淺議濕陷性黃土區大厚度填方路基處理

柳順貴，康聯國，童景盛

（中國市政工程西北設計研究院有限公司，甘肅 蘭州730000）

0 引言

隨著城市化進程不斷推進，城市的面積不斷的擴大，平整的河谷區域已開發完，低坡緩丘區域的開發成為未來城市建設的主要戰場。蘭州市位于我國黃土高原區域，城市屬狹長的河谷性城市，隨著城市人口的不斷增加，城市面積的不斷擴大，黃河I級階地，河谷地帶開發已完成。城市向北擴張正在如火如涂地進行。

1 蘭州恒大文旅城工程實例

蘭州恒大文旅城就是蘭州市北山低丘緩坡區域開發的一個具有代表性實例。蘭州恒大文旅城場地面積約5.0 km2，整個場地地質為濕陷性I～III級區域，場地黃土覆蓋層厚度平均在30～100 m左右，場地初級平整在2012年進行的，當時由于工程管理等原因，場地初級平整時主要進行土方的挖填平整，對黃土濕陷性未進行任何的處理、填筑過程未按工程相關規范與標準進行相應的壓實工作。現要在平整后的場地上進行工程建設，根據地理信息模型在挖方區和填土厚度小于30.0 m區域布置建筑.在填方厚度大于30.0 m區域布置市政道路等基礎設施。

現場局部地段填方厚度為30.0～100.0 m，原來場平填筑時沒有對填料的濕陷性進行處理、填筑時未對填筑施工質量進行控制。場地處于自然沉降與慢慢密實狀態。工程建設要對大厚度填方內黃土進行換填或全部挖除進行處理是不合理、不經濟的，也是不現實的。根據地勘工作調查和工程經驗判斷大厚度填方土體在自然狀態下呈現出的隨著埋深增加土體的密實性在增大、隨著埋深的增加土體受水侵濕的概率再降低的特點，分析擬建工程對地基的要求。大厚度填土濕陷性對工程的影響主要是承載力不足和變形過大的問題，采取一定工程措施解決路基影響范圍內承載力不足的問題，將大厚度填土濕陷性問題轉換為控制路基沉降變形的問題，使大厚度填方內沉降變形量達到《公路路基設計規范》和《城市道路路基設計規范》相關要求，實現矛盾轉化、問題簡化，達到全填方范圍內解決問題的效果。根據以上處理問題思路，結合現有工程處理技術水平和經濟性提出工程處理方案：路基頂面采用灰土墊層+灰土擠密樁（樁長15.0～20.0 m），再對路基影響范圍內由于施工、運營產生沉降量和全填方深度范圍內土體固結沉降變形進行計算與控制。本方案從定型和定量兩個角度說明問題，以定量說明問題為主。

1.1 現場條件

1.1.1 地形、地貌

（1）原始地形、地貌

根據已收集到有關資料[1]，項目場地2012年之前基本保持了原始的黃土梁峁及溝谷地貌，呈現梁峁與溝谷相間的分布的地形形態，場地地形總體呈現北高南低的趨勢，見圖1。

圖1 現場原始地貌

（2）初級場平后的地形、地貌

在土地一級開發中，通過對黃土梁峁黃山、溝壑回填進行土地整平開發，見圖2。整平后場地較為平坦，場地地形自北向南傾斜。地勢總體北高南低，自南向北場地高程介于1 640～1 750 m；場地周邊地形起伏大，部分溝壑未回填完成。溝壑回填采用原始梁峁削山后的馬蘭黃土進行回填，見圖3。

圖2 現場平整后地貌

圖3 現場填挖區域圖

1.1.2 地質條件

根據勘探揭露及地質調繪，場地地層結構自上而下描述及分布特征綜述如下：

（1）①-1層雜填土（Q4ml）：雜色，松散～密實，主要由建筑垃圾組成，分布于場地內的便道區域，為修筑臨時道路的填筑體，雜填土層厚度較薄，該土層厚度一般都在0.80～3.00 m，平均1.94 m，層底高程1 621.94～1 791.28 m。

（2）①-2層素填土（Q4ml）：淺黃色，松散～稍密，主要由粉土組成。該層主要分布于原始場地地勢相對較低的溝谷區域，受原始地形影響，填土層厚度變化極大，層厚一般在1.00～104.80 m，層底埋深1.00～104.80 m，見圖4。

圖4 素填土土樣

（3）②-1層黃狀粉土（Q4al+pl）：褐黃色，稍濕～濕，稍密，顯水平層理，層厚一般在11.60 m，層底埋深104.10 m。

（4）②-2層粉細砂（Q4al+pl）：褐黃色，稍濕～濕，稍密，顯水平層理，顆粒成分主要為石英及長石、云母等，夾有花崗巖、砂巖碎屑，層厚一般在0.50～2.30 m，平均1.43 m，層底埋深：72.20～99.30 m。

