高速公路非自重濕陷性黃土路基加固處理方案優選

鄭久碩 劉寶慶 呂亮

摘要：針對某高速公路路基工程中存在的非自重濕陷黃土地質，分析該地質對設計、施工及使用的危害性。取3種濕陷性黃土地基的加固處理方法，在4個方面進行對比優選，最終確定以強夯法來處理標段內的地基，并給出了相應的施工方案。

關鍵詞：非自重濕陷性黃土；強夯法；換土墊層；擠密灰土樁

1、引言

隨著我國高速公路的飛速發展，濕陷性黃土一直是危害道路建設與使用的災害性地質。濕陷性土是指在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用下，因浸水后土的結構破壞而發生顯著附加變形的土，屬于特殊性土。有些雜填土也具有濕陷性。廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區的黃土多具濕陷性。由于設計施工人員對濕陷性黃土危險性估計不足，經常發生道路結構物沉陷和道路路面破壞。濕陷性黃土地基處理方法主要基于加密土體、改變荷載傳遞方式和土體加固等理論基礎。國內許多學者對于改良濕陷性黃土地基展開了研究，大量研究人員將強夯法用于處理濕陷性黃土地基。

本文就某高速公路路基工程存在的非自重濕陷性黃土問題，通過分析比選幾種地基處理方案，優選提出適合于該工程的施工方案。

2、工程概況

2.1 工程概述

本工程位于太行山余脈東麓井陘縣境內，地面海拔320～480m，山巒起伏、溝谷相連；線路途經微水鎮、南王莊鄉，起點樁號K23+305，終點里程K31+613，全長8.308km。其中路基總長度4916m，采用兩幅分離式路基，路面寬度12.25m，雙線四車道，設計時速80Km/h。

2.2 工程地質條件

通過在路段范圍打樁勘察得出，路段存在非自重濕陷性黃土，為風成馬蘭黃土，濕陷性輕微，影響深度在5m左右。非自重濕陷性黃土的性質：其物理性質表現為自然狀態下密度為1.5T/m3～1.6T/m3，自然空隙率較大，與其他土質相比在自重作用下不會發生自然沉降；化學性質體現為非自重濕陷性黃土自身含有細小的氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等晶體，這些晶體存在化學鍵作用，土質本身無法在自身的自重下發生沉陷變形，但是在遇水后，土質晶體溶解，化學鍵隨之消失導致黃土自身出現沉陷變形，當土體水分蒸發完成之后，又重新生成化學晶體使土體發生微膨脹。

3、地基加固處理方法

在高速公路建設中，對非自重濕陷性黃土地基進行加固勢在必行，其加固處理方法一般有以下幾種：換土墊層法、強夯法、擠密灰土樁法等。

3.1換土墊層法

換土墊層法是以一種低壓縮性土代換高壓縮性土，通過外界壓實機械做功來達到提高地基承載力，減少基礎沉降。

換土墊層法主要包括灰土墊層和土墊層。當僅要求消除基底下1～3 m濕陷性黃土的濕陷量時，根據規范宜采用局部（或整片）土墊層進行處理，當同時要求提高墊層土的承載力及增強水穩性時，根據規范宜采用整片灰土墊層進行處理。

土墊層的施工質量， 應用壓實系數λc控制，并應符合規范的以下要求：厚度小于3 m的土墊層，不應小于0.95；超過3 m的部分不應小于0.97。

3.2 強夯法

強夯法是通過重錘的自由落下產生強大的沖擊能作用在地基之上，對土體進行強力夯實，使土體產生較大的瞬間沉降，減少土體60%的孔隙，提高土體強度2倍～3倍，降低土體壓縮性，特別是對非飽和土加固效果顯著，該方法設備簡單、原理直觀、適用廣泛，也稱動力固結法。

強夯結束后檢測判定它的有效加固深度是否達到設計和規范要求，因為有效加固深度的主要原則是消除濕陷性，也就是以δs<0.015作為主要的判別指標。所采用的檢驗手段主要采用探井取不擾動土試樣進行檢測，當這一指標達到設計和規范的要求后。一般情況下對承載力的要求等也均可滿足。但由于其過大的噪聲及振動，在很多城市是限制強夯法的使用。

