陳海軍

(中鐵第一勘察設計院集團有限公司，陜西 西安710043)

0 引 言

濕陷性黃土地基的處理是巖土工程界的一大重要課題，尤其對于西北黃土高原范圍內(nèi)的人們來說，研究并且處理好了濕陷性黃土地基的沉降問題，對于高度現(xiàn)代化的社會生活具有的良好的社會意義和環(huán)境效益。隨著社會的發(fā)展，對于城市的擴大化都在突飛猛進，而對于地處西北的蘭州來說，地理位置和周邊地形地貌嚴重制約著城市的發(fā)展，想要城市擴容和經(jīng)濟發(fā)展，就得謀求更為廣闊的空間，蘭州新區(qū)位于蘭州市北部，作為第5 個國家級新區(qū)，“四縱四橫”，連接河西走廊，是通往新疆中亞的一個戰(zhàn)略通道和物流通道。而對于將要建成的新區(qū)道路來說，最迫切的問題是怎樣處理好具有濕陷性黃土的地基處理，這對于交通樞紐來說，無疑至關重要，經(jīng)濟價值和人文價值以及環(huán)境價值無法估量。

蘭州新區(qū)市政道路工程位于蘭州市北部永登縣秦王川盆地及山前丘陵地帶。秦王川盆地，面積約470 km2，南北長40 km，東西最寬處16 km，地形上屬烏鞘嶺南坡的斷陷低地，地勢北高南低，海拔1 850 ～2 300 m.秦王川盆地為干旱盆地，多為季節(jié)性流水溝谷，暴雨季節(jié)才有洪水下泄。年平均降雨量390.2 mm，年最大降雨量452.1 mm，年平均蒸發(fā)量1 825.7 mm. 第四系潛水由北部及東西兩側向低洼處滲流發(fā)育，埋深淺，水位在0.2 ～1.6 m 之間，含水層為砂礫，由大氣降水、灌溉水及泉水補給，水質(zhì)差。

盆地內(nèi)主要為洪積平原所占據(jù)，其間有壟崗狀殘臺和個別殘丘分布，平原由北向南傾斜，地面坡度10% ～15%，橫向上地形平坦，切割甚微。地表表層為沖洪積平原新黃土，黃土厚度小，一般在5 m 以內(nèi)，具Ⅰ級非自重濕陷性或Ⅱ級自重濕陷性［1］;山前丘陵地帶地形起伏大，表層為沖洪積或風積新黃土，厚度一般在10 ～25 m 之間，普遍具Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性。

目前國內(nèi)外對于濕陷性黃土的研究日趨成熟，濕陷性黃土地區(qū)路基沉降是路基施工期間和道路建成后出現(xiàn)的一種常見現(xiàn)象。路基不均勻沉降必然會引起路面的凹凸不平，對行車安全不利。各種公路鐵路以及市政道路對于濕陷性黃土地基處理，通過現(xiàn)場調(diào)查研究、大型室內(nèi)外試驗［2］、理論計算［3-4］和數(shù)值模擬［5］相結合等方法，創(chuàng)建針對性理論模型［6］，研發(fā)了濕陷性黃土地區(qū)路基沉降控制的成套技術。

主要介紹了這幾種施工方法［7］:換填灰土墊層法、重錘夯實法、沖擊碾壓法、強夯法以及孔內(nèi)深層強夯法等等，專門針對蘭州新區(qū)濕陷性黃土的特點［8］，量身制定出適合其本身的地基處理方案。解決了濕陷性黃土地區(qū)路基沉降控制難題，為優(yōu)化和完善路基設計提供了技術支撐，節(jié)約了工程投資。

1 濕陷性黃土理論

1.1 濕陷等級

濕陷性黃土地基的濕陷等級［9］，應根據(jù)基底下各層累計的總濕陷量和計算自重濕陷量的大小等因素判定(見表1)。

表1 濕陷性黃土地基濕陷等級Tab.1 Collapsible level of collapsible loess foundation

1.2 工程濕陷等級判定

在新區(qū)的各條道路眾多的實驗數(shù)據(jù)中，以緯五路濕陷性實驗判定計算數(shù)據(jù)為代表，作為濕陷性地基處理采取不同措施的依據(jù)(見表2)。

