复杂条件下湿陷性黄土路基不均匀沉降控制关键技术研究

周明

（新疆兵团勘测设计院（集团）有限责任公司，乌鲁木齐830000）

1 引言

不均匀沉降是黄土路基最常见的病害形式， 如果处治不当，可能造成路面塌陷、边坡失稳等病害，严重影响行车安全和舒适度。 鉴于此，国内外很多学者开始研究黄土地区路基沉降变形规律和处治措施，并取得了很多有价值的成果。 但是由于黄土性质的复杂性， 并未形成统一的观点来指导路基设计和施工。 同时，设计人员在开展黄土地区路基设计时，存在盲目套用临近项目图纸、不对处治方案进行详细比选等问题，使得设计方案偏保守[1]。 因此，进一步研究湿陷性黄土路基变形特征及不均匀沉降控制技术具有十分重要的工程价值。

2 湿陷性黄土变形及复杂条件下路基的特征

2.1 黄土湿陷性特征

2.1.1 湿陷性变形阶段

和一般路基填土相比，黄土的颗粒组成、矿物成分、化学成分、结构构造等明显不同，使得黄土处于欠压实状态，浸水后容易产生湿陷性变形，对路基工程产生很大危害。 相关研究表明，黄土的湿陷变形具有突变性、非连续性、不可逆性。 根据黄土单轴浸水压缩试验可将其变形划分为3 个阶段： 第一阶段属于黄土压密变形 （弹性变形）， 服从土的压缩定理（a=Δe/Δp，Δe 为孔隙比变化值，Δp 为压力变化值，a 为压缩系数）；第二阶段属于湿陷变形（塑性变形），是因为在黄土浸水后，结构软化，受全量塑性理论制约；第三阶段属于饱和黄土固结变形（黏弹性变形），受比奥特固结理论制约[2]。

2.1.2 湿陷性黄土变形特点

黄土的湿陷性通常具有以下特点[3]：（1）隐蔽性。黄土发生湿陷前不易被发现，具有较强的隐蔽性。 如湿陷性黄土从路基底部间断穿过，如果勘测工作不细致，在公路运营期间可能产生陷穴和坑洞，导致基底不均匀沉降或边坡破坏，危害行车安全。 （2）时效性。 水是导致黄土湿陷的关键因素。 由于黄土表面植被较少，垂直节理发育，随着雨季的到来（尤其是暴雨天气），雨水快速渗入黄土内部，湿陷变形发生速度快，严重的可能掏空路基。（3）重现性。湿陷性黄土处理难度大，如果选择的控制措施不合理，重复湿陷变形的概率会大幅提升。

2.2 复杂条件下黄土路基特征

3 复杂条件下黄土路基不均匀沉降变化规律

3.1 依托工程概况

3.1.1 建设标准

本文以某高速公路项目为研究对象， 探讨了湿陷性黄土不均匀沉降变化规律。 该高速公路全长36.8 km，路线起讫桩号为K0+000～K36+800，设计速度为120 km/h，设计荷载为公路-I 级，双向4 车道，路基宽度为25.5m，沥青路面结构厚72 cm， 路面结构组合为4 cm 细粒式沥青混凝土AC-13C+6 cm 中粒式沥青混凝土AC-20C+8 cm 粗粒式沥青混凝土AC-25+18 cm 水稳碎石上基层+18 cm 水稳碎石下基层+18 cm 低剂量水稳碎石底基层。

3.1.2 地形地貌

高速公路总体为东西走向，位于丘陵和平原接地带，大部分地形平坦，局部地形较陡。 路线K30+285～K32+600 段穿过湿陷性黄土地区，连续分布，厚度不均，厚6.0～10.0 m，湿陷量在95～164 mm， 湿陷程度以轻微～中等， 局部和碎石呈互层状。 此外，黄土段有类似鸡爪状的细长冲沟，深度较大，填筑路基时需注意压实质量，控制不均匀沉降。

3.1.3 气象气候

项目处于温带大陆性气候，四季气温变化大，最热的是7月、8 月，平均气温25.7 ℃；最冷的是1 月，平均气温-15.2 ℃，气候干燥少雨，多年平均降雨量约295 mm，降雨主要集中在7～10 月份。

3.2 有限元模型建立

随着计算机技术的不断提升， 数值模拟在岩土工程问题中的应用越来越广。 相对于传统的分层总和法，数值模拟法具有成本低，可重复性好等优点，能在有限时间内计算各种工况[4]。 鉴于此，本文利用有限元软件PLAXIS 3D 研究了某高陡湿陷性黄土路基在不同工况下的沉降变形规律。

可往往人的一些想法是命中注定的，当精神上的一些东西跟现实世界相冲突之后，那一种美好就破灭了，就会使人产生绝望。

高陡路基段落为K16+200～K16+415， 研究断面桩号为K15+660，最大填高28 m。 1 级、2 级和3 级边坡坡率分别取1∶1.5、1∶1.75、1∶2，边坡坡面采用拱形骨架植草防护，边坡两侧设置尺寸为60 cm×60 cm 的矩形排水沟。 建立模型时将路基简化为二维平面模型， 利用PLAXIS 3D 软件中内置的solid单元模拟边坡岩土体，屈服准则为摩尔-库伦本构；同时，边坡网格划分采用正四面体，共划分出856 个单元，1 025 个节点。

