濕陷性黃土路基不均勻沉降控制技術研究

袁 倫,張亞卿

（中交第一公路勘察設計研究院有限公司,陜西 西安 710065）

0 前言

目前，我國基礎設施發展迅速，為了更好地發展區域經濟，各地紛紛大規模修建高鐵和公路，但是在進行路線選擇時，往往不可避免地穿越部分濕陷性黃土帶，由于濕陷性黃土自身的特點，導致其容易出現不均勻沉降，進而對路面造成影響，因此針對濕陷性黃土造成的路基不均勻沉降等病害研究對于國家戰略發展有著重要意義。[1]該文對濕陷性黃土的相關特征進行簡要分析，找出造成路基不均勻沉降的主要因素，根據問題提出設計時應遵循的原則和注意事項，希望能在源頭上解決問題，為區域經濟發展做出貢獻。

1 濕陷性黃土的相關特征

1.1 濕陷性黃土的判定標準和主要特征

濕陷性黃土的判定是由多種因素共同決定的，主要是根據該黃土層的地質年代、成因等因素，再結合有關物理知識對黃土的性質進行分析，通過相互之間驗證、分析，最終確定是否屬于濕陷性黃土[2]。一般情況下，在完成初步黃土土質鑒別后進行取樣，對取樣黃土進行加壓提高密度，完成相關工作后，開始壓縮黃土進行浸水試驗，通過濕陷公式對黃土的濕陷性進行最后的判定。濕陷性黃土主要顏色為黃色，形狀主要以顆粒和粉粒為主，并且可以通過肉眼進行直接觀察。

1.2 濕陷性黃土的成因

濕陷性黃土主要是在一定壓力下形成的一種特殊土質，主要特點是在經過水浸泡后土體結構迅速被破壞，導致發生明顯的下沉現象。濕陷性黃土根據成因還可以分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土，主要區分方式就是通過浸泡水之后，在自重作用下是否出現明顯的下沉現象。

2 濕陷性黃土路基產生不均勻沉降的主要影響因素

2.1 斜坡地基坡度

根據有限元軟件FLAC-3D對不同地基坡度條件下的沉降量進行模擬，當坡度分別為 1∶3、1∶3.5、1∶5 時，路堤以及路堤填挖交界處的沉降量都隨著坡度的增加而增大，都超過相關規范要求的數值。由于山區地理條件的限制，山區公路都會存在一定的坡度，導致山區公路在長期受到荷載作用時更容易發生路基不均勻沉降的現象[3]。

2.2 壓實度不均勻

路基的壓實度也會對道路的不均勻沉降產生影響。一般情況下，由于路基邊緣的限制，導致兩側的壓實度低于路中心的壓實度，使得整個路基的壓實度水平不一致，在長期荷載作用下會出現明顯的不均勻沉降，并且在雨水滲透路基時表現的則更加明顯，一旦沉降量過大，直接導致路基失穩。而路基的壓實程度主要受土體本身特性（粒徑大小、級配、密度等）、壓實機械性能以及施工工藝（壓實次數、松鋪厚度等）等參數的影響。

2.3 路堤高度

根據PLAXIS模擬分析結果可知，隨著路基填筑高度的增加，路基水平和豎直兩個方向的位移量也逐步增加，呈現出豎向位移大于水平位移的特點，這就要求進行高填土作業時，也要相對應的提高路基的剛度和穩定性，以防路基失穩而導致路面坍塌。另一方面，進行高填土作業時，由于填土都比較大，會產生較大附加應力，因此對路基的剛度和穩定性提出了更高的要求。

2.4 路基剛度的差異

理論上，當路基壓實度、各種填料及地基土質均勻、地基承載力等各項指標均滿足相關設計要求時，路基不會出現不均勻沉降等病害。但是在實際中，由于沿路線的縱斷面或橫斷面中的任一方向出現較大的剛度差異，再加上填土自重以及行車荷載作用下，路基會出現沉降等病害，影響路面結構穩定性。

