濕陷性黃土地區(qū)高速公路施工研究

1 引言

濕陷性黃土是一種特殊土體， 在受水侵蝕后結(jié)構(gòu)會發(fā)生明顯變化，分為自重型和非自重型。 自重型在自身荷載作用下就會發(fā)生變形，非自重型需要施加一定壓力才會發(fā)生變形。

濕陷性黃土遇水易變形的特點(diǎn)，在路基施工中，易造成路基受水后整體下沉，影響路基整體施工質(zhì)量；在橋梁施工中，如位于樁基附近還會造成樁基孔坍塌的后果。 因此，高速公路在濕陷性黃土地區(qū)施工時(shí)必須妥善消除濕陷性黃土的濕陷性影響，確保高速公路路基的穩(wěn)定性。常見消除濕陷性影響的方法主要有5 種：強(qiáng)夯法、換填法、化學(xué)法、預(yù)浸法和擠密樁法[1]。

2 項(xiàng)目背景

澄韋高速公路項(xiàng)目位于陜西省渭南市，線路長度37.1 km，按照雙向四車，100 km/h 速度設(shè)計(jì)。 項(xiàng)目區(qū)濕陷性黃土主要由馬蘭黃土及頂部離石黃土構(gòu)成， 普遍分布于黃土塬地帶， 風(fēng)積層，呈黃褐或淺黃色，垂直節(jié)理發(fā)育，土體間孔隙較大，厚度介于10.0~25.4 m，自重型，具有強(qiáng)烈濕陷性。 地基土的工程性質(zhì)差，具負(fù)摩阻力，對路基工程影響較大。

3 處理濕陷性黃土的方案比選

3.1 水泥土擠密樁

錘擊沉管法水泥土擠密樁， 采用擠密樁成孔機(jī)將鋼管夯擊至設(shè)計(jì)高程，并在孔內(nèi)夯填水泥土，通過對樁間的擠密消除濕陷性影響。

1）適用范圍：適用處理深度5~15 m，含水率不大于22%，飽和度不大于65%的濕陷性黃土[2]，對周邊影響較小。

2）施工成本：處理深度5 m 時(shí)，約150~160 元/m2。

3）施工進(jìn)度：處理深度5 m 時(shí)，綜合速度約120 m2/d。

4）施工質(zhì)量：質(zhì)量效果好，施工便捷，施工過程需要控制灰劑量、孔深和壓實(shí)度，施工后頂面進(jìn)行綜合檢測，質(zhì)量控制相對簡單。

3.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法采用起重機(jī)將夯錘提升至設(shè)計(jì)夯能對應(yīng)的高程，然后通過夯錘自由落下夯擊地面的方式消除濕陷性影響。

1） 適用范圍： 適用處理深度7 m 以內(nèi)， 含水率為8%~24%，飽和度不大于60%的濕陷性黃土，因?qū)χ苓吔ㄖ镉绊戄^大，周邊有重要建筑或居民住宅的地方不適用。

