市政道路中湿陷性黄土路基的处理方法研究
时间：2023-06-12 20:10:22 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
郭 强
（中国水利水电第十一工程局有限公司,河南 三门峡 472000）
在中国的北方，尤其是黄土高原地区，存在较大范围内且广泛分布有湿陷性黄土，地质情况非常复杂[1-3]。湿陷性黄土最主要的特征是覆盖土层的重力或者是湿陷性黄土本身的自重应力会对湿陷性黄土产生综合作用，尤其是水浸泡以后土体结构会迅速发生破坏。湿陷性黄土在土体自身重量或者外部荷载的作用下，土体结构接触水之后土体结构的嵌挤结构会发生变化，土体会发生明显的沉降，强度也会随之降低[4-6]。黄土路基的沉降会进一步地引起道路基础不均匀沉降，并且不均匀沉降是造成黄土地区道路质量事故的主要原因[7]。大多数的黄土地区含水率不均匀，一些湿陷性的黄土含水饱和度达到了80%以上，黄土湿陷性消失，转换为小于100 kPa的低承载力土或者高压缩性土。饱和的湿陷性黄土与普通的软土特性不同，湿陷性黄土具有黄土和软黏土两种土体性质的共同特点。如今类似地基处理问题越来越多，对于湿陷性黄土的处理直接影响到道路工程的质量和使用寿命[8]。
1.1 概述
甘棠路为一条南北向次干路，位于三门峡市开发区，随着三门峡市旧城改造工作的逐步推进，旧城改造区域内的路网建设成为目前亟待解决的问题。甘棠路作为三门峡市旧城改造区域内路网的组成部分，道路的建设能够解决区域内的交通问题，是区域内经济开发建设的必要的基础设施保证，对周边的人民生活以及生产都会产生积极的影响。项目道路起点为建工路，终点为北环路，线路总长676 m，各道路交叉口均采用平交。
1.2 地质
该工程的里程区段都位于湿陷性黄土区域，根据地勘报告显示，路基土体稍湿、稍密、高压缩性为主、具有湿陷性、无光泽、摇震反应迅速、韧性低、干强度低。湿陷性黄土相对来说的结构比较松散，密度均匀且孔隙发育比较完整，一般没有水的影响下，湿陷性黄土有比较高的强度和弱压缩性。但是受到水浸泡以后，湿陷性黄土的土壤结构在水的作用下就会迅速分解，可压缩性就会变强，就会迅速产生大量的突然沉降，强度也会同时降低。大量节理发育的存在，会导致黄土的抗剪强度表现出明显的各向异性，从而导致路基和路面结构弯沉、变形、凹陷和开裂，道路内部凹陷之后，容易形成土洞或导致路基被冲刷。因此，道路施工前一定要对湿陷性黄土进行处理。
湿陷性黄土的突出特点表现在结构性、湿陷性和欠压密性三个方面，结构性主要是指土体结构的物理性质本身，包括黄土的颗粒结构、成分、形态和排列方式等。组成黄土的颗粒成分一般都是由单个的粉粒、黏胶细碎的积粒等组成。除此之外还有少数片状和棒状颗粒。
黄土湿陷性变形的结构理论主要是认为结构中的黏胶颗粒和碳酸钙形成了架空结构和孔隙。在水和荷载的作用下，颗粒之间的连接强度和刚度发生变化，进而导致颗粒之间重新排列，孔隙特征变化，颗粒胶结形式变化，土体中的吸力和非水稳定性导致土体压缩变形，造成土体原有结构破坏，进而形成湿陷性黄土变形特征。
2.1 湿陷性黄土的判定
所有的道路施工前都需要进行详细的地质勘察，勘察提供完整和可靠的工程地质报告，根据报告评价所在区域的地质是否符合路基工程质量规范要求，而评价过程中最重要的一道工序是对黄土的湿陷性评定。黄土的湿陷性评价分为三个过程，一是确定路基的黄土层是否具有湿陷性的属性；
二是确定地下水的分布、厚度、深度和面积等信息；