表2 濕陷性黃土判定表［10］Tab.2 Loess decision table

1.3 地基處理深度

道路通過濕陷性黃土或壓縮性較高的黃土地段時，可根據(jù)路堤填土高度、受水濕浸的可能性及濕陷后危害程度和修復的難易程度［11］，按下表確定濕陷性黃土處理深度。

表3 濕陷性黃土地基處理深度Tab.3 Treatment depth of collapsible loess foundation

本工程主要為城市I 級主干道［12］，對濕陷性黃土須進行適當?shù)奶幚恚拍軡M足建設工程的需求。

2 工程處理方案研究

濕陷性黃土地區(qū)地基的處理方案應主要考慮黃土濕陷等級、道路等級、施工條件和材料來源，再結合技術經(jīng)濟比較后確定［13］。

在一般黃土地區(qū)路段，預防自重濕陷性黃土所產(chǎn)生的病害，主要措施就是防止路基倆側積水以及積水下滲。

為防止路基倆側積水及其下滲，在路基坡腳外一定寬度范圍內(nèi)，整平地表以不使其積水，對積水洼地和地表裂縫應進行填平、夯實，道路兩側排水溝渠須進行防滲加固。

在重要路段，單是防水措施不夠時，可采取以下處理方案加以處理，換填灰土墊層、重錘夯實或沖擊碾壓、強夯以及孔內(nèi)深層強夯等方法，來對路堤基底及坡腳外一定寬度范圍內(nèi)的濕陷性黃土地基加以處理［14］。

2.1 換填墊層法

于路堤基底或路床部位換填30 ～120 cm 厚6%石灰土來加固濕陷性地基的處置方法。由于石灰劑量隨時間衰減對路基壓實度的影響，在實際施工中，摻灰量根據(jù)實驗確定，根據(jù)已經(jīng)確定的最大干密度和最佳含水量選取6%石灰劑量的穩(wěn)定土配置試件，取用現(xiàn)場施工條件對已配置的試件進行養(yǎng)生，根據(jù)不同齡期分別作EDTA 消耗量試驗，灰劑量衰減試驗數(shù)據(jù)經(jīng)分析處理后如圖1 所示。

圖1 石灰劑量衰減曲線圖Fig.1 Lime dose attenuation curve

究其原因是由于石灰土中的氧化鈣與土體孔隙中的CO2和H2O 產(chǎn)生碳化反應致使灰劑量隨著時間的延長而逐漸減小。石灰土中發(fā)生的一系列化學反應，提高了土體的強度和穩(wěn)定性，由于石灰土壓實度的衰減作用，建議采用直接反映土強度的彎沉值進行檢測評定。

換填墊層法需要開挖回填土方，施工周期相對較長，須設置棄土場，對周圍環(huán)境影響較大。

2.2 重錘夯實

重錘夯實利用重錘從高空自由下落時產(chǎn)生的沖擊能，使地面下一定深度內(nèi)土層達到密實狀態(tài)的地基處理方法。重錘夯實法適用于地下水距地表面0.8 m 以上稍濕的一般粘性土、砂土、濕陷性黃土等。

正式施工前，一般應在建筑地段先行試夯。其主要機具是起重機和重錘，重錘為一截頭的圓錐體，夯錘重量不小于15 kN，錘底直徑約為0.7 ～1.5 m，落距為2.4 ～4.5 m 以及最優(yōu)含水量。以便確實夯擊的最后下沉量，相應的最少夯遍數(shù)和總下沉量。

