公路工程濕陷性黃土路基地基處理的施工措施探討

韋正茂

甘肅省公路建設(shè)管理集團(tuán)有限公司 甘肅 蘭州 730030

引言：

濕陷性黃土是一種比較常見(jiàn)的土壤，但由于其土質(zhì)較均勻、孔隙發(fā)育、結(jié)構(gòu)疏松的特性，當(dāng)遇到水之后，并在一定壓力作用下，土結(jié)構(gòu)迅速破壞、強(qiáng)度迅速降低，就會(huì)產(chǎn)生較大下沉現(xiàn)象，且變形不可逆。公路工程建設(shè)如果地處濕陷性黃土覆蓋的區(qū)域,黃土地基接觸到水是不可避免的，雨水或者地下水都會(huì)對(duì)地基產(chǎn)生侵蝕，地基濕陷造成路基附加不均勻沉降的病害，進(jìn)而導(dǎo)致路面不平影響公路運(yùn)營(yíng)性能和使用壽命。因此，在濕陷性黃土場(chǎng)地進(jìn)行路基填筑時(shí)，應(yīng)依據(jù)工程區(qū)位黃土濕陷性程度、厚度、受水浸濕可能性以及工程實(shí)體對(duì)不均勻沉降控制的嚴(yán)格程度，必須采取地基處理為主的綜合措施，防止地基濕陷造成路基工程病害。

一、工程特點(diǎn)

某高速公路項(xiàng)目地處隴東黃土高原亞區(qū)，地貌類型包括堆積侵蝕黃土塬邊溝壑區(qū)、堆積侵蝕黃土塬塬面區(qū)以及流水侵蝕的河谷階地區(qū)。項(xiàng)目區(qū)域內(nèi)濕陷性黃土廣泛分布，均為Ⅲ級(jí)以上自重濕陷性黃土（自重濕陷量：328.8≤ΔZS≤979.8mm；總濕陷性：648.5≤ΔZS≤1391.7mm），濕陷性等級(jí)高，且設(shè)計(jì)路基填料就地取材，因此地基處理方式多樣且工程量大，以避免黃土濕陷危及路基穩(wěn)定。設(shè)計(jì)地基處理方案為：一般填方路基中Ⅲ級(jí)以上自重濕陷性黃土地基處理采用強(qiáng)夯法；不受水位影響且的鄰近對(duì)噪音、振動(dòng)比較敏感區(qū)域的濕陷性黃土地基處理采用灰土和素土墊層法；橋頭臺(tái)背路基及結(jié)構(gòu)物之間Ⅳ級(jí)自重濕陷性場(chǎng)地內(nèi)短路基地基處理采用灰土擠密樁法。

二、濕陷性黃土路基地基處理施工措施

（一）采用強(qiáng)夯法施工

強(qiáng)夯法又被稱為“動(dòng)力固結(jié)法”，就是通過(guò)大重量夯錘自由落下產(chǎn)生的強(qiáng)大沖擊能量作用對(duì)地基的土體壓實(shí)處理的施工方法。濕陷性黃土地基經(jīng)夯實(shí)后，土體密度增大，強(qiáng)度提高，壓縮性和透水性降低，在一定深度范圍內(nèi)消除濕陷性并提高承載力。如果黃土為非飽和土，采用這種方法可以獲得良好的加固效果。強(qiáng)夯施工設(shè)備操作簡(jiǎn)單，工藝原理比較直觀，應(yīng)用非常廣泛。采用強(qiáng)夯法加固施工，地基處理速度快，成本低，加固效果明顯。

