濕陷性黃土地基處理以及濕陷性評價方法

姚天宇

（哈爾濱市市政工程設計院，黑龍江 哈爾濱 150000）

濕陷性黃土地基處理以及濕陷性評價方法

姚天宇

（哈爾濱市市政工程設計院，黑龍江 哈爾濱 150000）

濕陷性黃土具有在自重壓力下或一定壓力下遇水濕陷變形的特性，針對濕陷性黃土的這一特點，從黃土產生濕陷性的機理出發，分析了工程中常用的幾種黃土路基處理方法，并對這幾種方法進行了綜合評價。對濕陷性的評價方法以及一些常用的地基處理方法，施工工藝及質量控制要點,予以總結，重點介紹了強夯法，深層密實法。

濕陷性黃土；地基處理；濕陷評價；濕陷機理；強夯法；深層密實法

1 濕陷性黃土的機理

濕陷性黃土是黃土的一種，以粉土顆粒為主，富含碳酸鹽，為黃色的松散沉積物，其濕陷性對工程建筑物影響很大，見圖1。黃土的濕陷機理有過多種假說。可以將濕陷機理假說歸納為三大類，即從濕陷性黃土物質組成出發的濕陷機理，如鹽溶說、膠體不足說；從濕陷性黃土結構特點出發的濕陷機理，如欠壓密理論、結構學說等；從力學性質來考慮，濕陷性黃土的特性突出地表現在它的結構性、欠壓密性和濕陷性三個方面[1]。

圖1 濕陷性黃土

黃土的結構性是描述土物理本質中比粒度、密度、濕度更為重要的一個側面，它是指黃土的骨架顆粒成分、形態、排列方式、孔隙特征、膠結物種類以及膠結程度等對黃土的工程性質的影響。這些學說都是從單個方面對濕陷現象作了解釋，都只能說明問題的某一個方面，但都不能完全說明黃土濕陷的機理[2]。

拉里昂諾夫認為黃土結構可分為三類，即粒狀結構、團粒結構和粒狀團粒結構；并認為具有粒狀結構的黃土是濕陷的，而具有團粒結構的黃土是不濕陷的；張宗枯通過試驗研究認為，大于0.005 mm的集合體越多，黃土濕陷性越強。結構學說能從空間結構力學角度分析黃土濕陷變形的機理，說明所有濕陷現象的本質，這就是黃土濕陷變形機理的結構理論。高國瑞等提出了微結構是濕陷產生的主要原因，按不同的結構形式將黃土分為多種類型，不同類型的黃土有不同的濕陷性，這是對黃土結構的一種定性描述。謝定義開拓性地提出了描述土的結構性的定量化參數—綜合結構勢，結構強度越大，架空孔隙所占的比例越大，則結構性參數即綜合結構勢就越大。由此，可以認為綜合結構勢越大，黃土的濕陷性越強。

2 濕陷性評價方法

國內對濕陷性的評價的具體方法是先通過黃土室內試驗測定濕陷系數和自重濕陷系數，用自重濕陷系數和自重濕陷土層厚度計算自重濕陷量，確定濕陷類型；再根據濕陷類型的不同，結合建筑物設計標高、基礎理深、場地整平情況，用濕陷系數計算總濕陷量。由于各地濕陷性黃土的分布不均勻性和復雜性，上述國內外關于濕陷性評價的方法不總能一一適應。

蘭州大學王有林[3]在其碩士學位論文中指出僅用濕陷系數這一表征黃土濕陷性特征的單一指標來評價黃土濕陷，具有一定的不全面性，要綜合考慮多種因素，對黃土濕陷做出正確評價，采用黃土濕陷性、濕陷性土層厚度和土層結構為指標，基于數據挖掘技術，綜合評價黃土的濕陷特征。綜合評價不是通過計算△s和△zs，確定濕陷程度這樣一個簡單的評價方法，而是要分析各種因素，判斷并明確他們在地基濕陷過程中所起的加劇或緩沖作用，并體現在評價結果中，綜合評價實質上是工程地質類比法在濕陷評價中的具體運用，對這方面的探討尤其具有現實意義和理論意義，黃土濕陷是具有特定物質成分和結構特征的濕陷性黃土在賦存環境改變下的微結構改組現象，其本質是是微結構的改組，核心是賦存狀態改變后應力與結構強度的矛盾，通過鄭西客運專線6個自重濕陷性黃土場地得出如下公式：

