淺談濕陷性黃土路基設計與處理措施

王玉娜，陳 敏，李清杰

（濟南市市政工程設計研究院(集團)有限責任公司,山東濟南 250101）

1 概述

我國黃土地區的總面積占國土面積的6%以上，主要分布在黃河流域及其以北各省。隨著社會主義建設的發展，黃土地區的公路及市政道路的建設會越來越多，對黃土特別是濕陷性黃土路基的處理技術的研究也顯得更加重要。

濕陷性是黃土雨水潤濕后突然發生沉陷的性質。濕陷性是黃土特有的工程地質性質。黃土浸水后會立刻發生濕陷，一般在3～30 min內的濕陷量即可達到80%[1]。

2 工程特性

2.1 濕陷性

在天然含水量時往往具有較高的強度和較小的壓縮性，但在浸水后，在土的自重或外部荷載或二者共同作用下，其結構很快破壞，發生劇烈變形，強度也隨之迅速降低。

2.2 崩解性

濕陷性黃土大多遇水后迅速崩解，且以塊狀崩解為主，崩解曲線陡立，呈片狀崩解的濕陷性黃土。

2.3 多裂隙性

黃土垂直節理發育，垂直方向滲透性強，裂隙發育。

3 黃土濕陷現象的根本原因

黃土的結構特征及其物質組成是黃土產生濕陷的內在因素，而水和壓力的作用是產生濕陷的外部條件。

黃土的結構是其形成環境造成的。在干旱和半干旱的氣候條件下，季節性的短期降雨把松散的粉粒粘聚起來，而長期的干旱氣候又使土中的水分不斷蒸發，水中所含的碳酸鈣、硫酸鈣等鹽類逐漸在土粒表面析出，緩慢沉淀而形成膠結物。隨著含水量的減少，土粒彼此靠近，顆粒間的分子引力以及結合水和毛細水的聯結力也逐漸加大，這些因素都增強了土粒之間抵抗滑移的能力，阻止了土體的自重壓密，形成了以粗粉粒為主體骨架的多孔隙結構。附于砂粒和粗粉粒表面的細粉粒和粘粒等膠體，以及大量集合于大顆粒接觸點處的各種可溶鹽和水分子形成膠結性聯結，從而構成了礦物顆粒的集合體。周邊有若干顆粒包圍著孔隙，就是肉眼可見的大孔隙。當黃土受水浸濕時，結合水膜增厚并楔入顆粒之間，于是，結合水的聯結作用消失，鹽類溶于水中，土骨架的強度隨之降低，土體在上覆土層的自重壓力或在自重壓力與附加壓力的共同作用下，其結構迅速破壞，土粒向大孔滑移，粒間孔隙減小，導致大量的附加沉陷迅速產生，這就是黃土濕陷現象的根本原因所在[2]。

4 常用防治措施

濕陷性黃土范圍內的路基路面發生變形、凹陷、開裂，道路邊坡發生崩塌、剝落，道路內部易被水沖蝕成土洞和暗河。產生上述病害的內因是黃土所具有的對工程不利的特性，外因則主要是水。考慮到濕陷性黃土的危害性，當前針對濕陷性黃土的防治及施工的技術已經進行了不少研究及實踐，以下介紹幾種通常的防治措施。

4.1 地基處理

濕陷性黃土路基處理的原理，主要是破壞濕陷性黃土的大孔結構，以便全部或部分消除地基的濕陷性，常用的處理黃土路基濕陷性的方法有以下幾種。

4.1.1 淺層換填

淺層換填法也叫墊層法。墊層法是先將基礎下的濕陷性黃土一部分或全部挖除，然后用素土或灰土分層夯實做成墊層，以便消除地基的部分或全部濕陷量，并可減小地基的壓縮變形，提高地基承載力，可將其分為局部墊層和整片墊層。當僅要求消除基底下1～3 m濕陷性黃土的濕陷量時，宜采用局部或整片土墊層進行處理；當同時要求提高墊層土的承載力或增強水穩性時，宜采用局部或整片灰土墊層進行處理。

墊層的設計主要包括墊層的厚度、寬度、夯實后的壓實系數和承載力設計值的確定等方面。墊層設計的原則是既要滿足建筑物對地基變形及穩定的要求，又要符合經濟合理的要求，同時，還要考慮以下幾方面的問題。

（1）局部土墊層的處理寬度超出基礎底邊的寬度較小，地基處理后，地面水及管道漏水仍可能從墊層側向滲入下部未處理的濕陷性土層而引起濕陷，因此，設置局部墊層不考慮防水、隔水作用，地基受水浸濕可能性大及有防滲要求的建筑物不得采用局部土墊層處理地基。