根据地质勘察资料及室内土工试验结果可知， 地基土从上到下分别为湿陷性黄土和碎石， 路基填料为性能良好的砂砾土，不同岩土体的主要物理力学参数为：（1）湿陷性黄土重度17.1 kN/m3、黏聚力24 kPa、内摩擦角26°；（2）碎石重度24.0 kN/m3、黏聚力30 kPa、内摩擦角45°；（3）路基填料重度19.5 kN/m3、黏聚力6 kPa、内摩擦角30°。

3.3 黄土路基不均匀沉降计算结果

本文通过分层加载来模拟路基的分层填筑， 并在道路中心及两侧每隔3 m 设置沉降检测点， 不同位置的沉降变形计算结果见表1。

表1 不同位置黄土路基沉降变化cm

由表1 计算结果可知： 黄土路基各监测点的沉降变形并不是均匀变化的，路基中心点处沉降变形最大，离路基中心距离越远，沉降变形越小。 在距离路基中心长度相同的位置，右侧沉降略大于左侧沉降，这是因为路基地面线呈左高右低，右侧填土高度大于左侧填土高度， 使得填土自身重力和作用在地基上的附加荷载增加[5]。 同时，各监测点处的地基沉降在总沉降中的占比远小于路基填土沉降。 这也说明，高陡黄土路基的填筑高度是影响其不均匀沉降的主要因素。

4 黄土路基不均匀沉降控制关键技术

由上节可知，K15+660 处的高陡路基各监测点沉降都大于30 cm，不满足JTG D30—2015《公路路基设计规范》要求，需对黄土路基进行处理。

4.1 黄土地基处理

4.1.1 处治原理

该项目黄土分布深度较大，约6.0～10.0 m。 为了消除黄土地基的湿陷性，可采用灰土挤密桩进行处理。

灰土挤密桩是通过钢套筒在地基内成孔，然后在孔内分层填入灰土夯实，形成灰土桩，与桩间土共同组成复合地基。灰土挤密桩属于柔性桩，其作用机理体现在两个方面：一是桩体的挤密作用，即成孔时桩孔处土体被强制往侧向挤压，使得1.5～2.0 倍桩径范围内的土层孔隙比体积减小，密实度提高；二是石灰内的Ca（OH）2成分与黄土颗粒发生化学反应，产生胶体凝聚，提高土体强度。

4.1.2 设计参数

灰土挤密桩桩径不宜过大也不宜过小，桩径过小会增加打桩和回填工作量，反之桩间土挤密程度不足。 结合临近项目处理经验和相关规范，桩径取0.5 m，桩间距1.0 m，梅花形布桩。

灰土挤密桩的成孔和回填作业宜间隔进行， 并在回填前夯实孔底。 回填土料建议采用粉质黏土，石灰消解至少3 d 后过筛，土料和石灰拌和均匀至颜色一致后及时回填夯实。 需要注意，如施工现场发现黄土地层分布与勘察数据不一致，应立即停止施工，待查明情况后联系设计单位调整方案。

4.2 路基填土处理

4.2.1 铺筑土工格栅

土工格栅张力和延展性较好， 且土工格栅和填土间的摩擦咬合作用可以约束土体，减少土体的侧向变形。 因此，高陡黄土路基可通过铺土工格栅来减少路基左右侧的不均匀沉降。 在上路床和下路床顶面各铺设一层双向拉伸土工格栅（参数见表2），每幅土工格栅搭接部位重叠30 cm，并用直接10 mm的钢筋锚钉加固，锚固间距2 m×2 m。

表2 土工格栅材料参数

4.2.2 分层补夯

为降低黄土路基工后不均匀沉降， 建议对路堤分层强夯处理。 分层强夯是在各层填土压实度均满足规范要求的条件下进行的补夯，每填筑4 m 强夯一次。 即以该段路基的路床顶面为最终强夯层，向下每间隔4 m 为一层，最后一层间距＜4 m时，在基底补夯一次。

由于高陡路基段落较长，可分台阶进行强夯。 补夯后，应采用灌砂法或环刀法检查压实度， 建议补夯后的路基压实度比规范要求的提高1%。

4.3 处治效果评价

在采取上述措施后， 对该高陡路基各监测点的沉降变形进行了重新计算，计算结果见图1。

图1 黄土路基处治前后沉降变化

由图1 可知， 湿陷性黄土路基在经灰土挤密桩、 土工格栅、补夯等措施处理后，各监测点的沉降变形均有明显降低，且满足规范要求。 处理后黄土路基最大沉降15.2 cm，相对于处理前降低幅度达59.8%。 同时，路基左右侧沉降大小基本一致，不均匀沉降现象有明显改善。

5 结语

本文分析了湿陷性黄土路基变形特征， 并依托某高速公路项目中黄土路基的沉降变形规律， 对不均匀沉降控制技术进行研究，主要得到以下结论：（1）黄土浸水后易产生湿陷性变形，危害路基安全，且具有明显的隐蔽性、时效性和重现性；（2）黄土路基不同位置的沉降变形并不是均匀变化的，与路基中心距离越远，沉降变形越小；（3）黄土路基不均匀沉降控制可采用灰土挤密桩、土工格栅、补夯等措施，处理后各监测点沉降会有明显降低。 研究成果可为类似的湿陷性黄土路基设计提供科学的理论指导。