山西省河曲縣黃河大街濕陷性黃土處理的研究

馬玉成

（上海市政交通設計研究院有限公司，上海市 200030）

1 工程項目概況

河曲縣位于西北黃土高原的東部邊緣，境內丘陵起伏。由于流水切割，地表破碎，溝壑縱橫，植被稀少，水土流失比較嚴重。

黃河大街位于河曲縣城中部，橫穿整個縣城，東與神河高速連接線相交，西至黃河邊，與濱河路相交，路線全長約7 km，其中塘坪南路以西約4.0 km，塘坪南路以東約3.0 km，見圖1。道路紅線寬60 m，斷面布置為6快2慢，中央分隔帶寬6 m。黃河大街與神河高速連接線相交采用喇叭形立體交叉。以塘坪南路為界，塘坪南路以西為河曲縣老城區，道路兩側有較多高層建筑，塘坪南路以東多為荒地，有較多的深坑。

圖1 黃河大街地理位置圖

2 路線工程地質條件

2.1 地形地貌及巖性特征

場地地貌單元屬黃土丘陵區，微地貌單元自西向東可劃分為三個區，依次為Ⅰ區：山前洪積扇；Ⅱ區：溝谷；Ⅲ區：黃土臺。工程沿線場地地形起伏較大，Ⅰ區：山前洪積扇自然地面標高介于941.25～951.53 m之間，相對高差10.28 m；Ⅱ區：溝谷自然地面標高介于939.64～949.87 m之間，相對高差10.23 m；Ⅲ區：黃土臺自然地面標高介于947.36～958.44 m之間，相對高差11.08 m。各區土層巖性微地貌單元大致可分為：第①層：素填土，第②層：濕陷性粉土，第③層：粉土，第④層：卵石。其中第Ⅰ區的第①層厚約0.6～1.2 m，第②層厚約1.6～5.1 m，第③層厚約3.2～4.8 m；第Ⅱ區的第①層厚約10.1～21.0 m，第②層缺失，第③層厚約5.0～6.0 m；第Ⅲ區的第①層缺失，第②層厚約7.0～12.5 m，第③層厚約4.3～6.6 m。

2.2 地基濕陷性

Ⅰ區：山前洪積扇第②層濕陷性粉土具有濕陷性，濕陷性試驗結果見表1。

表1 濕陷性試驗結果表

按《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB50025-2004）結合路基工程特點，自重濕陷量、濕陷量計算自路面結構層起算，部分點位的計算結果見表 2。

表2 濕陷量及自重濕陷量計算結果表

根據以上計算結果可知，Ⅰ區為非自重濕陷性場地，地基濕陷性等級為Ⅱ級（中等）。

Ⅱ區：溝谷第②層缺失，其他土層濕陷系數、自重濕陷系數均小于0.015，因此，Ⅱ區路基土不具濕陷性。

Ⅲ區：黃土臺第②層濕陷性粉土具有濕陷性，濕陷性試驗結果見表3。

表3 濕陷性試驗結果表

按《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB50025-2004）結合路基工程特點，自重濕陷量、濕陷量計算自路面結構層起算，計算結果見表4。

表4 濕陷量及自重濕陷量計算結果表

根據以上計算結果可知，Ⅱ區為自重濕陷性場地，地基濕陷性等級為Ⅱ級（中等）。

2.3 地基土重型擊實試驗及容許承載力

根據室內重型擊實試驗結果，第②層濕陷性粉土最大干密度為1.90 g/cm3，最優含水量為12.1%。本次勘察深度范圍內未揭露地下水，見表5。

表5 地基土承載力基本容許值一覽表

3 濕陷性黃土處理方案

3.1 處理方案分析

黃土是在干旱和半干旱條件下形成的，在干旱少雨的條件下,由于蒸發量大,水分不斷減少,鹽類析出,膠體凝結,產生了加固粘聚力,在土濕度不大的情況下,上覆土層不足以克服土中形成的加固粘聚力,因而形成欠壓密狀態。濕陷性粉土是黃土的一種,在上覆土體自重壓力作用下(自重濕陷)或上覆土體自重壓力與建構筑物的附加壓力共同作用下(非自重濕陷),其浸水后，附加沉降增大，結構破壞，強度也隨著迅速降低。濕陷性黃土特殊性主要表現為：欠壓密性、結構性、濕陷性。

產生黃土濕陷的外因有兩點：（1）外力；（2）水。消除黃土濕陷可從這兩個方面入手，一是從黃土本身解決濕陷問題，即通過各種技術措施與手段來改善黃土的土體性質，消除黃土處理部分的濕陷，這也是通常使用較多的方法，由于這種方法措施存在一些自身的局限性，處理后的濕陷性黃土遇水之后有時也能發生濕陷，并且帶來了一些安全事故；另一方面則是消除能引起黃土濕陷性的決定性因素——水，源頭上消除黃土濕陷。根據目前的相關研究和工程實踐，濕陷性黃土地區地基常用處理方法見表6[1]。對于濕陷性黃土路基的處理，應結合工程地質條件、建筑物的重要性，選擇經濟合理、技術可行的方案。