2）施工成本：處理深度2.5 m 時(shí)，約45~55 元/m2；處理深度5 m 時(shí)，約50~60 元/m2。

3）施工進(jìn)度：綜合速度約800 m2/d。

4）施工質(zhì)量：質(zhì)量效果好，施工中僅控制夯沉量，施工后在頂面進(jìn)行綜合檢測，質(zhì)量控制簡單便捷。

3.3 換填法

換填法采用將基底原狀土挖除， 使用水泥土分層壓實(shí)的方式消除換填高度內(nèi)濕陷性黃土。

1）適用范圍：適用于消除3 m 深度范圍的濕陷性黃土。 施工影響較小，在周邊有重要建筑物或土體含水率過大時(shí)適用。

2）施工成本：處理深度2.5 m 時(shí)，約80~90 元/m2。

3）施工進(jìn)度：處理深度2.5 m 時(shí)，綜合速度約160 m2/d。

4）施工質(zhì)量：質(zhì)量效果好，但需要控制每一層的壓實(shí)質(zhì)量，質(zhì)量控制相對較復(fù)雜。

3.4 其他方法

1）預(yù)浸法需要大量的水，且對周邊地形影響大，易造成周邊地形地貌變化，形成沖溝或陷穴，澄韋高速公路項(xiàng)目不適用。

2）化學(xué)法一般采用硅化加固法或堿液加固法[3]，用于濕陷性黃土路基加固，適用于注入性良好的土體，在自重濕陷性敏感的地方不宜采用，且施工成本和質(zhì)量較難控制，澄韋高速公路項(xiàng)目不適用。

3.5 比選結(jié)果

1）不論是成本、進(jìn)度，還是施工便捷性，強(qiáng)夯法消除濕陷性影響都具有顯著優(yōu)勢，因此，適用范圍內(nèi)優(yōu)先選擇強(qiáng)夯法消除黃土濕陷性影響。

2）鄰近建筑物，處理深度2.5 m 時(shí)，水泥土擠密樁和換填法施工進(jìn)度相近，換填法成本較低，選擇換填施工；當(dāng)處理深度5 m 時(shí)，選擇擠密樁施工。

3）當(dāng)?shù)鼗幚砩疃取? m，路基含水率大于24%或飽和度大于65%時(shí)，進(jìn)行換填法施工。

4 強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土

濕陷性處理深度根據(jù)濕陷性等級及覆土厚度確定，以Ⅳ級濕陷性黃土路基高度大于4 m 舉例，設(shè)計(jì)夯能為3 000 kN·m。為大面積開展施工，應(yīng)進(jìn)行試夯確定夯擊指標(biāo)并檢驗(yàn)夯擊質(zhì)量。

4.1 設(shè)備選擇

采用18 t 帶透氣孔的夯錘進(jìn)行夯擊， 起重器選用25 t 起重機(jī)，根據(jù)夯擊高度= 夯擊能/ 夯錘重量，計(jì)算得出主副夯的夯擊高度17 m。

4.2 點(diǎn)位布設(shè)

強(qiáng)夯分3 遍，主副夯采用3 000 kN·m 交替夯擊，滿夯錘印搭接1/4，夯擊順序?yàn)橄冗吅笾小?/p>

4.3 強(qiáng)夯施工

1）平整場地：清理并平整施工場地，形成中間高兩側(cè)低的橫坡，開挖臨時(shí)排水溝。

2）測量放線：用灰線畫出夯點(diǎn)中心，記錄夯前地面高程。

3）起重機(jī)就位：將夯錘中線和夯點(diǎn)重合，記錄夯錘頂面高程。

4）主夯施工：將夯錘提升到17 m，讓夯錘自由落體沖擊地面，記錄錘頂高程。 起吊夯錘并重復(fù)夯擊，直至達(dá)到設(shè)計(jì)停夯標(biāo)準(zhǔn)[4]。

5）回填夯坑：將主夯夯坑回填，并標(biāo)記副夯位置。

6）副夯施工：副夯施工方法同主夯施工，澄韋高速公路項(xiàng)目實(shí)測飽和度為48%，自由水很少，主副夯之間可以不用等待空隙水壓力消失。

7）回填夯坑：將副夯夯坑回填密實(shí)。

8）滿夯施工：以主副夯夯能的1/2 進(jìn)行滿夯，滿夯時(shí)錘印重合1/4，滿夯完成后測量地面高程計(jì)算夯沉量。

4.4 質(zhì)量檢測方法

1）強(qiáng)夯后7~14 d，按照1 處/2 000 m2開挖探坑，坑內(nèi)每0.5 m 取土樣1 個(gè)，測得土樣壓實(shí)度以及壓縮和濕陷系數(shù)。

2）強(qiáng)夯后15~30 d，進(jìn)行荷載試驗(yàn)檢驗(yàn)地基強(qiáng)度，評價(jià)強(qiáng)夯效果，頻率按1 處/3 000 m2最少3 處控制。