重錘夯實的效果與錘重，錘底直徑，落距，夯擊的遍數(shù)，夯實土的種類和含水量有密切關系，合理地選定以上參數(shù)和控制土的含水量，才能達到好的夯實效果。在施工過程中，應密切注意含水量的變化，及時對重錘參數(shù)調(diào)整，使土充分壓實，使重錘的性能得到充分發(fā)揮。因此在施工時，一方面控制土的含水量，使土在最優(yōu)含水量條件下夯實;另一方面，若夯實土的含水量發(fā)生變化，則可以調(diào)節(jié)夯實功的大小。一般情況下，增大夯實功或增加夯擊的遍數(shù)可以提高夯實的效果。地下水水位距離地表小于0.8 m 或飽和軟土不宜用重錘夯實法。此法對土的含水量要求比較高，否則處理效果差且施工周期較長。

2.3 沖擊碾壓

沖擊碾壓是利用沖擊壓路機多邊形凸輪向前滾動，重心高度交替變化，在地基頂面進行沖擊碾壓的連續(xù)作業(yè)，從而對地基產(chǎn)生強大的沖擊力。隨著沖擊碾壓遍數(shù)的增加，由上至下碾壓而增加密實度，形成一定厚度的沖碾均勻加固層，使地基土得以壓實，從而使路基的綜合強度與穩(wěn)定性得到全面提高，同時消除黃土地表土層的濕陷性。沖擊碾壓的影響深度一般在4 m 左右，有效壓實深度1.5 ～2 m.

沖擊壓實實施前，必須進行試驗段，以獲得施工經(jīng)驗。淺層軟弱地基碾壓前做好地表土的含水量檢測。沖擊碾壓時應自邊坡坡腳的一側開始，順時針或者逆時針行駛，以沖擊碾壓面中心線為軸轉圈，按縱向錯輪沖擊碾壓，全路幅范圍排壓，再自行向內(nèi)壓實，排壓遍數(shù)和沉降量以試驗路段確定，一般不宜少于15 遍。且現(xiàn)場施工時以沖擊輪輪跡高差小于10 mm 來控制沖擊壓實次數(shù)。每沖擊壓實4 ～5 遍地表起伏較大時，應用平地機大致整平后，再沖擊壓實到設計壓實度。

表4 沖擊碾壓檢測項目［15］Tab.4 Impact rolling test items

沖擊碾壓兼具沖擊和碾壓2 種作用，因此具有強夯和振擊的雙重效果。同強夯相比，沖擊碾壓雖然加固深度和沖擊能較小，不易破壞土體結構，但可以實現(xiàn)連續(xù)沖擊，施工工效比強夯高數(shù)倍，施工速度快。沖擊碾壓應用于大面積濕陷性黃土地基淺層處理和黃土路堤補強壓實時更具有快速高效的優(yōu)勢。施工工藝簡單，費用低，近年來應用廣泛技術成熟。

本工程線位大部分位于I 級非自重濕陷性～II 級自重濕陷性黃土區(qū)域。蘭州新區(qū)年降雨量小，無明顯的地表徑流沖蝕路基，根據(jù)濕陷性黃土地基處理深度表，處理深度達到1 ～2 m 即可;并且將建道路兩側土地尚未開發(fā)。從經(jīng)濟、施工條件、處理深度等方面考慮，最適合采用沖擊碾壓處理濕陷性黃土地基。因此本工程推薦采用沖擊碾壓法。

2.4 強夯法

強夯是指利用起重設備將夯錘起吊到一定高度，而后利用自動脫鉤釋放重錘使其自由落下，其動能對地基土施加很大的沖擊能，在地基土中形成沖擊波和動應力，在消除黃土地層濕陷性的情況下，從而提高地基強度的地基加固的方法。

強夯一般采用先點夯后滿夯的方法，地基土經(jīng)點夯后，承載力提高，最后采用小夯擊能滿夯，使整個場地淺表層再次得到加固。強夯可以使土體結構發(fā)生顯著變化，地基土再次重新得到固結，降低了土的壓縮性，改善了土的抗液化能力，消除了濕陷性，從而提高了土層的均勻程度，減少將來有可能出現(xiàn)的差異沉降。

強夯的設計加固深度，主要考慮路段和構造物的重要性。強夯的有效加固深度，可用梅納公式估算。

式中 h 為強夯的有效加固深度，m;M 為夯錘重，kN;k 為修正系數(shù)，k =0.3 ～0.5;g 為重力加速度，m/s2.