式中：S為現場浸水試驗實測最大自重濕陷量 (浸水期濕陷量或總濕陷量),mm;T為濕陷性土層厚度, m;P1,P2,P3為濕陷性土層內 δIS＜0.015、0.015≤δIS＜0.03、δIS≥0.03層厚百分比，%；a0系數，mm；a1,a2,a3為系數，mm/m；a4,a5,a6為系數，mm/m。

吉林大學的周波[4]在其碩士學位論文中對遼西黃土公路路基濕陷性評價方法開展研究工作，文中通過對遼西黃土進行變含水率濕陷性試驗，研究分析了濕陷力的關系、濕陷系數與初始含水率的關系、濕陷系數及初始含水率與孔隙比的關系、相對濕陷系數等幾個方面的問題。通過上述分析研究，提出了公路路基黃土濕陷系數的確定方法及壓縮模量法和濕陷系數法對遼西黃土濕陷沉降的計算式。通過與規范法的計算值進行比較，分析得出可用于遼西黃土路基工程的濕陷沉降量計算公式。

3 常用的地基處理技術

黃土地基處理，應根據建筑物的類別、黃土特性、技術經濟比較并注意施工條件和就地取材等原則，選擇適當的處理方法。常用方法如下：

（1）換填墊層法

當濕陷性黃土層厚度不很大時，可將路基面以下處理范圍內的軟弱土層部分或全部挖除，然后換填強度較大的土或其它穩定性能好、無侵蝕性的材料(通常是滲水性好的中粗砂)稱為換填或墊層法。此法處理的經濟實用高度為2～3 m，如果濕陷性黃土層厚度過大，則采用換填法會增加棄方與取土方量而增大工程成本。這種方法施工簡易，效果顯著，是一種常用的地基淺層處理或部分濕陷性處理方法，經這種方法處理的灰土墊層的地基承載力可達到300 kPa(素土墊層可達200 kPa)且有良好的均勻性。

a.換填法：在濕陷性黃土厚度不大于2 m時，利用滲水性材料(砂礫或碎石)進行置換填土，可以降低壓縮性，提高承載力，提高抗剪強度，減少沉降量，改善動力特性，加速土層的排水固結。它的特點是施工工藝簡單，但費用比較高。

b.拋石擠淤：當濕陷性黃土位于水下，更換土施工困難，且厚度小于 3 m，表層無硬殼、基底含水量超過液限、路堤自重可以擠出的濕陷性黃土之上，排水比較困難時，采用拋片石(直徑一般不小于30 cm)擠淤的方法。從中部開始拋石，逐漸向兩邊延伸，擠出淤泥，提高路基強度。

（2）深層密實法

采用爆破、夯擊、擠壓和振動及加入抗剪強度高的材料等方法，對地基深層的軟弱土體進行振密和擠密的地基加固方法稱為深層密實法。適用于濕陷性黃土厚度大于3 m的中厚濕陷性黃土的加固，分布面積廣的軟基加固處理，其加固深度可達到30 m。

主要加固方法：強夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)樁法、砂樁法、爆破法、碎石樁法(振沖置換法)、石灰樁法、水泥粉煤灰碎石樁(CFG樁法)、粉噴樁法、旋噴樁法。代表方法有碎石樁法、強夯法、水泥粉煤灰碎石樁法、粉噴樁法。長安大學王富華[5]在其碩士學位論文中指出灰土擠密樁對于壓實度低于0.9，填方高度高于20 m的黃土高填路堤有加固的必要性，可以很大程度的降低工后沉降量，縮短沉降期，對黃土高填方路堤的快速穩定作用明顯。