3.2 黃河大街濕陷性黃土處理方案

根據地質勘查報告和濕陷量計算結果，本工程范圍內失陷性黃土有兩種，Ⅰ區為非自重失陷場地，失陷等級為Ⅱ級（中等），Ⅲ為自重失陷場地，失陷等級為Ⅱ級（中等）。本工程根據失陷性黃土的特征和工程周邊建筑情況，分段進行處理，主要采用了兩種處理方案。

表6 濕陷性黃土常用的地基處理方法

3.2.1 Ⅰ區非自重失陷場地處理方案

Ⅰ區位于山前洪積扇，路基土為第①層人工填土、第②層濕陷性粉土。路基場地為非自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅱ級（中等），濕陷土層厚度為0～5.10 m。Ⅰ區位于塘坪南路以西（見圖1），屬于河曲縣的建成區，道路紅線兩側房屋和其他建筑設施較多，因此不宜采用強夯、沖擊壓實等方案。另一方面，由于部分路段濕陷性粉土厚度達到5 m左右，濕陷性較嚴重，全部挖除換填非常不經濟。但由于本段失陷等級較高，距離黃河較近，降雨量相對較多，僅對路床進行灰土換填處理難以確保路基的長期穩定性。結合現場情況和目前對濕陷性黃土處理的方案，本工程Ⅰ區采用灰土墊層和防滲膜復合地基提高路基強度，同時減少雨水下滲產生濕陷性的可能性。

目前應用于濕陷性黃土地基防滲的材料主要為瀝青防水板、復合土工膜和改性瀝青防水材料。而復合土工膜是由土工布和土工膜組成的土工合成材料,其中土工膜起防水、防滲作用,防止上部水浸入土體從根源上使其避免產生濕陷，是濕陷性黃土地區地基防滲最理想的材料，在水利水電、公路、鐵路、渠道防滲等領域應用廣泛。復合土工膜的滲透系數在6.62×10-11左右，具有很好的防滲效果[2]。同時，土工布具有加筋的作用，復合土工膜與土體的摩擦，能夠充分限制土顆粒的側向位移，可增加土體的自穩能力，提高土體的強度。本工程采用的復合土工膜為一布一膜，每張寬度6 m，單位面積質量為500 g/m2,膜材厚度1 mm，拉伸強度不小于16 MPa，斷裂伸長率（縱橫）不小于700%,直角撕裂強度不小于60 N/mm，水蒸氣滲透系數小于1.0×10 g.cm/cm2.s.pa，滿足《土工合成材料 非織造布復合土工膜》（GB/T 17642-2008）的要求[3]。

本工程Ⅰ區路床范圍0.8 m采用8%石灰土換填，石灰土采用分層填筑分層壓實，每層松土填土厚度不超過30 cm(壓實厚度約20 cm)，復合土工膜設置于距路床頂面0.3 m處，見圖2、圖3。路基各層壓實度達到設計要求。

復合土工膜施工應注意以下事項[4]：

（1）土工膜鋪設前，應清除路基表層突起的尖銳物體，以防刺破土工膜；

（2）鋪設土工膜時，應采用木樁或石塊固定就位，其搭接的長度縱向和橫向宜為1 m。鋪設應力求平順，松緊適度，不得繃拉過緊；復合土工膜應與土面密貼，不留空隙。

（3）回填上層石灰土時，為防止土工膜被擠壓、褶皺，盡量采用人工攤鋪。

（4）控制好上層攤鋪厚度，人工對上層攤鋪填料整平后，采用重型機械壓實。

本區域采用石灰土加復合土工膜的處理方案，不僅提高了路基強度，還阻斷了上層水的下滲，提高了路基的穩定性。工程通車以來，雖然重車較多，但運營狀況良好，未出現不均勻沉降。

3.2.2 Ⅲ區自重失陷場地處理方案

Ⅲ區位于黃土臺，路基土第①層為素填土，第②層為濕陷性粉土。路基場地為自重濕陷性場地，地基濕陷等級為Ⅱ級，濕陷土層厚度為2.4～13.6m。本區基本位于黃河大街與神河高速連接線交叉的立交范圍，地形起伏較大。現狀神河高速連接線為新建道路，路基高度約6～12 m。由于本工程立交匝道需要與神河高速連接線銜接，匝道路基與神河高速連接線相距較近，采用強夯或沖擊壓實對新建的神河高速連接線擾動較大，可能會對其造成破壞作用。其次，本區域的濕陷性黃土層厚度較厚，最厚的地方達到13.6 m，強夯或振動壓實達不到處理深度要求。另外，由于本區域地形起伏較大，匝道路基填土高度在5～12 m左右。而路基場地為自重濕陷性場地，路基基底在新填筑的路基自重壓力降會產生濕陷性，因此采用阻斷上層水下滲的方案對降低濕陷性的作用較小。綜合考慮上述因素，本工程Ⅲ區的濕陷性黃土采用灰土擠密樁處理。