三是确定湿陷性黄土的等级程度。
根据国家规范《湿陷性黄土地区建筑规范》中规定，湿陷性黄土的测试实验通常也分为三种，一是室内压缩实验，二是现场静荷载实验，三是现场挖坑浸水实验。根据测试结果进行计算，计算湿陷性系数之后进行判断，湿陷性系数一般用δs表示，见计算公式（1）：
式中，hp——黄土在保持原有的自然湿度和结构情况下，在外界压力P的作用下，计算黄土沉降稳定之后的高度和孔隙比；
hp′——上述的土体压缩后，在饱和的浸泡条件下，沉降稳定后的高度和孔隙比；
h0——土体原本状态下的高度和孔隙比。
根据室内浸水压缩试验测定结果，我国现行国家标准规定如下：
当湿陷系数的测试结果δs＜0.015时，则定义为非湿陷性黄土；
当湿陷性系数的测试结果δs≥0.015时，则定义为湿陷性黄土。
根据测试的湿陷性系数，可以判断湿陷性黄土的强弱程度，湿陷性系数小于0.03的情况下为弱湿陷性，在0.03～0.07之间为中等湿陷性，大于0.07时为高湿陷性，黄土湿陷性都是在的水和压力的作用下产生变化的，二者影响因素缺一不可。只有在没有一定的水压的情况下，黄土才会坍塌，相反具有一定压力且无水的湿陷性黄土是不可能崩塌的。
2.2 湿陷性黄土等级划分
湿陷性黄土地基的湿陷性等级应根据地基下各土层的总湿陷性和自重湿陷性来确定。总湿陷量可按公式（2）计算:
式中，δsi——第i层土的湿陷系数；
hi——第i层土的厚度（cm）；
β——考虑地基土的侧向挤出和浸水机率等因素的修正系数。一般在没有实测的数据资料情况下，按照下列的规定进行取值计算，基底以下5 m范围内，取β=1.5；
基底以下5～10 m，取β=1.0；
基底以下 10 m 以上，在自重的湿陷性黄土区域，可取工程所在地区的β0值。湿陷性黄土等级划分见表1。
表1 湿陷性黄土的等级划分表
湿陷性黄土路基的处理方法有很多种，常见的方法有砂石垫层或者灰土垫层法、夯实法、灰土挤密桩法、预先浸水法、桩基础处理法、化学加固法等。根据施工条件、施工环境和湿陷性等级程度不同，采用合理科学的处理方法，各种湿陷性黄土的处理方法适用性见表2。
表2 湿陷性黄土地基的常用地基处理方法
3.1 垫层法
垫层法是采用灰土、砂石或者素土作为垫层进行处理，具有因地制宜、就地取材、节约成本、施工方便等特点，在湿陷性黄土处理过程中经常应用，通过垫层进行一个隔水处理，减少地基湿陷性黄土的湿陷量，控制未处理的土层沉降量，达到处理湿陷性黄土的目的。根据施工经验总结，砂石垫层和灰土垫层处理都是用于处理地下水位以上的湿陷性黄土，根据湿陷性黄土的厚度不同，采用不同的方法，如果只是需要消除基底以下1～3 m厚的湿陷性黄土沉降量时，应该先使用部分或者全部的灰土进行垫层处理。如果需要提高垫层或路基的承载力以及垫层的水稳定性时，建议使用整体的砂石或者石灰土进行处理。需要注意的是垫层施工时先将处理的湿陷性土开挖利用，然后利用挖出来的土作原料进行筛分，在最佳含水率量的情况下逐层回填夯实，一般单层最大的回填厚度不超过30 cm。
3.2 土桩或灰土桩法
以最佳含水量填充素土或石灰土并分层压实的方法称为机械、手动或爆破扩孔后的土堆或灰土桩法。土桩适用于湿陷性黄土地基，目的是消除地基土的湿陷性，采用灰土桩处理人工填土地基，提高地基承载力。该方法处理深度一般为5～15 m，湿陷性黄土地基位于地下水位以上，土壤饱和度小于65%。