3.3 擠密灰土樁法

擠密灰土樁法是在基礎平面位置按設計方案和規范的要求布置樁孔并成孔，然后按最優含水量下的灰土分層填入樁孔內，并分層夯（搗）實至設計標高為止。通過向土層中擠壓成孔或樁體夯實過程中的橫向擠壓作用，迫使樁孔內的土體側向擠出，樁間土得以擠密，使得樁周范圍的土體受到擾動，壓縮和重塑，當樁周土被擠密到一定的壓實系數時，則沿樁孔深度范圍內土層的濕陷性就會消失。

其次，由于灰土樁受壓時樁身壓縮變形使樁頂面產生沉降，而灰土樁本身具有一定的膠凝強度，地基處理是通過灰土樁的高強度置換來提高地基的承載力。如果當局部樁頂壓裂后，因灰土塊體間存在摩擦力和膠合力，故仍可與樁間擠密土協同工作，復合地基仍可維持整體穩定性（圖1）。

4、處理方案比選

下面將依據工程實例對第三節所提三種方法進行四個方面的比較。

4.1 工程造價

以非自重濕陷性黃土地基處理面積為10000m2為例，換土墊層法63.4萬元>擠密灰土樁法48.89萬元>強夯法13萬元，顯然強夯法為三種非自重濕陷性黃土處理方法中最為經濟的一種施工方法。

4.2 施工進度

同樣的處理面積，換土墊層法施工時間最短為9，其次是強夯法17.3d，最慢是擠密灰土樁法51.4d。

4.3 施工簡易程度

強夯法在施工中有著無比優越的優勢，首先，強夯法在強夯機械到位之后，只需要對現況地表進行簡單的推平處理就可以立即投入施工，不會受到類似電力、地材等因素的制約；而無論是擠密灰土樁法、換土墊層法均需要消耗大量的地材資源、投入大量的施工機械從而消耗大量寶貴能源。在施工準備工作方面，擠密灰土樁法、換土墊層法都需要準備大量的地材物質，相應配套的施工機具必須全部到位方能開始施工，所以強夯法相對于其他兩種施工工法而言是比較簡便、易于操作的地基加固方法。

4.4 施工質量控制及效果

強夯法施工質量控制主要是沖擊過程控制，控制項目主要包括夯能控制、沖擊次數、沖擊點位設置是否符合設計要求、沖擊遍數達到設計值之后最后兩次沖擊沉陷值是否滿足設計要求等。夯能控制包括重錘的質量和提升高度能否確保夯能滿足設計要求、現場旁站記錄沖擊的次數、使用水準儀量測總沉陷量和最后兩次的沉陷差值等。檢查地基承載力為第三方按照規范進行隨機取點，測試地基承載以確定經過強夯處理的非自重濕陷性黃土段落是否滿足設計承載要求。相比擠密灰土樁法、換土墊層法而言，強夯法的優勢主要體現在質量控制過程比較直觀，復合地基承載力檢測比較簡單，數據相對準確可靠。三種方法處理之后的承載效果如下：一般情況下非自重濕陷性黃土自然狀態下的承載力為80kPa～120kPa，強夯法可以提高到170kPa～230kP（2.1倍左右）；擠密灰土樁法經過符合地基承載力檢測，其承載力可提高到 210kPa～270kPa（2.3倍左右）；換填天然級配砂礫經過檢測，其地基承載力為 240kPa～280kPa（2.4倍左右）。

綜合以上方法的工程造價、施工進度控制、施工簡易程度、施工質量控制及效果四個方面的比較，強夯法在造價方面遠低于其他兩種種工法，施工速度快，施工簡單易行，地基處理效果可以滿足設計要求，質量控制比較簡單可靠。同時考慮到工程自身條件，在標段內出現非自重濕陷性黃土的路段在填筑坡腳外3米的范圍內基底換填50cm厚4%的灰土，然后通過強重夯處理路基。

5、強夯法施工方案

強夯通過重錘的自由落下，多次重復夯地面，通過勢能轉化成動能這樣的能量轉化，形成壓縮波、剪切波和表面波等，給地基以沖擊和振動。在沖擊波的影響范圍內，土的天然結構遭受到一定的破壞。壓縮波使孔隙水壓力增加，使土粒錯位；剪切波和表面波使土粒受剪，土顆粒重新排列而使土變得密實。通過這樣的方式改變土的物理性質，降低土的壓縮性和濕陷性，增加地基土的強度，提高其承載力。