在本項(xiàng)目應(yīng)用中，濕陷性黃土路基地基強(qiáng)夯法處理施工中采取以下措施：

其一，在公路工程濕陷性黃土地基強(qiáng)夯處理的設(shè)計(jì)階段，通過(guò)調(diào)查、勘探和試驗(yàn)準(zhǔn)確判斷黃土類別、濕陷性等級(jí)及處理深度，并對(duì)施工場(chǎng)地周邊居民區(qū)等敏感點(diǎn)的各項(xiàng)因素充分考慮，確定設(shè)計(jì)參數(shù)。本項(xiàng)目強(qiáng)夯設(shè)計(jì)加固范圍為路堤坡腳再加每側(cè)2m范圍，加固深度為消除地面下5m以內(nèi)黃土濕陷性，夯擊點(diǎn)布置采用正方形插檔排列，夯點(diǎn)間距3.6m。加固土體的厚度與夯擊能的關(guān)系需經(jīng)過(guò)試夯驗(yàn)證確定，設(shè)計(jì)單點(diǎn)夯擊能在100～200t·m之間控制，最后兩擊夯沉量和值應(yīng)小于10cm，最后兩擊夯沉量差值應(yīng)小于5cm。夯擊遍數(shù)三遍，依次分別為點(diǎn)夯、插夯和低能量滿夯各一遍，每完成一遍全部夯點(diǎn)夯擊后，對(duì)場(chǎng)地進(jìn)行平整并實(shí)施下一遍夯擊，滿夯夯印互相搭接1/4。

其二，地基土強(qiáng)夯施工時(shí)的，土體含水率控制在最佳含水率±2%范圍之內(nèi)，超出范圍無(wú)法保證強(qiáng)夯處理效果?，F(xiàn)場(chǎng)簡(jiǎn)易測(cè)定土體含水量方法是：用手捏緊土體易變形但不擠出，松手后土體不松散，拋在地上呈現(xiàn)碎裂狀態(tài)即為合適。如表層含水量過(guò)大，可采取翻曬、換土以及撒碎磚、干土、砂石或生石灰粉等措施，以避免產(chǎn)生翻漿、橡皮土問(wèn)題。如土體含水量過(guò)小，應(yīng)在地基處理場(chǎng)地適當(dāng)灑水增濕，待水分全部滲入土體24h后方可開(kāi)始強(qiáng)夯施工。

其三，大面積開(kāi)始強(qiáng)夯施工前，應(yīng)依據(jù)設(shè)計(jì)處理深度選取不同強(qiáng)夯能量進(jìn)行試夯總結(jié)，確定強(qiáng)夯參數(shù)后指導(dǎo)規(guī)模化施工。試夯場(chǎng)地占地面積約200m2且地質(zhì)條件具有代表性，在試夯前采集地面下5m以內(nèi)原狀土樣進(jìn)行原位檢測(cè)并取得相關(guān)土性數(shù)據(jù)。按照初步擬定施工參數(shù)進(jìn)行強(qiáng)夯試夯作業(yè)，每次夯擊完成后進(jìn)行地面變形測(cè)試，及時(shí)量測(cè)夯擊坑及其周圍土體沉降量、隆起量、擠出量。通過(guò)試夯測(cè)量數(shù)據(jù)繪制強(qiáng)夯擊數(shù)與夯沉量的關(guān)系曲線，以夯擊后土體的豎向壓縮最大而且側(cè)向位移最小為原則確定具體夯擊次數(shù)，必須同時(shí)滿足設(shè)計(jì)夯沉量指標(biāo)、夯擊坑周圍地面無(wú)過(guò)大隆起變形以及不因夯坑過(guò)深而起錘困難等三個(gè)條件。在最后低能量滿夯完成7天以后，采集地面下5m以內(nèi)土樣進(jìn)行原位檢測(cè)和土工試驗(yàn)，并與試夯前土性數(shù)據(jù)比對(duì)分析，以消除處理深度范圍內(nèi)的黃土濕陷性為準(zhǔn)。

其四，各夯擊遍數(shù)之間的間隔時(shí)間可通過(guò)試夯確定，土體中超靜孔隙水壓力消散時(shí)間為關(guān)鍵因素，滲透性較差的粘性土地基間隔時(shí)間宜大于3周，滲透性較好的粉性土地基可連續(xù)夯擊。通過(guò)試夯驗(yàn)證并確定強(qiáng)夯夯錘重量、錘頭大小、夯錘落距等參數(shù)選取施工設(shè)備。需注意事項(xiàng)包括：夯錘應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量上下貫通的排氣孔，以減少或消除夯錘下落中的空氣阻力，保證夯錘下落沖擊能量能完整傳遞給地基，同時(shí)減少夯錘起吊時(shí)的土體吸力；起重機(jī)械應(yīng)配備自動(dòng)脫鉤器，起重能力大于夯錘重量的1.5倍，提錘高度明確標(biāo)識(shí)便于旁站監(jiān)督。

