高 源

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

山平高速路基濕陷性黃土沉陷機(jī)理分析與防治

高 源

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院，山西 太原 030012)

結(jié)合工程實(shí)例，分析了濕陷性黃土的物理和力學(xué)性質(zhì)，闡述了濕陷性黃土的判定與評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，總結(jié)了路基沉陷的原因，并提出了處理濕陷性黃土地區(qū)地基沉陷的方法，保證了公路路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與安全。

濕陷性黃土，路基，沉陷機(jī)理

黃土在我國(guó)秦嶺以北長(zhǎng)城以南、太行山以西、日月山以東的黃河中游地區(qū)的甘肅、寧夏、陜西、山西、河南等省均有比較廣泛的分布，其具有多孔性、濕陷性、收縮膨脹性和抗水性差等特點(diǎn)。這種地質(zhì)條件比較特殊，所以導(dǎo)致公路路基發(fā)生沉陷的概率較大。本文通過(guò)對(duì)處于黃土地區(qū)的山平高速公路路基分析，總結(jié)導(dǎo)致路基沉陷發(fā)生的原因，并分享了該工程所采用的處理措施。

1 黃土的特性

科研人員一直注重黃土的基本特性，并結(jié)合地勘報(bào)告和長(zhǎng)期的實(shí)際施工，把黃土的基本特性總結(jié)為五個(gè)方面：多孔性、垂直節(jié)理發(fā)育、層理不明顯、透水性、沉陷性。這五種基本特性相互影響，互為作用。因此我們有必要對(duì)黃土的基本特性進(jìn)行全面綜合地分析研究。

2 濕陷性黃土的物理和力學(xué)性質(zhì)

濕陷性黃土是指上覆土層在自重應(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，因浸水后土體的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的土，屬于一種特殊性質(zhì)的土。濕陷性黃土分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。自重濕陷性黃土是指在上覆土層的自重壓力下受水浸濕后，即發(fā)生濕陷；非自重濕陷性黃土是指在自重應(yīng)力下受水浸濕后不發(fā)生濕陷，需要在自重應(yīng)力和由外荷引起的附加應(yīng)力共同作用下，受水浸濕才發(fā)生濕陷的土。

2.1 物理性質(zhì)

1)含水量、飽和度。濕陷性黃土的天然含水量在5%～23%之間，當(dāng)含水量在23%以上，濕陷性基本消失，相應(yīng)的壓縮性增高。濕陷性黃土的飽和度約在17%～77%之間，當(dāng)飽和度超過(guò)80%時(shí)，稱為飽和黃土，濕陷性基本消失。2)比重、重度、孔隙比。濕陷性黃土的比重約在2.55～2.85之間。濕陷性黃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之間?？紫侗仁呛饬繚裣菪渣S土密實(shí)程度的主要指標(biāo)，一般在0.8～1.24之間。3)顆粒組成。濕陷性黃土的顆粒以粉粒(0.05 mm～0.005 mm)為主，其含量可達(dá)50%～75%，其次為砂粒和粘粒。4)可塑性。濕陷性黃土的液限，一般在22%～35%之間，塑性在14～20之間。

2.2 力學(xué)性質(zhì)

1)抗剪強(qiáng)度。濕陷性黃土的粘聚力由兩部分組成，一部分是原始粘聚力，另一部分是由于濕陷性黃土具有較多的可溶性鹽和一定的負(fù)孔壓力，形成較高的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。天然狀態(tài)下，濕陷性黃土的粘聚力一般在10 kPa～60 kPa，內(nèi)摩擦角則在17°～30°之間。2)滲透性。濕陷性黃土的滲透性在不同方向上是不一樣的，尤其在垂直和水平方向上相差較大。濕陷性黃土的滲透系數(shù)并不是一個(gè)常數(shù)，它隨滲透溶液的性質(zhì)、水頭梯度和滲透時(shí)間的變化而變化。3)壓縮性。濕陷性黃土在天然狀態(tài)下的壓縮性較低，但是一旦遇到水的作用，它的壓縮性就會(huì)增高。

3 濕陷性評(píng)價(jià)

3.1 濕陷性的判定

對(duì)黃土濕陷性的判別是通過(guò)濕陷性系數(shù)δs來(lái)判定的，根據(jù)最新規(guī)范要求，以0.015作為分水嶺，如果δs比0.015大，我們認(rèn)為是濕陷性黃土，否則為非濕陷性黃土。通過(guò)濕陷系數(shù)計(jì)算的數(shù)值大小，工作人員大致可以判斷黃土濕陷性的強(qiáng)弱。一般認(rèn)為：當(dāng)δs≤0.03為弱濕陷性；當(dāng)0.03<δs≤0.07為中等濕陷性；當(dāng)δs>0.07為強(qiáng)濕陷性。我們可以通過(guò)室內(nèi)浸水壓縮試驗(yàn)得到該系數(shù)δs，公式如下：

其中，hp為土樣在壓力p作用時(shí)下沉穩(wěn)定后的高度；hp′為上述加壓穩(wěn)定后的土樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的高度；h0為土樣的原始高度；ep為土樣在壓力p作用下下沉穩(wěn)定后的孔隙比；ep′為上述加壓穩(wěn)定后土樣在浸水作用下下沉穩(wěn)定后的孔隙比；e0為土樣的原始孔隙比。