（5）③-1層濕陷性馬蘭黃土（Q3eol）：淺黃色，稍濕，稍密～中密。土質較均勻，上部可見大孔隙及垂直節理發育。該層在場地淺挖方區以及填方區地普遍分布，層厚一般在0.60～50.30 m，層底埋深3.50～101.20 m，見圖5。

圖5 馬蘭黃土土樣

（6）③-2層非濕陷性馬蘭黃土（Q3eol）：淺黃色，稍濕，中密～密實，土質較均勻，隨深度增加，孔隙率漸小，層厚一般在0.40～98.40 m，層底埋深15.90～106.90 m。

1.1.3 高填方區地質說明

根據現場調查，擬建工程場區高填方區，主要是通過開挖現狀山體填筑到溝谷地區。整個填方區地質較為簡單，主要以土①-2層素填土（Q4ml）為主，填方厚度為0～105 m；根據調查，擬建場地場平自2012年開始平整，至2013年年底基本完成，在回填期間，進行了局部強夯處理。2014年后場地又進行了兩次大范圍的場地平整，溝谷回填及回填區域多采用分層推筑、分層壓實回填，見圖6。

圖6 填方示意圖

2 大厚度填方處理方法研究

根據大厚度黃土填筑場地所呈現的特點，充分利用隨著填土厚度增加填筑土體的密實性在增加，隨著填土厚度增加浸水概率再大幅度減少特點，將通常處理黃土場地主要是靠高強度、大范圍[2]處理措施來減小和消除黃土濕陷性問題轉化為充分結合現場土體自身特點、抓住黃土濕陷性對路基影響的本質問題是沉降變形的問題。結合大厚度填土所呈現隨深度增加密實性增加的特點，把路基處理重點放在路基頂面密實性較小的區域，通過處理提高路基的密實性、降低濕陷性、減小路基沉降變形；通過人工地基處理，在路基頂面形成一定厚度密實的硬殼層阻斷、減少了地表水下滲，降低了填方深處填土發生濕陷的概率。硬殼層分散了路面荷載、減小了填方深處土體附加壓應力，減小了路基沉降變形。

本次方案設計采用模型[3]：1.5 m墊層（灰土）+15.0 m擠密樁（灰土）對路基頂面一定厚度范圍進行處理。對路基影響范圍內由于路基處理、工程建設、運營產生沉降量和全填方深度范圍內土體固結沉降變形進行計算與控制。為簡化問題，路基處理范圍（灰土墊層+擠密樁）內認為濕陷性已全部處理，把該部分簡化為一剛體（沒有變形）。將車輛荷載、路面結構、墊層和擠密樁視為附加在現狀土體上的附加荷載，計算附加荷載引起路基影響范圍內的沉降變形。計算全部填土范圍內隨時間固結沉降量，使工程建設的附加荷載引起沉降變形量與填土隨時間固結沉降量之和小于《公路路基設計規范》所確定變形量。

2.1 地基應力計算

根據地勘資料反映，在高填方區，土質全為黃土，具有IV級濕陷性。整個工程地質問題是：濕陷性+填筑土欠固結性[4]。

2.1.1 地基附加應力

工程設計路基處理方案是：1.5 m灰土墊層+15.0 m灰土擠密樁處理，見圖7。

圖7 路基處理圖（單位：m）

道路建成后，車輛荷載、路面結構層荷載和灰土擠密樁形成附加荷載為路基的附加荷載見表1，其形成應力為附加應力，具體計算結果見表2。

表1 路基附加荷載計算表

表2 附加荷載在路基中引起應力

2.1.2 路基自重應力計算

根據大填方區TJ03孔的《土工試驗成果報告表》相關資料，計算BxL矩形的中心點處下方自重應力，具體計算結果見表3。

表3 自重應力計算表

地基受壓層度確定：根據相關規范內容[4]，路基沉降量計算深由附加應力與自重應力的比值確定，見圖8。

圖8 路基應力圖

σ=0.2σzz對應深度為沉降量計算深度Zn。最后確定路基受壓層深度Zn=14.25 m。

2.2 路基沉降量計算

2.2.1 附加應力與自重引起路基沉降量計算

根據現場地勘工作取樣深度及土工試驗成果報告的資料統計，計算地基在附加荷載與自重下沉降變形量,見表4。

表4 地基沉降計算表

因工程建設路基產生沉降量為S：

2.2.2 地基隨時間沉降量計算

由于工程位于大厚度黃土填方區，在工程施工完成投入運營后，隨時間推移，地基會發生自然緩慢沉降，地基填土的固結度會逐步的提高。地基隨時間沉降長期積累，對工程危害也是較大的，在工程設計時要充分考慮到這一部分沉降。現通過地質資料計算該部分沉降量。

該項目填土層厚度為30～100 m不等，工程勘察時通過探井取樣，有土工試驗成果的填土層厚度約為40 m，通過數據分析，通過有限數據去推理和計算全填方厚度的固結沉降量,見表5。