灰土擠密樁是處理地下水位以上濕陷性黃土的一種常用地基加固方法。它利用鋼套筒在地基中成孔，通過擠壓作用，使地基得到加密，然后在孔中分層填入灰土后夯實形成灰土樁。它屬于柔性樁，與樁間土共同組成復合地基。灰土擠密樁與其它地基處理方法比較，有以下幾點特征[5]：

（1）成樁擠密使土體橫向擠密，但同樣可達到所要求的密實度指標。

（2）無需開挖回填，因而節省了開挖和回填土方的工作量，比換填法縮短工期約一半。

（3）由于沒有開挖和回填的限制，一般處理深度可達10 m以上。

（4）填入樁孔的材料可以就地取材。

本工程擠密樁孔直徑為40 cm。根據地基失陷類型、失陷等級、濕陷性黃土層厚度等因素，確定樁孔深度為10 m。平面上采用梅花形布樁，布樁形式見圖4。

樁間距 L1、L2由式（1）和式（2）計算。

式中：γd為擠密前加固深度范圍內地基的平均干密度；γd1為擠密后樁間土的最大干密度。根據試驗結果，γd=1.47 g/cm3,γd1=1.79 g/cm3。

由計算可得，本工程樁間距設計為80 cm較為合理。

灰土擠密樁施工時應注意以下事項[6]：

（1）成孔施工時，地基土宜接近最佳含水量，當土的含水量低于最優含水量時，宜對擬處理范圍的土層進行增濕。

（2）孔中心偏差應控制在設計樁間距的5%以內，垂直度偏差應控制在1.5%以內，孔深應達到設計孔深。

（3）向孔內填料前，孔底先夯實，然后采用最佳含水量的灰土分層回填夯實。回填土料一般采用過篩的粉質粘土，石灰用塊灰消解3～4 d后并破碎、過篩，粗粒粒徑不應大于5 mm，灰土應拌合均勻至顏色一致后及時回填夯實。

（4）成孔和回填夯實的施工順序宜間隔進行。成孔和孔內回填宜隔1～2排孔進行。施工過程中，應有專人監測成孔和回填質量，并做好施工記錄。如果發現土質與勘察資料不符，應立即停止施工，查明情況并采取有效措施后方可繼續施工。

灰土擠密樁施工現場見圖5。

圖5 灰土擠密樁施工現場

本區域采用灰土擠密樁的處理方案，基本消除了黃土層的濕陷性，提高了路基的強度和穩定性。雖然路基填土高度較高，但工程通車以來運營狀況良好，未出現不均勻沉降。

4 結論

濕陷性黃土地基處理問題是中國黃土高原地區工程建設重點與難點問題之一,嚴重制約著濕陷性黃土地區的工程建設與社會經濟發展。本文分析了各濕陷性黃土處理方案的適應性，結合本工程地理位置條件和地質條件，選擇了合適的處理方案。對于較淺厚度的濕陷性黃土，采用復合土工膜灰土地基可以防止地表水下滲，提高路基強度和穩定性；對于大厚度濕陷性黃土，采用灰土擠密樁可以達到處理深度要求，消除地基的濕陷性，提高路基的強度和穩定性。本研究豐富了濕陷性黃土處理工程經驗，為以后的濕陷性黃土地區路基處理提供了參考。

[1]黃雪峰,陳正漢,方祥位,等.大厚度自重濕陷性黃土地基處理厚度與處理方法研究[J].巖土力學與工程學報,2007,26(增刊2):4332-4338.

[2]郭斌.濕陷性黃土地區灰土墊層與防滲膜復合地基研究[D].甘肅蘭州:蘭州大學,2013.

[3]GB/T 17642-2008,土工合成材料 非織造布復合土工膜[S].

[4]黃雪峰,張廣平,姚志華,等.大厚度自重濕陷性黃土濕陷變現特性水分入滲規律及地基處理方法研究[J].巖土力學,2011,32(增刊2):100-108.

[5]張嘉輝.濕陷性黃土地基處理技術在張石高速公路應用研究[D].天津:天津大學,2008.

[6]王軍平.對深厚濕陷性黃土地基處理的探討[J].西北水電,2004(2):41-43.