（二）采用灰土和素土墊層法施工

不受水位影響且的鄰近對(duì)噪音、振動(dòng)比較敏感區(qū)域的濕陷性黃土地基路段，一般采用灰土和素土墊層處理。如果路基基底以下存在淺層濕陷性黃土，盡可能將這部分黃土全部挖除，如果濕陷性黃土層非常厚，也要開(kāi)挖一定深度并對(duì)基底采取沖擊碾壓或施工灰土隔水墻后填入灰土或者素土。通常墊層的厚度介于1米至3米之間，在填土施工中采用分層回填的方法，每一層經(jīng)過(guò)充分壓實(shí)并達(dá)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度后才能填上一層。采用該處理方法可以有效地解決墊層范圍內(nèi)的濕陷性問(wèn)題，當(dāng)?shù)鼗皇┘訅毫χ蟛粫?huì)產(chǎn)生自重濕陷的現(xiàn)象，工藝操作簡(jiǎn)單且可以獲得良好的效果。采用灰土和素土墊層法進(jìn)行地基施工，地基的承載力會(huì)有較大增加且均勻性良好。采用灰土墊層的地基承載力可超過(guò)300kpa，采用素土墊層的地基承載力可超過(guò)200kpa。

在本項(xiàng)目應(yīng)用中，濕陷性黃土路基地基灰土和素土墊層法處理施工中采取以下措施：

其一，由于地基處理墊層開(kāi)挖后基槽低于原地面，為減少降雨對(duì)施工的干擾和影響，地基墊層處理段落應(yīng)分段全幅開(kāi)挖，并避免單次開(kāi)挖區(qū)段過(guò)長(zhǎng)造成施工周期過(guò)長(zhǎng)?；垌斂谥苓厬?yīng)結(jié)合實(shí)際地形完善臨時(shí)排水設(shè)施，同時(shí)填筑施工中應(yīng)嚴(yán)格控制平整度和縱橫坡，碾壓后不得有坑洼現(xiàn)象，橫坡宜設(shè)置4%左右，縱坡應(yīng)與路線縱坡相符并在區(qū)段下游端設(shè)置臨時(shí)集水蒸發(fā)池，待區(qū)段內(nèi)墊層施工完成后進(jìn)行回填處理。墊層施工中，應(yīng)將下區(qū)段開(kāi)挖土方調(diào)運(yùn)至上一區(qū)段回填施工，避免土方二次倒運(yùn)，降低工程施工成本。

其二，墊層基底要做到地基土的含水量寧小勿大，如果含水量過(guò)大將造成地基強(qiáng)度下降，導(dǎo)致地基不均勻沉降變形，影響其承載力。墊層處理反開(kāi)挖土方需盡快運(yùn)送到墊層鋪筑利用現(xiàn)場(chǎng)，以減少運(yùn)輸過(guò)程造成的水分損失。上土前進(jìn)行土體的含水量檢測(cè)，考慮填料含水量在整平攤鋪過(guò)程中的水分損失，實(shí)際上料含水量按照最佳含水量+1%控制。當(dāng)土料的天然含水量過(guò)大時(shí)進(jìn)行翻挖晾曬處理。當(dāng)土料的天然含水量過(guò)小時(shí)進(jìn)行注水燜土處理，需注意的是應(yīng)在取土區(qū)段內(nèi)進(jìn)行燜土作業(yè)并確保土料均勻濕潤(rùn)。