灰土桩法的施工中要注意灰土桩的施工工艺，施工前设置一定数量的渗水孔，合理确定渗水孔深度，确保最终水能够均匀地渗透到土层中去。根据道路的情况，一般采用分段施工方式，如果遇到大面积处理区域，从中间向两边施工。施工过程中需要逐个检查灰土桩的桩孔直径、深度等，按照规范要求确保桩孔垂直度偏差在1.5%之内，桩的重点偏差也要控制在5%之内。灰土拌和的过程中要注意素土和灰土的配合比，素土的粒径偏大、石灰的含量偏少等都会导致灰土桩基质量不合格，并且也需要严格控制桩孔的深度和间距，现场施工过程中要缩短检查的批次，在条件允许的情况下尽量逐一检查。
3.3 夯实法
压实方法有两种，分别为重锤表面压实和强夯方式。
（1）重锤表面压实适用于饱和不超过60%的湿陷性黄土地基的处理。一般采用2.5～3.0 t的重量，下落距离为 4.0～4.5 m，可消除基底以下 1.2～1.8 m 黄土层的湿陷性。在压实层中，土壤的物理力学性质显著改善，平均干重显著增加。
（2）强夯法处理湿陷性黄土地基是在上述的压实基础上发展起来的一种地基处理方法，湿陷性消除的深度较大，缺点是振动和噪声较大。强夯法对消除湿陷性黄土的湿陷性有明显效果，一般可达8～10 m。
（3）冲击碾压是一种表面压实。适用于处理湿陷性相对较浅的地基。在1～3 m范围内处理效果良好，主要机理是反复夯实地基以压实土壤。随着夯实施工，土壤的物理力学性质发生变化，以减少或消除地基变形。
黄土被淹没后由于自身重量的增加，会导致地基沉降。预浸法利用黄土的这一特性来减少和处理黄土的湿陷性，预浸法主要用于处理地基沉降或Ⅳ级自重湿陷性黄土场地，处理厚度较大，是一种更具成本效益的处理方法。
3.4 预浸水法
湿陷性黄土的厚度大于10 m或者自重湿陷量大于50 cm时，采用预先浸泡进行湿陷性黄土处理，该方法的基本原理是利用湿陷性黄土的亲水性，利用水浸泡淹没后的自重湿陷特性来进行处理。在路基施工前，对场地进行大面积灌水浸泡，消除黄土的土体自重湿陷性，浸泡一段时间后可以提高黄土的强度，但是这种方法对水资源的需求比较大，对于水资源相对缺乏的北方地区项目施工较为困难，并且还会导致工期延长。
3.5 化学加固法
化学加固法是采用单液硅化和碱对黄土进行补强，以改善土体的抗剪强度。单液硅化是通过穿孔管将相对密度为1.13～1.15的硅酸钠溶液注入土壤中，使溶液中的钠离子与土壤中的水溶性盐类中的钙离子产生离子交换反应，在土壤颗粒表面形成硅。盐凝胶膜加强土壤颗粒之间的连接，填充颗粒之间的孔隙，使土壤防水、稳定、不塌陷和不透水。碱性溶液加固方法一般都是采用NaOH溶液，加固方法可用于现有的非重力湿陷土场地的结构基础。将一定浓度为100 g/L的NaOH溶液通过灌注孔注入土壤中。在土壤中处于游离状态的SiO2和AlO3细颗粒与溶液状态下的NaOH产生化学反应生成硅酸钠和铝酸钠，使得土壤颗粒表面会逐渐膨胀软化，相邻的土体颗粒就会变得紧密接触，增加黄土的抗压强度。
城市互联互通需要市政道路工程的支撑，道路施工必然可能遇到在湿陷性黄土上进行路基施工，须解决湿陷性黄土带来的道路质量问题。只有结合实际情况科学分析各湿陷性黄土路基的具体情况，根据湿陷土层厚度、场地湿陷类型和地基等级，结合结构类型和湿陷性黄土的特性，采取强夯、灰土垫层、桩基或防排水等多种处理措施，才能更好地提高黄土路基的质量，改善湿陷性黄土沉降、侵蚀、冲空等现象对路基的破坏，提高道路的整体质量和使用寿命。
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