強夯的影響深度通常在4 m 以上，隨著夯擊能增大，有效處理深度增加，最大可達10 m 左右。強夯主要用于Ⅲ級以上厚層自重濕陷性黃土、非飽和高壓縮性新近堆積黃土地基和人工松堆黃土地基的加固處理。

2.5 孔內(nèi)深層強夯

孔內(nèi)深層強夯(DDC 功法)是通過機具成孔(鉆孔或沖孔)，后通過孔道在地基處理的深層部位進行填料用特制重錘進行沖、砸、擠壓的高壓強、強擠密的夯擊作業(yè)，從而達到加固地基、消除濕陷性的目的，使地基承載性能顯著改善?？變?nèi)深層強夯具有重錘夯實、強夯、土樁地基處理之優(yōu)勢，集高功能、高壓強、強擠密效應于一體，適用于加固厚層高壓縮性濕陷性黃土地基。

3 蘭州新區(qū)濕陷性黃土處理方案結論

鑒于蘭州新區(qū)黃土的濕陷類型、濕陷等級以及濕陷性土層厚度以及低填淺挖路堤等實際情況，依據(jù)土工試驗數(shù)據(jù)，經(jīng)技術經(jīng)濟綜合比選，采取了以下幾種處理方案。

Ⅰ級非自重至Ⅱ級自重濕陷性黃土，行車道范圍內(nèi)路床采用80 cm 灰土換填和人行道范圍內(nèi)路床采用30 cm 灰土換填的方法及灰土底面以下50 cm 范圍內(nèi)翻挖重新壓實或行車道范圍內(nèi)采用沖擊碾壓和人行道范圍內(nèi)路床采用30 cm 灰土換填的方法處理措施［16］。Ⅲ～Ⅳ級自重濕陷性黃土場地，行車道范圍內(nèi)路床采用80 cm 灰土換填和人行道范圍內(nèi)路床采用30 cm 灰土換填及灰土底面以下50 cm 范圍內(nèi)翻挖重新壓實和行車道范圍內(nèi)采用沖擊碾壓和人行道范圍內(nèi)路床采用30 cm 灰土換填及灰土底面以下50 cm 范圍內(nèi)翻挖重新壓實的組合處理方案，在新區(qū)的多條市政道路施工中，對濕陷性黃土采取了灰土換填和沖擊碾壓的組合處理方案，在后續(xù)的道路運行過程中，并未發(fā)現(xiàn)因濕陷性黃土處理不當而引起的路基病害，對相鄰工程的借鑒意義也已不言而喻。

4 結 論

鑒于黃土的濕陷機理，通過對黃土濕陷等級及深度的分析判定，介紹了濕陷性黃土地基處理的幾種處理方案，針對蘭州新區(qū)市政道路的實際情況，采取了不同的地基處理組合方案，對濕陷性黃土的處理結果相對較為理想，達到了預期的效果。在新區(qū)的其他各條道路中，不同程度的采取了灰土換填和沖擊碾壓及其組合的處理方案，暫未出現(xiàn)次生路基病害。在相鄰工程中，應根據(jù)黃土的濕陷等級和厚度以及工程重要性程度，鋪設試驗段，結合實際情況，采取更為合理的處理方案。

References

［1］ 北京市勘察院.CJJ56 -94 市政工程勘察規(guī)范［S］.北京:中國計劃出版社，1994.Beijing Geotechnical Institute.CJJ 56 -94 code for municipal engineering investigation and surveying［S］.Beijing:China Planning Press，1994.

［2］ 朱武衛(wèi).濕陷性黃土場地上大直徑灰土擠密樁實驗研究［D］.西安:西安建筑科技大學，2008.ZHU Wu-wei.The loess soil compaction venues large diameter pile experimental study［D］.Xi’an:Xi’an University of Architecture and Technology，2008.