其三，應(yīng)橫向全斷面均勻攤鋪墊層填料，不得出現(xiàn)縱向施工接縫，不宜半幅施工。各區(qū)段交接處應(yīng)交錯(cuò)重疊壓實(shí)并采用高速液壓夯實(shí)機(jī)補(bǔ)強(qiáng)，縱向搭接長(zhǎng)度≥2.0m，預(yù)留臺(tái)階分層垂直切齊。根據(jù)首件工程確定的松鋪系數(shù)換算每車填料的攤鋪壓實(shí)面積，確定堆放密度，用白灰畫(huà)方格網(wǎng)控制自卸車倒土密度，同時(shí)插桿掛線方式標(biāo)示松鋪厚度，分層填筑壓實(shí)厚度按照20～25cm控制。混合料攤鋪使用推土機(jī)先粗平，平地機(jī)后精平，灰土墊層另采用灰土撒布機(jī)布灰、路拌機(jī)翻拌，壓路機(jī)梯隊(duì)作業(yè)壓實(shí)施工。根據(jù)黃土施工特性，壓路機(jī)宜選用重型振動(dòng)羊足碾保證壓實(shí)效果并提高施工效率，壓實(shí)順序按先兩側(cè)后中間，先靜壓后弱振、再?gòu)?qiáng)振的操作程序進(jìn)行碾壓，壓路機(jī)輪跡沿線路縱向重疊≥40cm。

其四，當(dāng)填料攤鋪整平并接近最佳含水率時(shí)，用重型振動(dòng)壓路機(jī)在基底全寬范圍內(nèi)碾壓至要求壓實(shí)度，在碾壓過(guò)程中墊層表面應(yīng)始終保持濕潤(rùn)狀態(tài)，嚴(yán)禁出現(xiàn)“彈簧”、松散、起皮等現(xiàn)象，壓實(shí)后表面無(wú)明顯的輪跡。在分層碾壓施工中要施工質(zhì)量要嚴(yán)格控制，每一層碾壓完畢均進(jìn)行試驗(yàn)檢測(cè)，檢測(cè)合格之后方可進(jìn)行上一層填筑施工。

（三）采用灰土擠密樁法施工

未經(jīng)處理的濕陷性黃土地基土孔隙率大、壓縮性高、承載力低、濕陷性高，通過(guò)一定深度灰土擠密樁對(duì)地基加固處理后，樁體周圍土密度增加、孔隙率減少、壓縮性降低、承載力提高、抗剪強(qiáng)度增大、濕陷性降低或消失。經(jīng)擠密處理后地基防水隔水性能明顯增強(qiáng)，使地基土成為不透水或弱透水層，下承層中未處理土層不會(huì)自上向下浸水，這對(duì)濕陷性黃土尤其重要。同時(shí)通過(guò)樁孔內(nèi)灰土拌合料的夯填，并設(shè)置上覆灰土墊層，使擠密后復(fù)合地基承載力得到進(jìn)一步加強(qiáng)?；彝翑D密樁可就地取材，應(yīng)用當(dāng)?shù)亓畠r(jià)材料，成孔及成樁機(jī)具簡(jiǎn)單，施工方便，工藝成熟工效較高。

在本項(xiàng)目應(yīng)用中，濕陷性黃土路基地基灰土擠密樁法處理施工中采取以下措施：

其一，灰土擠密樁直徑依據(jù)工程數(shù)量、成孔成樁方法、擠密效果、施工機(jī)具和經(jīng)濟(jì)性等因素確定，設(shè)計(jì)選用樁孔直徑400mm；樁長(zhǎng)依據(jù)地基土質(zhì)情況、樁處理深度、工程需求和成孔成樁機(jī)具等因素確定，一般設(shè)計(jì)8～15m；樁孔按等邊三角形交錯(cuò)布置，設(shè)計(jì)樁間距為1m?；彝翑D密樁樁體采用2：8石灰土（消石灰與土的體積配合比），平均壓實(shí)系數(shù)≥0.97。樁頂標(biāo)高以上設(shè)置40cm厚的2：8石灰土墊層，其壓實(shí)系數(shù)≥0.96。石灰材料選用Ⅱ級(jí)以上新鮮消石灰，有效鈣鎂含量≥60%，粒徑≤5mm，土料中有機(jī)質(zhì)含量≤5%。灰土拌合用土料要在使用前一天灑水燜料，含水量需略大于最佳含水量，灰土拌合后的混合料含水量控制在最佳含水量±2%，混合料按需進(jìn)行制備，不得隔日使用。