2.5 水的影響作用

水是導致路基出現損壞的最主要因素，沒有水的作用路基通常情況下不會發生破壞。路基受水的影響主要體現在兩個方面：

一是雨水對路基邊坡的沖刷，容易使坡面出現損壞，并且水下滲時將會使路基產生不均勻沉降，嚴重影響道路使用安全。

二是水的滲透作用，路基與斜坡地基交合處或路基內部出現滲水，導致水含量的增加，使得該區域內土體的物理力學性質降低，十分不利于路基的穩定性。

三是干濕循環也會造成濕陷性黃土出現不均勻沉降，研究表明，由于受地下水、地表水和自然降水的作用，干濕過程會對黃土結構、強度和濕陷變形造成較為明顯的影響。研究人員發現，在對黃土進行多次干濕循環后，壓實黃土的基質吸力減小、壓縮系數會增大、強度降低，最終會導致黃土出現濕陷性不均勻沉降，嚴重影響路基穩定性。

四是黃土中存在大量可溶性鹽，經對某地區黃土進行成分分析，易溶性鹽Na2CO3、Na2SCO3、Na2SCO3、Na2SO4等占到質量分數的九成以上，首先是黃土中的碳酸鈣可能會以薄膜膠的形式存在，遇水使得土體抗剪強度顯著降低；其次是濕陷性黃土中都含有水溶鹽，顆粒間存在著加固凝聚力，它遇水后降低又或消失，引起了濕陷時顆粒的滑移；最后濕陷性黃土中的黏土顆粒遇水會發生膨脹，使得土體強度降低[4]。

3 濕陷性黃土路基不均勻沉降控制設計原則和注意事項

3.1 明確路基路面設計原則

（1）因地制宜開展設計工作，堅決避免生搬硬套別的設計方案。在進行設計之前應多次實地考察收集現場資料以及當地水文地質，分析這些影響因素可能會對路基造成的影響，提前制定措施進行規避，避免沒有經過實際考察直接使用別的項目的設計方案。

（2）提升易損部位的設計質量。對于擋墻、橋臺、路橋連接部位等容易出現破壞的薄弱部位，在進行設計時綜合考慮破壞因素，通過科學有效的設計方案提升這些薄弱部位的穩定性。

（3）加強對高填方土和軟弱地基的沉降量的控制。對于高填方土和軟弱地基而言，容易出現不均勻沉降等病害，因此在進行設計時，應對它們的沉降量進行有效控制，一般路段應控制在30 cm以內，特殊部位則要控制在10 cm以內，確保路基的穩定性才能進行上部結構的建造。

（4）由于需要對不良地質路段進行較長時間的沉降觀測，可以通過對比分析路橋結合部位的各種設計方案，選出最為合理的設計方案，確定路基設計方案。

（5）高填方路基進行優化設計。由于高填方路基設計工程量較大，因此結構的穩定性難以得到有效控制，并且會對周邊環境造成十分不利的影響，所以在進行高填方路基設計時，應在保證路基設計質量的同時，始終貫徹可持續發展理念進行設計。

3.2 科學設計路基路面結構

路基路面設計的科學性直接影響路基路面的承載力和強度，關乎道路行車安全。通常情況下可以采取混凝土搭板與土工格柵鋪設等方式對路橋連接部位、軟土路基地段、高填方路基段等部位進行加固，保證這些部位剛度滿足設計和規范要求。

對于軟弱地基土進行路基結構設計，應結合路基設計深度和土體的各項力學性質等因素，合理選擇加固方案（固化、換填、樁基礎等）改善土體的承載力，確保路基路面的結構穩定性，避免出現各類沉降問題。

3.3 合理選用路基路面材料

路基路面材料的合理選用也能有效提高結構的穩定性，因此設計人員進行設計時在考慮當地實際施工條件基礎上選擇合適的材料，保障設計質量。一是做好道路所在區域的地質考察工作，明確當地地質結構和土質條件，通過對比分析，選擇最適合的材料，最大限度的保證路基路面強度。二是進行材料選擇時應著重考慮材料的防水性，在具有良好的防水性情況下比較材料的彈性和拉伸強度，從材料上避免路基出現各類水損壞。