［3］ 高國瑞.黃土濕陷變形的結構理論［J］. 巖土工程學報，1990(4):1 -9.GAO Guo-rui. High glory collapsibility deformation structure theory［J］. Journal of Geotechnical Engineering，1990(4):1 -9.

［4］ 高國瑞.蘭州黃土顯微結構和濕陷機理的探討［J］.蘭州大學學報，1979(2):123 -134.Gao Guo-rui. Discussion Lanzhou loess microstructure and collapsible mechanism［J］.Journal of Lanzhou University，1979(2):123 -134.

［5］ 余學義，尹士獻，趙兵朝.采動厚濕陷性黃土破壞數(shù)值模擬研究［J］.西安科技大學學報，2005(2):135 -138.YU Xue-yi，Yin Shi-xian，ZHAO Bing-chao. Mining thick loess numerical simulation of damage［J］. Journal of Xi’an University of Science and Technology，2005(2):135 -138.

［6］ 賈嘉陵，孫國富，鄧 坤.濕陷性黃土地層二元結構本構模型［J］. 西安科技大學學報，2009(2):180 -184.JIA Jia-ling，SUN Guo-fu，DENG Kun.Constitutive model of dualistic structure of collapsed loess［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2009(2):180 -184.

［7］ 支喜蘭.黃土地區(qū)公路路基地基承載力評價方法研究［D］.西安:長安大學，2006.ZHI Xi-lan. Research on evaluation method of highway subgrade bearing capacity of foundation loess area［D］.Xi’an:Chang’an University，2006.

［8］ 程海濤.路堤荷載下軟黃土復合地基作用機理及承載特性研究［D］.西安:長安大學，2008.CHENG Hai-tao.Mechanism and load characteristics of soft loess composite foundation under embankment［D］.Xi’an:Chang’an University，2008.

［9］ 中交第二公路勘察設計研究院.JTG D30 -2004 公路路基設計規(guī)范［S］.北京:人民交通出版社，2004.Second Highway Survey and Design Institute. JTG D30-2004 specifications for design of highway subgrades［S］.Beijing:People’s Communications Press，2004.

［10］交通部公路科學研究院.JTJ E40 -2007 公路土工試驗規(guī)程［S］.北京:人民交通出版社，2007.Research Institute of Highway Ministry.JTJ E40 -2007 test methods of soils for highway engineering［S］. Beijing:People’s Communications Press，2007.

［11］樊懷仁，郭 睿.關中地區(qū)黃土濕陷性影響因素分析［J］.西安科技大學學報，2003(2):160 -163.FAN Huai-ren，GUO Rui.Guanzhong area of collapsible loess influencing factors［J］.Journal of Xi’an University of Science and Technology，2003(2):160 -163.

［12］中建標公路委員會.JTG B01 -2003 公路工程技術標準［S］.北京:人民交通出版社，2004.China Association for Engineering Construction Standardization Committee of Highway Engineering. JTG B01-2003 technical standard of highway engineering［S］.Beijing:People’s Communications Press，2004.

［13］陜西省計劃委員會. GB50025 -2004 濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.Shaanxi Provincial Planning Commission. GB50025 -2004 code for building construction in collapsible loess regions［S］. Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2004.

［14］交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊［M］.北京:人民交通出版社，1996.Second Highway Survey and Design Institute of the Ministry of Communications. Highway design manual［M］.Beijing:People’s Communications Press，1996.

［15］中交第一公路工程局有限公司.JTG F10 -2006 公路路基施工技術規(guī)范［S］. 北京:人民交通出版社，2006.CCCC First Highway Engineering Bureau Co.，Ltd..JTG F10 -2006 technical specifications for construction of highway subgrades［S］. Beijing:People’s Communications Press，2006.

［16］ 北京市市政工程設計研究總院. CJJ 37 -2012 城市道路工程設計規(guī)范［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012.Beijing Municipal Engineering Design ＆ Research Institute.CJJ 37 -2012 code for design of urban road engineering［S］. Beijing:China Architecture ＆ Building Press，2012.