其二，為保證灰土擠密樁施工實(shí)現(xiàn)對(duì)地基土體的二次擠密作用，成孔設(shè)備選用振動(dòng)沉管式打樁機(jī)，采用Φ40cm鉆頭，鋼管壁厚為2.2cm,鋼管長(zhǎng)為18m，并在管身標(biāo)記成孔深度刻線便于控制。成孔施工時(shí)進(jìn)行孔位間隔跳打，防止相鄰孔之間相互擠壓、振動(dòng)造成縮孔或塌孔問(wèn)題。打入鋼管下沉至設(shè)計(jì)標(biāo)高后拔管成孔，遇到土體軟弱位置拔管速度放慢，成孔孔位偏差≤5cm，垂直度≤1.5%，直徑±50mm。夯填設(shè)備采用微電腦控制的偏心輪夾桿式夯實(shí)機(jī)，實(shí)現(xiàn)回填灰土數(shù)量及回填間隔期夯擊次數(shù)準(zhǔn)確控制，避免人為操作造成單次回填灰土厚度超標(biāo)、夯擊次數(shù)不足等問(wèn)題。夯錘用鑄鋼制成，呈梨形，最大部分的直徑較樁孔直徑小10～15 cm，以便填料順利通過(guò)夯錘四周落入孔底，夯實(shí)機(jī)的夾桿與夯錘總重約200kg，夯擊時(shí)提錘高度為1m，夯擊速率為55擊/每分鐘。為避免降低灰土擠密樁承載力，回填夯實(shí)應(yīng)保證連續(xù)施工，單個(gè)樁孔一次性連續(xù)分層回填夯實(shí)至頂面標(biāo)高，不得中途間隔停頓或隔日施工。

其三，大面積施工前通過(guò)在線外選取同地質(zhì)空白場(chǎng)地進(jìn)行首件工程試樁，對(duì)機(jī)具設(shè)備組合、施工參數(shù)進(jìn)行優(yōu)選和確定，同時(shí)驗(yàn)證設(shè)計(jì)樁間距、樁徑等參數(shù)，通過(guò)復(fù)合地基承載力檢測(cè)，并分層開(kāi)挖系統(tǒng)檢測(cè)樁體密實(shí)度、樁間土密實(shí)度、樁間土濕陷性消除情況驗(yàn)證地基處治效果。通過(guò)首件工程總結(jié)，在處治區(qū)域內(nèi)由外層向內(nèi)層逐層擠密施工，確定樁孔填料前先夯擊10擊進(jìn)行孔底夯實(shí)，單次夯填厚度20cm，每回填一層夯擊10擊；通過(guò)沉管成孔與夯填成樁用時(shí)比對(duì)，每臺(tái)振動(dòng)沉管式打樁機(jī)需配備4臺(tái)偏心輪夾桿式夯實(shí)機(jī)施工。通過(guò)試驗(yàn)檢測(cè)驗(yàn)證，壓實(shí)度、復(fù)合地基承載力均滿足設(shè)計(jì)要求，處理深度范圍內(nèi)除樁頂標(biāo)高1m范圍內(nèi)局部濕陷性未消除外，其余地基土濕陷性均已消除。分析原因?yàn)闃俄敻采w土層厚度有限，在擠密施工中上層土體約束荷載不足造成，因此后續(xù)施工中樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上的預(yù)留覆蓋土層厚度不小于1.0m，施工灰土墊層前將覆蓋層予以挖除，并對(duì)樁間土頂面進(jìn)行高速液壓夯實(shí)補(bǔ)強(qiáng)，液壓夯實(shí)施工應(yīng)避免破壞已成型灰土樁。

結(jié)束語(yǔ)：

綜上所述，由于濕陷性黃土的性質(zhì)比較特殊，遇水后很容易對(duì)公路路基工程造成較為嚴(yán)重的質(zhì)量病害，本文結(jié)合項(xiàng)目強(qiáng)夯、灰土和素土墊層、灰土擠密樁實(shí)際施工應(yīng)用總結(jié)，研究公路工程濕陷性黃土路基地基處理施工的相關(guān)問(wèn)題,提出并探討解決措施，以期同類項(xiàng)目借鑒改進(jìn)，保證路基工程施工質(zhì)量，延長(zhǎng)公路的使用壽命，并且降低工程施工成本。