表5 路基固結沉降計算表

根據工程特點,項目區最終沉降量為工程建設時沉降與地基隨時間沉降量之和,本項目的總沉降量為17.16 cm（工程建設沉降6.99 cm加隨時間沉降量10.17 cm）。

本工程方案設計中，初步擬定該項目設置管線檢漏溝，將管線設置在檢漏溝內。檢漏溝為鋼筋混凝土結構。根據《公路路基設計規范》[5]中關于容許工后沉降規定，本項目路基工后沉降按干線公路的二級公路的涵洞、箱涵、通道處位置計，容許工后沉降量。通過比較本項目地基總沉降量小于規范規定容許工后沉降量。

2.3 地基剩余濕陷量計算

根據工程方案，綜合考慮到工程實際情況。在進行了路基灰土擠密處理范圍內，路基濕陷性全部處理。路基處理范圍以下部分考慮到浸水的可能性，對其濕陷性量進行計算，對其對工程危害性進行評估。

根據甘肅省地方標準《大厚度濕陷性黃土場地工程處理技術規程》相關規定[6]（見表6），地基處理后的剩余濕陷量評估值△z。

表6 不同深度地基土深度浸水機率系數（a）

根據工程方案，本項目剩余濕陷量計算范圍為15～20 m、20～25 m和大于25 m三個范圍。

（1）15～20 m范圍（計算結果見表7）根據公式

表7 15～20 m范圍剩余濕陷量計算表

（2）20～25 m范圍（計算結果見表8）

表8 20～25 m范圍剩余濕陷量計算表

（3）大于25 m范圍（計算結果見表9）

表9 大于25 m范圍剩余濕陷量計算表

剩余濕陷量合計為:

考慮到路基在頂面已經進行處理（1.5 m灰土墊層+15.0 m灰土擠密樁）,處理后處理層的密實度有較大提高,降低了水滲透系數,相應透水性大大降低,形成了一個不透水層,起到了隔水層的作用。在路基全部填方區域內雖有0.45m剩余濕陷量，但其發生的濕陷的概率已大大降低，對工程可靠度是一個低概率的事件，從工程經濟與合理性方面是不值得再去用工程措施處理的。

3 對處理結果的分析

本工程方案根據濕陷性黃土不遇水浸濕承載力能滿足路基承載力需要；濕陷性對道路路基實質影響是路基變形的影響的認識。

本工程方案采用根據大厚度填土的特點（隨著填土埋深的增加土的密實性不斷增加、隨著填土深度增加受水浸濕的概率不斷降低的特點），充分利用填土特點，用合理、經濟的工程措施及有限的工程處理范圍，使路基沉降變形控制在規范容許的范圍之內，通過控制路基沉降變形解決了大厚度黃土填筑區全填筑高度范圍內黃土濕陷性問題。根據工程經驗和相關理論對處理結果進行定型與定量的分析評價。

定型分析：本工程方案在路基頂面形成一定厚度的人工地基硬殼層，該層的剛度和承載力較自然地基大大提高，給路面結構層提供了一個剛度較大、變形較小和厚度較厚路基墊層，就像橋梁的承臺一樣，起到了分散荷載，減小變形作用；處理后地基形成了一個較大厚度的路基硬殼層，形成土拱效應；路基處理達到處理路基影響范圍內的黃土的濕陷性，解決路基影響范圍內的沉降變形的問題。通過工程原理、工程經驗，處理結果達到了路基對變形和承載力的要求。

定量分析：本方案通過計算由于工程施工和運營給路基帶來附加應力所引起沉降量，計算全填方深度范圍內隨時間固結沉降所引起沉降量，使路基全填方厚度范圍內的沉降量小于規范所容許的范圍。以數據說話定量分析、定量的控制了道路路基沉降變形，使路基的沉降處于可控、允許的范圍內。

4 結語

（1）抓住了濕陷性問題實質是路基沉降變形的問題，將處理填土濕陷性問題轉換為控制路基變形問題。

（2）充分利用大厚度填方所呈現的特點，隨著填方深度的增加土體的密實度在增加，隨著埋深的增加土體受水浸濕的概率大幅降低的特點。

（3）合理的確定路基的處理范圍，計算全填厚度內的路基沉降變形，解決全填方厚度沉降變形的問題，達到了全厚度、全面解決問題的目的。

（4）以成熟的工程技術，解決工程復雜的問題。

（5）本處理方案雖在蘭州北山低丘緩坡區域大厚度黃土填方區工程建設的一個實例，但本方案提出處理方案思路、工法具有通用性；本方案主要思路是抓住了路基濕陷性本質是路基沉除變形量，通過計算與控制路基沉降變形量確定路基處理范圍與標準，解決了過去道路路基濕陷性處理范圍與標準主要依據工程經驗、處理原則與思想雜亂的問題，使問題解決結果定型、定量可控。本方案所采用的思路與工法具有使用的普遍性。