強夯法：強夯法亦稱動力固結法，是法國Menard技術公司于 1969年首創的一種地基加固方法，它通過一般 10～40 t的重錘和 10～40 m的落距，對地基土施加很大的沖擊能，在地基土中所出現的沖擊波和動應力，可提高地基土的強度、降低土的壓縮性、改善砂土的抗液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性等[6]，見圖2。同時，夯擊能還可提高土層的均勻程度，減少將來可能出現的差異沉降該法設備簡單，原理直觀，適用廣泛，特別是對非飽和土加固效果顯著。這種方法加固地基速度快，效果好，投資省，是當前最經濟簡便的地基加固方法之一。對于砂土地基及含水量在一定范圍內的軟弱粘性土地基，可采用重錘夯實或強夯。它的基本原理是：土層在巨大的沖擊能作用下，土中產生很大的壓力和沖擊波，致使土體局部壓縮，夯擊點周圍一定深度內產生裂隙良好的排水通道，使土中的孔隙水(氣)順利排出，土體迅速固結[7-8]。強夯后地基承載力可提高 3～4倍，壓縮性可降低200%～1 000%，在寧夏地區應用的比較多。

圖2 強夯法示意圖

應注意的問題：

a.首先在設計階段，應考慮濕陷性黃土處于哪一種類別、等級以及場地等因素，因為強夯的夯擊能量，夯點布置，夯擊深度，夯擊次數和遍數等因場地而異，土的含水量、孔隙比及夯擊的單位面積夯擊能對濕陷性黃土的強夯有效加固深度起著重要的作用。在經過試夯后確定出設計參數，確定施工設計方案，因此不經試夯確定施工參數往往會給工程造成后患。

b.由于強夯影響深度內土的含水量差異，會導致局部處理效果不佳，對于此種情況必須采取土的增濕或減濕措施，以免出現橡皮土情況。如有此種情況，應立即停止夯擊，當涼曬一定時間后，在夯擊坑內加入碎石類的粗骨料，繼續夯擊。

c.施工中在控制關鍵工序上嚴把質量關，因為一份設計提供后，錘重、落距、夯點布置等是沒有隨意性的，而唯一可能被人為改變的是夯擊次數，因在試夯時根據最后夯擊的沉降量來確定夯擊次數的，當別的參數已確定后，它就成為影響處理的唯一因素，所以施工中應以它為質量控制的關鍵工序管理點。

d.強夯結束后，檢測的重點是判定它的有效加固深度是否達到設計要求，因為有效加固深度的第一標準應是消除濕陷性，也就是以δs＜0.015作為判別指標。所以檢驗手段應采用探井取不擾動土試樣進行檢測。當這一指標達到要求后，一般情況下對承載力的要求等也均可滿足。

擠密砂樁、碎石樁加固法：屬于復合地基的一種，當濕陷性黃土層較厚，換填處理比較困難，地基土屬于非飽和粘性土或砂土時，采用擠密砂樁或碎石樁加固法，可以使地基土密實，容重增加，孔隙比減少，防止砂土在地震或受震動時液化，提高地基土的抗剪強度和水平抵抗力，減少固結沉降，使地基變均勻，起到置換、擠密、排水作用，防止地基產生滑動破壞，提前完成沉降，減少沉降差。

高壓旋噴樁技術也可以用于黃土地基的加固，具有安全可靠、適用的土質廣、施工噪音小、樁身強度高、固結體形狀可控制、料源廣闊、價格低廉等特點。

（3）置換法

由于深層密實法中的幾種方法都有加入高抗剪強度的材料，置換濕陷性黃土中部分成分的加固機理，與原有的土體共同組成復合地基，達到加固地基的目的，因此深層密實法有時也稱為置換法。

（4）排水固結法

在濕陷性黃土地基上加壓并配合內部排水，加速濕陷性黃土地基的排水，加快濕陷性黃土固結的處理方法稱為排水固結法。適用于處理各類淤泥、淤泥質粘土及沖填等飽和粘性土地基。濕陷性黃土地基在附加荷載的作用下，逐漸排出孔隙水，使孔隙比減小，產生固結變形。主要加固方法：堆載預壓法、砂井法、袋裝砂井、真空預壓法、電滲排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。

（5）化學加固法

通過在濕陷性黃土地基中加入水泥或其它化學材料，進行濕陷性黃土地基處理的方法稱為化學加固法。適用于處理砂土、粉土、淤泥質粘土、粉質粘土、粘土和一般人工填土，也可以在處理裂隙巖體及已有構筑物地基加強中。水泥或其它化學材料注入土體后，與土體發生化學反應，吸收和擠出土中部分水與空氣形成具有較高承載力的復合地基。主要加固方法：硅化法、粉噴樁、旋噴樁、注漿、水泥土攪拌法。

