冲击碾压法。冲击碾压法是通过多边形冲击压路机碾压地基形成的冲击轮势能密实土体,工程中常用的30 kJ压路机有效处理范围可达1.5 m,并且造价优势明显,约为4元/m2,故可作为乙类工程的常规性处治手段。但是由于冲击压路机需一定的施工长度和场地宽度保证碾压速度,场地空间较小的路段不适用。

(4)换填垫层法。换填垫层是通过水泥土、石灰土等改良土体替换湿陷性土层,达到消除湿陷性的目的。但是工程造价高,每1 m厚的4%水泥土垫层造价约为52元/m2,6%灰土垫层造价约为64元/m2,换填垫层法宜作为其他处治方法的补充手段,灵活运用。

3.3 处治方案设计

(1)甲类工程

①桥头路基。桥头路基处治长度为与桥台距离25 m的路基地基,处理宽度为每侧应超出路基底宽3 m范围。对湿陷性黄土厚度小于5 m时的填方路段,采用强夯处理,单点夯击能选用2 000 kN·m,强夯前应选择代表性路段选取试夯区进行试夯,确定夯击方案、夯击次数、夯击遍数、间歇时间等参数。同时,施工前还应测量地基土含水量,对含水量>22%或者饱和度>60%的土体,应事先进行晾晒等待含水率降低后进行施工,对含水量<8%的,应先润湿土体后再进行施工。施工过程中,要做好减震措施,保证桥梁构造物安全,设计方案见图1。

图1 填方小于5 m的桥头路堤地基处理设计图

对湿陷性黄土厚度>5 m时的填方路段,采用石灰土挤密桩处理,挤密桩桩身消石灰含量为10%,桩径采用40 cm,桩孔呈等边三角形布置,孔中心距1 m,桩长以穿透湿陷性土层为控制,但考虑到山西地区年降水量较少,地表水和施工用水下渗深度有限,桩长不宜超过8 m。桩顶需设置30 cm厚的灰土垫层,用于调整荷载分布和封闭地表水,设计方案见图2。

图2 填方大于5 m的桥头路堤地基处理设计图

考虑到该项目挖方桥台较少,且绝大部分湿陷土层已被挖除,对挖方桥头路基采用路床部分换填6%灰土处理。

②涵洞、通道,墙高>6 m的挡土墙。结合地基承载力要求,对地基设置50 cm灰土垫层提高地基承载力,并根据湿陷等级采取相应措施消除湿陷。Ⅲ级及以上湿陷性黄土地基采用2 000 kN·m夯击能的强夯处治;Ⅱ级及以下湿陷性黄土采用600 kN·m夯击能的重夯处治。

(2)乙类工程

①填方路基。填方路段的地基处理范围为路堤段距坡脚排水沟外侧≥1 m,无排水沟时坡脚外1 m。对Ⅰ级湿陷性黄土地基采用正常填前碾压处理;对Ⅱ级非自重、自重湿陷性黄土地基采用冲击碾压(30 kJ)处理;对Ⅲ级自重湿陷性黄土地基,填土高度≤4 m时采用冲击碾压(30 kJ)处理,填土高度>4 m时采用重夯(600 kN·m)。对Ⅳ级自重湿陷性地基,填土高度>4 m时采用强夯(2 000 kN·m),填土高度≤4 m时采用重夯(600 kN·m)处理。

②挖方路基。挖方路段的处理范围为路基断面宽度(包含边沟范围)。对Ⅰ级湿陷性黄土地基采用下路床翻松碾压,上路床回填6%灰土处理;对Ⅱ级非自重、自重湿陷性黄土地基采用超挖至路床底,对地基进行正常碾压后,下路床分层压实,上路床回填6%灰土处理;对Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性黄土地基采用挖至路床底,对地基冲击碾压(30kJ)后,下路床分层压实,上路床回填6%灰土处理。

③以上方案中,对处治长度<100 m不适宜冲击碾压的路段,采用重夯(600 kN·m)代替处理。对距离房屋建建筑物水平距离<50 m的,不适宜强(重)夯、冲击碾压处理路段,采用地基清表后换填50 cm灰土垫层,并在坡脚设宽1.2 m的灰土隔水墙处理,隔水墙的高度根据湿陷性等级确定。

④在地基处理前,应对路堤坡脚或路堑边坡坡口上侧80 m、下侧50 m范围内的黄土陷穴、落水洞和空洞进行回填压实。

3.4 防排水措施

浸水是导致湿陷性黄土沉陷的根本原因,防排水设计是湿陷性黄土地基处理的重要部分。黄土地区公路工程应加强综合排水系统的设计,保证排水畅通,防止积水与下渗,做到防治并重。

在路基排水设计中,对挖方、低路堤及低填浅挖路段,在挖方边坡或填方边坡坡脚外设置排水边沟,边沟水通过排水沟引至路基范围之外。挖方路段或斜坡路堤上方流入路界的地表径流较大路段,设置截水沟;多级路堑或路堤路段,在边坡平台处设置平台截水沟,减少坡面冲刷;在路堤和路堑坡面或者坡面平台上向下集中排水时,设置急流槽;中央分隔带表面采用铺面封闭,铺面之下设置防水层。黄土地区的排水沟渠长度应控制在300 m以内,沟底纵坡应≥0.3%,并设置适当的防渗措施。

4 结 语

近年来,随着中国基础设施的快速建设,在湿陷性黄土地基处理方面积累了丰富的经验,但没有一种地基处理方法是万能的,对具体工程而言,应结合工程地质条件、工点类型、工程投资和施工条件等因素综合考量,确定最适宜工程的地基处理方案,不断提高精细化、品质化设计水平,努力打造优质耐久、安全舒适、经济低碳的精品工程。