4.5 質(zhì)量檢測結(jié)果

邀請第三方對強(qiáng)夯試驗(yàn)段挖取探井檢測壓實(shí)度、 壓縮系數(shù)和濕陷系數(shù)，并進(jìn)行荷載試驗(yàn)，土工試驗(yàn)結(jié)果見圖1~ 圖3，荷載試驗(yàn)結(jié)果見圖4。

圖1 強(qiáng)夯前后壓實(shí)度對比圖

圖2 強(qiáng)夯前后壓縮系數(shù)對比圖

圖3 強(qiáng)夯前后濕陷性系數(shù)對比圖

圖4 荷載試驗(yàn)P-s 曲線

由土工試驗(yàn)結(jié)果可知，強(qiáng)夯后壓實(shí)度有了明顯提升，壓縮系數(shù)少量降低，濕陷性系數(shù)明顯降低。 強(qiáng)夯處理后的頂面壓實(shí)度＞90%，壓縮系數(shù)＜0.55，濕陷性系數(shù)＜0.15，均滿足設(shè)計(jì)要求，達(dá)到強(qiáng)夯消除濕陷性影響的目的[5]。

由圖4 可知，地基承載力達(dá)到了200 kPa 的設(shè)計(jì)要求。

4.6 強(qiáng)夯注意事項(xiàng)

（1）強(qiáng)夯施工前應(yīng)提前做好排水措施；（2）強(qiáng)夯四周做好隔離措施，強(qiáng)夯范圍50 m 以內(nèi)嚴(yán)禁站人；（3）測量人員必須等夯錘落地后方可靠近進(jìn)行測量；（4）強(qiáng)夯施工時(shí)易造成揚(yáng)塵污染，可采用霧炮機(jī)進(jìn)行降塵處理。

5 濕陷性黃土地區(qū)施工的注意事項(xiàng)

1）濕陷性黃土地區(qū)路基施工時(shí)應(yīng)提前規(guī)劃防水以及排水措施，提前開挖臨時(shí)排水溝，路基填筑時(shí)保證每層2%~4%的橫坡，防止雨水侵蝕影響路基質(zhì)量。

2） 濕陷性黃土處理后為防止地下毛細(xì)水對路基的侵蝕，可在處理后的地基頂面設(shè)置一層40 cm 厚4%水泥土封層。

3）為防止路基外側(cè)的水對路基造成影響，地基處理范圍應(yīng)超過路基坡腳外側(cè)3 m，強(qiáng)夯段落應(yīng)在路基坡腳外側(cè)設(shè)置隔水墻。

4）濕陷性黃土受雨水侵蝕后容易產(chǎn)生較大變形，可采用陡坡比，寬平臺的方式減小雨水的匯水面積，防止對坡面造成侵蝕。

5）因濕陷性黃土受雨水侵蝕變形較嚴(yán)重，宜提前安排進(jìn)行施工，使其自然沉降。

6） 路塹段應(yīng)嚴(yán)格控制挖方平臺向平臺內(nèi)側(cè)形成4%的倒坡，防止水流沿平臺流下沖刷坡面。

7）濕陷性黃土路塹段挖深小于濕陷層厚度時(shí)需根據(jù)濕陷性等級對路床及以下部分進(jìn)行換填處理[6]。

8）因濕陷性黃土對水較為敏感，樁基施工應(yīng)采用干孔作業(yè)，不宜采用泥漿護(hù)壁，防止出現(xiàn)塌孔現(xiàn)象。

9）遇到黃土陷穴時(shí)，小而直的陷穴可采用細(xì)砂進(jìn)行回填；位于地下且走向不明的陷穴采用注漿法進(jìn)行回填； 大而深的陷穴可采用開挖導(dǎo)洞，分層回填夯實(shí)。 使用細(xì)砂或素土分層回填的需要在頂部夯填40 cm 的4%水泥土層做防水處理。

6 結(jié)語