（2）整片墊層的平面處理范圍，每邊超出建筑物外墻基礎外緣的寬度，不應小于墊層的厚度，即不應小于2 m。

（3）在地下水位不可能上升的自重濕陷性黃土場地，當未消除地基的全部濕陷量時，對地基受水浸濕可能性大或有嚴格防水要求的建筑物，采用整片土墊層處理地基較為適宜；地下水位有可能上升的自重濕陷性黃土場地，應考慮水位上升后，對下部未處理的濕陷性土層引起濕陷的可能性。

4.1.2 重錘表層夯實法

重錘表層夯實適用于處理飽和度不大于60%的濕陷性黃土地基。一般采用2.5～3.0 t的重錘，落距4.0～4.5 m，可消除基底以下1.2～1.8 m黃土層的濕陷性。在夯實層的范圍內，土的物理、力學性質獲得顯著改善，平均干密度明顯增大，壓縮性降低，濕陷性消除，透水性減弱，承載力提高。非自重濕陷性黃土地基，其濕陷起始壓力較大，當用重錘處理部分濕陷性黃土層后，可減少甚至消除黃土地基的濕陷變形。因此在非自重濕陷性黃土場地采用重錘夯實的優越性較明顯[3]。

4.1.3 強夯法

強夯法加固地基機理一般認為，是將一定重量的重錘以一定落距給予地基以沖擊和振動，從而達到增大壓實度，改善土的振動液化條件，消除濕陷性黃土的濕陷性等目的。強夯加固過程是瞬時對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，使土體發生一系列的物理變化，如土體結構的破壞或排水固結、壓密以及觸變恢復等過程。其作用結果是使一定范圍內的地基強度提高、孔隙擠密。一般采用100～200 kN重錘、10～20 m落距夯擊濕陷性黃土，可達到消除4～8 m深度內黃土的濕陷，而且還可提高地基承載力。

4.1.4 擠密法

擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基，施工時，先按設計方案在基礎平面位置布置樁孔并成孔，然后將備好的素土（粉質黏土或粉土）或灰土在最優含水量下分層填入樁孔內，并分層夯（搗）實至設計標高止。通過成孔或樁體夯實過程中的橫向擠壓作用，使樁間土得以擠密，從而形成復合地基。值得注意的是，不得用粗顆粒的砂、石或其它透水性材料填入樁孔內。

灰土擠密樁和土樁地基一般適用于地下水位以上含水量14%～22%的濕陷性黃土、人工黃土和人工填土，處理深度可達5～10 m。灰土擠密樁是利用錘擊打入或振動沉管的方法在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入素土或灰土等填充料，在成孔和夯實填料的過程中，原來處于樁孔部位的土全部被擠入周圍土體，通過這一擠密過程，從而徹底改變土層的濕陷性質并提高其承載力。

4.1.5 樁基法

樁基礎既不是天然地基，也不是人工地基，屬于基礎范疇，是將上部荷載傳遞給樁側和樁底端以下的土（或巖）層，采用挖、鉆孔等非擠土方法而成的樁，在成孔過程中將土排出孔外，樁孔周圍土的性質并無改善。設置在濕陷性黃土場地上的樁基礎，樁周土受水浸濕后，樁側阻力大幅度減小，甚至消失，當樁周土產生自重濕陷時，樁側的正摩阻力迅速轉化為負摩阻力。因此，在濕陷性黃土場地上，不允許采用摩擦型樁，設計樁基礎除樁身強度必須滿足要求外，還應根據場地工程地質條件，采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁（包括端承樁和摩擦端承樁）。其樁底端以下的受力層:在非自重濕陷性黃土場地，必須是壓縮性較低的非濕陷性土（巖）層;在自重濕陷性黃土場地，必須是可靠的持力層。這樣，當樁周的土受水浸濕，樁側的正摩阻力一旦轉化為負摩阻力時，便可由端承型樁的下部非濕陷性土（巖）層所承受，并可滿足設計要求，以保證建筑物的安全與正常使用[4]。

4.2 防排水措施

在一般路段,主要措施是防水,防止路側積水和積水下滲，所以在路基坡腳外20～30 m范圍內要仔細平整地表，填土和夯實洼地及裂縫，避免積水。主要的防排水措施如下。

4.2.1 地面排水

加強路基排水，對地表水應采取攔截、分散、防沖、防滲，遠接遠送的原則。根據設計及時做好綜合排水設施，將水迅速引離路基，在填挖交界處引出的邊溝要盡量遠離路基坡腳。施工中經常出現土邊溝剛剛挖好，一場雨水使邊溝淤塞，邊坡及坡腳發生水毀，邊溝要及時砌筑，出口要加固，水最好引入涵洞（或橋下）。