3.2 黃土濕陷種類(lèi)的劃分

建設(shè)場(chǎng)地的濕陷類(lèi)型，應(yīng)按實(shí)測(cè)自重濕陷量來(lái)判定。實(shí)測(cè)自重濕陷量通過(guò)室內(nèi)試驗(yàn)測(cè)定不同深度土樣的自重濕陷系數(shù)乘以土層厚度來(lái)確定。在工程現(xiàn)場(chǎng)挖深0.5 m、長(zhǎng)或直徑不小于10 m的試坑，進(jìn)行浸水，直接測(cè)定該場(chǎng)地的實(shí)際自重濕陷量ΔZS′。

當(dāng)ΔZS′≤7 cm時(shí)，為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地；

當(dāng)ΔZS′>7 cm時(shí)，為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。

3.3 濕陷等級(jí)的劃分

濕陷性黃土總濕陷量ΔS按以下公式計(jì)算：

ΔS=β∑δihi。

其中，δi為第i層土濕陷系數(shù)；hi為第i層土樣所對(duì)應(yīng)地層的厚度；β為修正系數(shù)。

濕陷性黃土地基的濕陷等級(jí)可依據(jù)地基總濕陷量ΔS和計(jì)算自重濕陷量ΔZS綜合判定，如表1所示。

表1 濕陷等級(jí)判定表

我們可以結(jié)合國(guó)家高速公路網(wǎng)榮城至烏海公路山西境山陰至平魯段高速公路第SZ2合同段K210+000～K220+000段對(duì)濕陷性黃土的判定與評(píng)價(jià)進(jìn)行一個(gè)直觀的分析。本項(xiàng)目大部分路段分布濕陷性黃土，包括風(fēng)積黃土及Ⅱ級(jí)階地上的沖積次生黃土。通過(guò)土工試驗(yàn)及計(jì)算判定，濕陷等級(jí)為Ⅰ級(jí)非自重～Ⅳ級(jí)自重，濕陷厚度4.0 m～15.0 m，具體段落及實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

表2 山平高速K210+000～K220+000段濕陷性黃土物理力學(xué)指標(biāo)匯總表

4 路基沉陷原因分析

4.1 壓實(shí)度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求

在實(shí)際施工中，由于填料的虛鋪厚度超出壓實(shí)機(jī)械有效壓實(shí)范圍，再加之填料存在雜質(zhì)等，導(dǎo)致壓實(shí)系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

4.2 水的浸透

由于雨水的影響，再加上路基的排水設(shè)施設(shè)置不當(dāng)導(dǎo)致路基填土含水率增大，降低了回填土體強(qiáng)度，增加了路基沉陷發(fā)生的可能性。

4.3 各種荷載以及水、溫度等自然環(huán)境條件的影響

由于路基路面承受著各種荷載作用以及水、溫度等自然條件的影響，會(huì)導(dǎo)致原地面以下土的壓縮變形，導(dǎo)致土的三相體重新排列，這樣容易導(dǎo)致填土路堤的逐年緩慢沉降。

5 解決方案

處理濕陷性黃土地區(qū)地基沉陷有很多種方法，根據(jù)地勘報(bào)告，山平高速公路路基處理技術(shù)與其他地區(qū)高速公路相比在施工技術(shù)方面差別不大，但其處理方法又進(jìn)一步體現(xiàn)了濕陷性黃土的地區(qū)特征，不僅提高了地基承載力而且消除了黃土的濕陷性。

山平高速公路對(duì)Ⅰ，Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土地基采用沖擊碾壓法，采用此方法可以很好的減少公路路基的沉降量，大大減小了路基發(fā)生不均勻沉降的可能性，提高了路基的整體強(qiáng)度。該方法具有影響深、速度快、壓實(shí)質(zhì)量高的優(yōu)點(diǎn)；對(duì)Ⅱ級(jí)及以上自重濕陷性黃土地基采用強(qiáng)夯處理，夯實(shí)寬度為路基坡腳以外3 m的范圍。該方法的優(yōu)點(diǎn)是施工工序不太復(fù)雜、處理效果明顯提高、施工周期較短、可以很大程度的消除黃土的濕陷性，不足之處是會(huì)產(chǎn)生比較大的噪聲和振動(dòng)，對(duì)環(huán)境造成噪聲污染。本工程采用此方法，取得了成功的經(jīng)驗(yàn)；橋頭及高度大于6 m擋土墻路段厚層自重濕陷性黃土地基，采取水泥土樁措施消除地基全部濕陷量或穿透濕陷性黃土層。對(duì)路基范圍內(nèi)及其路線兩側(cè)的陷穴、落水洞和空洞，進(jìn)行回填壓實(shí)(明穴)或灌泥漿(暗穴)等方法進(jìn)行處理，以確保路基的穩(wěn)定。該施工方法是將水泥土樁穿過(guò)濕陷性黃土層，樁底部進(jìn)入地基的持力層中。增加路基的強(qiáng)度，由于濕陷性黃土層厚度不一，所以水泥土樁的長(zhǎng)度也不是一定的，這就需要施工人員很好地控制水泥土樁的工程量，合理控制造價(jià)。本工程運(yùn)用此施工方法不僅保證了橋頭及高度大于6 m擋土墻路段的施工質(zhì)量，也保證了工作面的安全，未發(fā)生塌陷事故。

6 結(jié)語(yǔ)

如果路基處于濕陷性黃土沉陷嚴(yán)重地區(qū)，可能就會(huì)影響到公路的結(jié)構(gòu)安全和使用功能。本文結(jié)合工程實(shí)際案例分析濕陷性黃土基本特性并且總結(jié)了路基沉陷的主要原因，分享了山平高速公路在施工過(guò)程中采用的處理措施，希望能對(duì)實(shí)際施工助微薄之力。

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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，工程師

1009-6825(2015)36-0149-02

U416.1 < class="emphasis_bold">文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

A