蘭州新區(qū)濕陷性黃土地基處理*

陳海軍

(中鐵第一勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(kuò)大化都在突飛猛進(jìn)，而對于地處西北的蘭州來說，地理位置和周邊地形地貌嚴(yán)重制約著城市的發(fā)展，想要城市擴(kuò)容和經(jīng)濟(jì)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(guān)重要，經(jīng)濟(jì)價(jià)值和人文價(jià)值以及環(huán)境價(jià)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(cè)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(bǔ)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(fēng)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(yàn)［2］、理論計(jì)算［3-4］和數(shù)值模擬［5］相結(jié)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(shù)。

主要介紹了這幾種施工方法［7］:換填灰土墊層法、重錘夯實(shí)法、沖擊碾壓法、強(qiáng)夯法以及孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法等等，專門針對蘭州新區(qū)濕陷性黃土的特點(diǎn)［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(shè)計(jì)提供了技術(shù)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(yīng)根據(jù)基底下各層累計(jì)的總濕陷量和計(jì)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(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中，以緯五路濕陷性實(shí)驗(yàn)判定計(jì)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(shí)，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(fù)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(jìn)行適當(dāng)?shù)奶幚恚拍軡M足建設(shè)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(yīng)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(jié)合技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較后確定［13］。

在一般黃土地區(qū)路段，預(yù)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(cè)積水以及積水下滲。

為防止路基倆側(cè)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(yīng)進(jìn)行填平、夯實(shí)，道路兩側(cè)排水溝渠須進(jìn)行防滲加固。

在重要路段，單是防水措施不夠時(shí)，可采取以下處理方案加以處理，換填灰土墊層、重錘夯實(shí)或沖擊碾壓、強(qiáng)夯以及孔內(nèi)深層強(qiáng)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(shí)間衰減對路基壓實(shí)度的影響，在實(shí)際施工中，摻灰量根據(jù)實(shí)驗(yàn)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(jìn)行養(yǎng)生，根據(jù)不同齡期分別作EDTA 消耗量試驗(yàn)，灰劑量衰減試驗(yàn)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(yīng)致使灰劑量隨著時(shí)間的延長而逐漸減小。石灰土中發(fā)生的一系列化學(xué)反應(yīng)，提高了土體的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，由于石灰土壓實(shí)度的衰減作用，建議采用直接反映土強(qiáng)度的彎沉值進(jìn)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(shè)置棄土場，對周圍環(huán)境影響較大。

2.2 重錘夯實(shí)

重錘夯實(shí)利用重錘從高空自由下落時(shí)產(chǎn)生的沖擊能，使地面下一定深度內(nèi)土層達(dá)到密實(shí)狀態(tài)的地基處理方法。重錘夯實(shí)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(yīng)在建筑地段先行試夯。其主要機(jī)具是起重機(jī)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(shí)夯擊的最后下沉量，相應(yīng)的最少夯遍數(shù)和總下沉量。

重錘夯實(shí)的效果與錘重，錘底直徑，落距，夯擊的遍數(shù)，夯實(shí)土的種類和含水量有密切關(guān)系，合理地選定以上參數(shù)和控制土的含水量，才能達(dá)到好的夯實(shí)效果。在施工過程中，應(yīng)密切注意含水量的變化，及時(shí)對重錘參數(shù)調(diào)整，使土充分壓實(shí)，使重錘的性能得到充分發(fā)揮。因此在施工時(shí)，一方面控制土的含水量，使土在最優(yōu)含水量條件下夯實(shí);另一方面，若夯實(shí)土的含水量發(fā)生變化，則可以調(diào)節(jié)夯實(shí)功的大小。一般情況下，增大夯實(shí)功或增加夯擊的遍數(shù)可以提高夯實(shí)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(shí)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(jī)多邊形凸輪向前滾動，重心高度交替變化，在地基頂面進(jìn)行沖擊碾壓的連續(xù)作業(yè)，從而對地基產(chǎn)生強(qiáng)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(shí)度，形成一定厚度的沖碾均勻加固層，使地基土得以壓實(shí)，從而使路基的綜合強(qiáng)度與穩(wěn)定性得到全面提高，同時(shí)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(shí)深度1.5 ～2 m.

沖擊壓實(shí)實(shí)施前，必須進(jìn)行試驗(yàn)段，以獲得施工經(jīng)驗(yàn)。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(shí)應(yīng)自邊坡坡腳的一側(cè)開始，順時(shí)針或者逆時(shí)針行駛，以沖擊碾壓面中心線為軸轉(zhuǎn)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(shí)，排壓遍數(shù)和沉降量以試驗(yàn)路段確定，一般不宜少于15 遍。且現(xiàn)場施工時(shí)以沖擊輪輪跡高差小于10 mm 來控制沖擊壓實(shí)次數(shù)。每沖擊壓實(shí)4 ～5 遍地表起伏較大時(shí)，應(yīng)用平地機(jī)大致整平后，再沖擊壓實(shí)到設(shè)計(jì)壓實(shí)度。

表4 沖擊碾壓檢測項(xiàng)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(qiáng)夯和振擊的雙重效果。同強(qiáng)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(jié)構(gòu)，但可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)沖擊，施工工效比強(qiáng)夯高數(shù)倍，施工速度快。沖擊碾壓應(yīng)用于大面積濕陷性黃土地基淺層處理和黃土路堤補(bǔ)強(qiáng)壓實(shí)時(shí)更具有快速高效的優(yōu)勢。施工工藝簡單，費(fèi)用低，近年來應(yīng)用廣泛技術(shù)成熟。

本工程線位大部分位于I 級非自重濕陷性～I(xiàn)I 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(dá)到1 ～2 m 即可;并且將建道路兩側(cè)土地尚未開發(fā)。從經(jīng)濟(jì)、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(qiáng)夯法

強(qiáng)夯是指利用起重設(shè)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(yīng)力，在消除黃土地層濕陷性的情況下，從而提高地基強(qiáng)度的地基加固的方法。

強(qiáng)夯一般采用先點(diǎn)夯后滿夯的方法，地基土經(jīng)點(diǎn)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(qiáng)夯可以使土體結(jié)構(gòu)發(fā)生顯著變化，地基土再次重新得到固結(jié)，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(qiáng)夯的設(shè)計(jì)加固深度，主要考慮路段和構(gòu)造物的重要性。強(qiáng)夯的有效加固深度，可用梅納公式估算。

式中 h 為強(qiáng)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(qiáng)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(dá)10 m 左右。強(qiáng)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(qiáng)夯

孔內(nèi)深層強(qiáng)夯(DDC 功法)是通過機(jī)具成孔(鉆孔或沖孔)，后通過孔道在地基處理的深層部位進(jìn)行填料用特制重錘進(jìn)行沖、砸、擠壓的高壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密的夯擊作業(yè)，從而達(dá)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(qiáng)夯具有重錘夯實(shí)、強(qiáng)夯、土樁地基處理之優(yōu)勢，集高功能、高壓強(qiáng)、強(qiáng)擠密效應(yīng)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(jié)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(shí)際情況，依據(jù)土工試驗(yàn)數(shù)據(jù)，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)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(shí)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(shí)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(shí)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(yùn)行過程中，并未發(fā)現(xiàn)因濕陷性黃土處理不當(dāng)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(jié) 論

鑒于黃土的濕陷機(jī)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(shí)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(jié)果相對較為理想，達(dá)到了預(yù)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(yīng)根據(jù)黃土的濕陷等級和厚度以及工程重要性程度，鋪設(shè)試驗(yàn)段，結(jié)合實(shí)際情況，采取更為合理的處理方案。

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