（6）加固路基法

通過在路基中埋入高強度、大韌性的土工聚合物、拉筋、受力桿件或柴(木)梢排等方法加強路基的自身強度，增加抵抗地基變形沉降的能力。適用于軟弱巖體、土體中的路堤與路塹。

主要加固方法：加筋土路基、土工聚合物、土釘墻、土層錨桿、土釘、樹根樁法、柴(木)梢排法。

（7）其他加固方法

除了上述濕陷性黃土路基處理方法外，比較常用的還有樁基、沉井、側向約束法、反壓護道法。樁基與沉井常用于在濕陷性黃土地基中建設重要構筑物(橋梁、大型涵洞等)的基礎中，根據軟弱土層的厚度其下承層土質情況，樁基設計可分為柱樁與摩擦樁兩種。常用的樁基有鉆孔樁、挖孔樁、管樁、木樁。

4 結論

現在國內外濕陷性黃土的處理出現了多種不同的形式，主要歸為三類：

（1）對濕陷性黃土的土體進行物理作用，或使使其體積的到一定程度的壓縮，或加入一定的材料，從而使其物理性質發生一定的變化，從而在一定的深度及程度上消除黃土的濕陷性，例如：強夯、沖擊壓實、擠密樁加固路基法等等均為這種類型；

（2）挖除土體進行換填，用非濕陷性材料替代需處理區的濕陷性黃土，從而消除此部分土的濕陷性，以進行上部施工，例如各種換填均是此種類型；

（3）在濕陷性黃土內部使用一定的工藝進行樁體施工，通過樁體進行支撐，例如深層攪拌樁等。

每種處理方式各有自身的特點，但也有各自的應用范圍及處理深度，在施工當中應注意根據施工現場實際情況,采取相應措施：

（1）調查清楚地下水位的變化幅度，做好基礎地面周圍的防水、排水，基面平整且具有0.005的放射坡度，必要時做排水溝、截水溝排水，防止雨水的聚積。

（2）基礎應遠離水渠和水管10 m以上。基礎埋深應不小于2 m，且大于凍土深度。注意防水排水工作，基坑內挖出的土，沿坑邊堆成壩，以防止地面水流入。

（3）基礎設計時，地基承載力應控制在地基容許承載力的80%。

總之，上述幾種濕陷性黃土路基的處理方法近年來在公路建設中被廣泛使用，都取得了良好的效果。在實際工程應用中，通過對上述處理措施的分析比選，可提出一個總體的應對濕陷性黃土路基的解決方案。實際上水是濕陷性黃土區路基設計、施工、養護與管理中影響最大的因素，因此應盡量減少水對路基工程的影響，搞好排水系統設計與施工工作。同時濕陷性黃土區的路基處理也是影Ⅱ向路基穩定的一個重要因素。路主體本身的設計與施工質量對公路路基穩定性的影響和路基加固與防護等問題，這些都是復雜的工程問題。總之，從單一方面不能消除濕陷性黃土區的路基病害，必須采用綜合設計的方法，用系統工程的觀點，統籌安排，進行有針對性的合理設計，通過嚴密的質量控制手段，都能夠經濟而有效地獲得期望的效果。

[1]支喜蘭.黃土地區公路路基地基承載力評價方法研究[D].陜西西安:長安大學,2005.

[2]白雙信.黃土地區高速公路施工新技術[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]王有林.黃土濕陷及其評價方法[D].甘肅蘭州:蘭州大學,2009.

[4]周波.公路路基黃土的濕陷性評價方法研究[D].吉林長春:吉林大學,2009.

[5]王富華.灰土擠密樁對黃土高填方路基的加固效果分析[D].陜西西安:長安大學,2008.

[6]龔曉南.高等級公路地基處理設計指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[7]Mikasa M,etc,Nonlinear consolidation theory for non-homogenous clay layer and its application[J].Soils and Foundations,JGS.

[8]劉保健.公路路基沉降過程試驗與理論分析[D].陜西西安:西安理工大學,2004.

U416.1

A

1009-7716（2016）12-0025-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.008

2016-10-15

姚天宇（1980-），男，黑龍江哈爾濱人，高級工程師，從事路橋工程設計工作。