5.1 施工方法

本標段路基基礎處理涉及兩個方面：

（1）對于填筑高度大于5m路基，填筑前對原地面進行強夯夯實，每填筑3m進行強夯補強，采用逐點與滿夯相結合的方法。

（2）本標段特殊為I級非自重濕陷性黃土，處理方式為在填筑坡腳外3米的范圍內基底換填50cm厚4%的灰土，然后通過沖擊碾壓及強重夯處理，具體如下：

①對填筑高度I級非自重濕陷性黃土路段路基外邊緣距離現有建筑物L≤100米的濕陷黃土路基采用沖擊碾壓消除影響深度范圍內1.2m；

②對于填土高度h≤4米的級非自重濕陷性黃土路段采用夯擊能為600KN.m的重夯消除濕陷性，處理深度2m；

③對于填土高度h>4米的級非自重濕陷性黃土路段采用夯擊能為1000KN.m的重夯消除濕陷性，處理深度4m；

5.2 施工工藝

（1）本標段路基高填段基礎處理工藝參數：采用強夯逐點與滿夯相結合的方法，強夯夯擊能為1500KN·m，間距3.08m；滿夯夯擊能為600KN·m，四周搭接D/2，即1.25m，各層壓實度不小于96%。

（2）夯擊遍數間隔時間

為避免產生超孔隙水壓力、夯坑周圍出現較大隆起，要等超孔隙水壓力自然消散后，再夯下一遍。本標段路基基底為坡洪積粉質黏土夾少量碎石，間隔時間按7d考慮。

5.3 施工步驟

（1）清表完成后根據編完號的夯點布置圖放出夯點位置，并灑白灰做標記；

（2）測量夯前錘頂標高，確定相對零高度；

（3）將夯錘吊到規定高度（10m），脫鉤夯錘脫落自由下落；放下吊鉤，測量錘頂標高，記錄與相對零高度差值。夯擊點中心位移偏差應小于150mm，當夯坑底傾斜大于30°時，將夯坑底填平后再進行夯擊。

（4）重復步驟（3），完成一個夯點的夯擊。每個夯擊點安排專人檢查和記錄夯擊能量、夯擊次數以及每次夯沉量。

（5）換夯點，重復（2）～（4）項，完成第一遍全部夯點的夯擊。

（6）在第一遍強夯完成后，用推土機將夯坑推平后，測出地面高程。

（7）強夯一遍夯擊結束1周后，按上述步驟逐點完成第二遍強夯夯擊擊數。

（8）二遍夯擊結束1周后，調整夯錘落距到4m進行滿堂夯。

5.4 單點夯擊次數控制標準

（1）強夯夯點最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，單點夯擊第一遍不小于4擊，第二遍不小于5擊，主、副夯后進行滿夯，滿夯夯點最后兩擊的平均夯沉量不大于20mm。

（2）夯坑周圍地面不應發生過大的隆起；不因夯坑過深發生起錘困難。

5.5 施工質量檢驗

（1）夯點定位允許偏差±5cm；夯錘就位允許偏差±15cm，滿夯后場地平整，平整度允許偏差±10cm。

（2）滿夯完成后將地基土推平，用大于20T的重型壓路機碾壓至地表無輪跡后檢測壓實度不小于96%。

5.6 特殊情況處理

（1）強重夯施工前，應查明場地范圍內的地下構筑物和各種地下管線的及標高等，并采取必要的措施，以免因強夯施工造成破壞；

（2）對強重夯施工所產生的振動，為避免對鄰近建筑物或設備產生有害的影響，根據情況采取挖減振溝的防振措施，減振溝的一般尺寸為深3m，底寬1m，邊坡1：0.7，起始位置位于強夯外邊緣線外4m；

（3）對于地下水位較高、彈簧土、坑塘洞穴部位，導致施工難度大或影響施工質量的渠段，根據具體情況上報相應施工方案，如降水、換填等，依據批復的方案進行處理；

（4）在降雨前將夯坑推填平，并使夯擊區具有良好的排水條件；雨后對現場積水要立即排除。

6、總結

綜合以上理論分析，并結合工程現場實際施工情況，強夯法處理非自重濕陷性黃土能夠取得相對較優的處理效果。通過對施工過程的嚴格控制，強夯法處理地基與換土墊層法、擠密灰土樁法相比，能夠減少一半以上的成本，并且能夠形成較高承載力和穩定性，加之工藝控制難度低，設備投入簡單、工期短，是軟基處理中具有推廣價值的一種工藝，具有很好的社會效益。

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（作者單位：中建六局軌道交通公司平贊高速項目經理部六分部）