3.4 優化路基路面排水設計

水是造成路基產生不均勻沉降最主要的因素，由于設計的不合理導致部分路面出現長期積水的現象，從而降低路基的穩定性，嚴重威脅路面行車安全。因此在進行路面排水設計時，應明確可能出現積水的路段，并在這些特殊路線合理設置排水設施，避免出現積水現象，保證路面排水設計的合理性。主要采取措施有以下幾個方面，一是合理設置出水口數量、間距、尺寸、高度等，使雨水及時排出路面避免出現積水。二是路面坡度設計合理，使水流能夠流向兩側低洼地區，隨之排放至相關市政管道。三是路基材料應選用滲透性和防水性較好的材料，保證路面不出現積水，降低水對路基路面造成的不利影響[5]。

3.5 濕陷性黃土路基設計時的注意事項

（1）通過合理控制斜坡地基上部荷載的大小和增強地基承載力等措施，有效杜絕由于路基承載力不足而出現的破壞。

（2）降低地基剪應力，限制水平位移，采取措施控制地面坡度，避免坡度進一步增加致使地基沉降量增加。

（3）采用強夯法對地基土層進行處理，增加路基的強度和承載力。

（4）路基填筑時應使填筑土方進行均勻壓實，避免出現壓實不均勻而導致的路基損壞。

（5）填挖交界處坡度較緩時，應用挖臺階填土的方式進行穩固處理；填挖交界處坡度較陡時，應用土工格柵加筋技術，提升土體穩定性。

（6）根據濕陷性黃土的特殊性，在進行路基排水設計時應做好防水和排水工作，避免雨水對地基的滲透。

4 濕陷性黃土路基不均勻沉降的監測和處理

4.1 濕陷性黃土路基不均勻沉降的監測

4.1.1 沉降檢測布置和方法

路基沉降觀測方法選用時應根據地理條件、實際工況等進行綜合選擇。對路基沉降觀測采取沉降板對路基不均勻沉降進行監測。該次監測共設四個橫斷面長期監測，每個橫斷面上有三個監測點，分別位于路基中心和兩側。如圖1所示，為沉降觀測點布置。

圖1 沉降觀測點布置圖

設備埋深和沉降板：沉降板為60.0×60.0×1 cm的鋼板，沉降板中心焊接直徑2.5 cm鋼筋，鋼筋長60.0 cm。在選定的四個沉降觀測點放置沉降板，放置位置為橫斷面上的三個監測點，放置沉降板時應保證沉降板之間水平，外露鋼筋平行于垂線。如圖2所示，為沉降板埋設示意圖。

圖2 沉降板埋設示意圖

4.1.2 沉降觀測頻率

路基的沉降速率對路基穩定性有著至關重要的影響，因此對路基沉降觀測頻率有著嚴格要求，沉降觀測頻率應滿足表1的相關規定。

表1 路基觀測頻率

4.1.3 沉降控制要求

我國《公路路基設計規范》中對路堤的沉降量有著明確的規定，如表2所示。

表2 路堤的沉降穩定標準

4.2 濕陷性黃土路基不均勻沉降的處理方法

由于濕陷性黃土的特殊性，因此在對濕陷性黃土進行處理時，要結合不同的地質條件、施工方法、經濟性進行綜合考量，最終確定最佳的處理方案，提高路基承載力和穩定性[6]。

對于需要挖方的路段，當出現濕陷性黃土的路基沉陷問題時，可以采用重錘夯實、沖擊碾壓等手段進行處理；當自重濕陷性黃土出現路基不均勻沉降問題時，可以采用灰土擠密樁、強夯的處理方法；對于填方路段來說，可以采用重錘夯、強夯、灰土擠密樁或灰土墊層的處理方法。

5 結語

綜上所述，由于濕陷性黃土的特殊性導致容易出現路基的不均勻沉降現象，因此在進行濕陷性黃土路基設計時，應從明確路基路面設計原則、路面結構、使用材料和排水設計等方面入手，通過合理、科學的設計方案有效減小濕陷性黃土對路基的影響，最大限度提升路基設計效果，保障道路穩定性和安全性不受破壞。