4.2.2 地下排水

地下排水設施按設計要求加固并做好防滲措施。在基底設置足夠的引水滲溝或支撐滲溝，在路堤上游設置截水滲溝。對于路堤基底滲水，利用天然砂礫排除，防止路基病害。

5 工程實例分析

5.1 工程概況

濟南西部城區某沿湖修建的幾條道路，道路總長4.6 km，道路等級有城市次干路及支路。擬建道路沿線位于山前沖洪積平原上部，在鉆探深度范圍內揭露的第四系地層主要為填土、山前沖洪積成因的黃土、黏性土、砂土、碎石土。其中勘區上部自地表填土之下分布有第②層黃土，呈褐黃色，局部黃褐色，可～硬塑，含白色鈣質條紋，具蟲孔。根據地質報告同時結合道路縱斷判斷，路基持力層位于黃土層內。根據濕陷系數及濕陷起始壓力，查閱《公路工程地質勘察規范》(JTG C20—2011)，判定黃土為濕陷性黃土，濕陷性黃土場地的濕陷類型為非自重濕陷性黃土場地。其濕陷性黃土地基的濕陷等級為Ⅰ級（輕微濕陷）。

5.2 濕陷性黃土路基采用的處理措施

對路基范圍內的雜填土及表層土應挖除，采用素土換填，素土應滿足路基填料要求。表層填土挖除后土層多為Ⅰ級濕陷性黃土（輕微濕陷），為保證路基穩定根據土層厚度對濕陷性黃土采用強夯處理。強夯的單位夯擊能應根據施工設備黃土地層的時代濕陷性黃土層的厚度和要求消除濕陷性黃土層的有效深度等因素確定。一般可取1000～4000 kN·m/m2，夯錘底面宜為圓形，錘底的靜壓力宜為25～60 kPa，應先在場地內選擇有代表性的地段進行試夯或試驗性施工。施工時夯錘的質量、落距、夯點布置、夯擊次數和夯擊遍數等參數，宜與試夯選定的相同，施工中應有專人監測和記錄。

在強夯施工過程中或施工結束后，應按下列要求對強夯處理地基的質量進行檢測：檢查強夯施工記錄，基坑內每個夯點的累計夯沉量不得小于試夯時各夯點平均夯沉量的95%；隔7～10 d，在每500～1000 m2面積內的各夯點之間任選一處，自夯擊終止時的夯面起至其下5～12 m深度內，每隔1 m取1～2個土樣進行室內試驗，測定土的干密度、壓縮系數和濕陷系數。

根據設計及施工經驗，路基采用強夯路基處理后，潮濕及過濕路基統一按中濕類型處理，按路基土干濕類型分述如下。

5.2.1 挖方路段

（1）正常干燥路段：濕陷性黃土地基強夯處理，路基頂面以下30 cm土基采用8%灰土改良處理；

（2）中濕路段：濕陷性黃土地基強夯處理，路基頂面以下30 cm土基采用8%灰土改良處理。

5.2.2 填方路段

（1）正常干燥路段：濕陷性黃土地基強夯處理，路基頂面以下自下而上分別采用滿足設計要求的土或改良土回填、30 cm 8%灰土改良處理；

（2）中濕路段：濕陷性黃土地基強夯處理，30 cm 8%灰土墊層，路基頂面以下自下而上分別采用滿足設計要求的土或改良土回填、20 cm 8%灰土改良處理。

6 結語

濕陷性黃土是一種對于道路及其它構造物建設都會產生一定程度影響的特殊土質，而在實際施工過程中，其對工程的巨大破壞力是顯而易見的。然而，就每一個工程來看，它們都有其自身的特點及建設條件，只有從影響其物理力學性質變化的內在因素和外在因素等多方面加以考慮，通過調整土的力學性質加以處理，靈活運用各種措施手段來做好濕陷性黃土的路基處理才是可行的。

[1]GB 50025—2004，濕陷性黃土地區建筑規范[S].

[2]裴章勤，劉衛東.濕陷性黃土地基處理[M].北京：中國鐵道出版社，1992.

[3]楊盛福.高速公路路基設計與施工[M].北京:人民交通出版社,2000.

[4]劉世凱，陸永清，歐湘萍.公路工程地質與勘察[M].北京:人民交通出版社,1999.