高速公路非自重濕陷性黃土路基加固處理方案優(yōu)選

鄭久碩 劉寶慶 呂亮

摘要：針對某高速公路路基工程中存在的非自重濕陷黃土地質(zhì)，分析該地質(zhì)對設(shè)計、施工及使用的危害性。取3種濕陷性黃土地基的加固處理方法，在4個方面進行對比優(yōu)選，最終確定以強夯法來處理標段內(nèi)的地基，并給出了相應(yīng)的施工方案。

關(guān)鍵詞：非自重濕陷性黃土；強夯法；換土墊層；擠密灰土樁

1、引言

隨著我國高速公路的飛速發(fā)展，濕陷性黃土一直是危害道路建設(shè)與使用的災(zāi)害性地質(zhì)。濕陷性土是指在上覆土層自重應(yīng)力作用下，或者在自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下，因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的土，屬于特殊性土。有些雜填土也具有濕陷性。廣泛分布于我國東北、西北、華中和華東部分地區(qū)的黃土多具濕陷性。由于設(shè)計施工人員對濕陷性黃土危險性估計不足，經(jīng)常發(fā)生道路結(jié)構(gòu)物沉陷和道路路面破壞。濕陷性黃土地基處理方法主要基于加密土體、改變荷載傳遞方式和土體加固等理論基礎(chǔ)。國內(nèi)許多學(xué)者對于改良濕陷性黃土地基展開了研究，大量研究人員將強夯法用于處理濕陷性黃土地基。

本文就某高速公路路基工程存在的非自重濕陷性黃土問題，通過分析比選幾種地基處理方案，優(yōu)選提出適合于該工程的施工方案。

2、工程概況

2.1 工程概述

本工程位于太行山余脈東麓井陘縣境內(nèi)，地面海拔320～480m，山巒起伏、溝谷相連；線路途經(jīng)微水鎮(zhèn)、南王莊鄉(xiāng)，起點樁號K23+305，終點里程K31+613，全長8.308km。其中路基總長度4916m，采用兩幅分離式路基，路面寬度12.25m，雙線四車道，設(shè)計時速80Km/h。

2.2 工程地質(zhì)條件

通過在路段范圍打樁勘察得出，路段存在非自重濕陷性黃土，為風(fēng)成馬蘭黃土，濕陷性輕微，影響深度在5m左右。非自重濕陷性黃土的性質(zhì)：其物理性質(zhì)表現(xiàn)為自然狀態(tài)下密度為1.5T/m3～1.6T/m3，自然空隙率較大，與其他土質(zhì)相比在自重作用下不會發(fā)生自然沉降；化學(xué)性質(zhì)體現(xiàn)為非自重濕陷性黃土自身含有細小的氯化鈉、氯化鉀、氯化鈣等晶體，這些晶體存在化學(xué)鍵作用，土質(zhì)本身無法在自身的自重下發(fā)生沉陷變形，但是在遇水后，土質(zhì)晶體溶解，化學(xué)鍵隨之消失導(dǎo)致黃土自身出現(xiàn)沉陷變形，當(dāng)土體水分蒸發(fā)完成之后，又重新生成化學(xué)晶體使土體發(fā)生微膨脹。

3、地基加固處理方法

在高速公路建設(shè)中，對非自重濕陷性黃土地基進行加固勢在必行，其加固處理方法一般有以下幾種：換土墊層法、強夯法、擠密灰土樁法等。

3.1換土墊層法

換土墊層法是以一種低壓縮性土代換高壓縮性土，通過外界壓實機械做功來達到提高地基承載力，減少基礎(chǔ)沉降。

換土墊層法主要包括灰土墊層和土墊層。當(dāng)僅要求消除基底下1～3 m濕陷性黃土的濕陷量時，根據(jù)規(guī)范宜采用局部（或整片）土墊層進行處理，當(dāng)同時要求提高墊層土的承載力及增強水穩(wěn)性時，根據(jù)規(guī)范宜采用整片灰土墊層進行處理。

土墊層的施工質(zhì)量， 應(yīng)用壓實系數(shù)λc控制，并應(yīng)符合規(guī)范的以下要求：厚度小于3 m的土墊層，不應(yīng)小于0.95；超過3 m的部分不應(yīng)小于0.97。

3.2 強夯法

強夯法是通過重錘的自由落下產(chǎn)生強大的沖擊能作用在地基之上，對土體進行強力夯實，使土體產(chǎn)生較大的瞬間沉降，減少土體60%的孔隙，提高土體強度2倍～3倍，降低土體壓縮性，特別是對非飽和土加固效果顯著，該方法設(shè)備簡單、原理直觀、適用廣泛，也稱動力固結(jié)法。

強夯結(jié)束后檢測判定它的有效加固深度是否達到設(shè)計和規(guī)范要求，因為有效加固深度的主要原則是消除濕陷性，也就是以δs<0.015作為主要的判別指標。所采用的檢驗手段主要采用探井取不擾動土試樣進行檢測，當(dāng)這一指標達到設(shè)計和規(guī)范的要求后。一般情況下對承載力的要求等也均可滿足。但由于其過大的噪聲及振動，在很多城市是限制強夯法的使用。

3.3 擠密灰土樁法

擠密灰土樁法是在基礎(chǔ)平面位置按設(shè)計方案和規(guī)范的要求布置樁孔并成孔，然后按最優(yōu)含水量下的灰土分層填入樁孔內(nèi)，并分層夯（搗）實至設(shè)計標高為止。通過向土層中擠壓成孔或樁體夯實過程中的橫向擠壓作用，迫使樁孔內(nèi)的土體側(cè)向擠出，樁間土得以擠密，使得樁周范圍的土體受到擾動，壓縮和重塑，當(dāng)樁周土被擠密到一定的壓實系數(shù)時，則沿樁孔深度范圍內(nèi)土層的濕陷性就會消失。

其次，由于灰土樁受壓時樁身壓縮變形使樁頂面產(chǎn)生沉降，而灰土樁本身具有一定的膠凝強度，地基處理是通過灰土樁的高強度置換來提高地基的承載力。如果當(dāng)局部樁頂壓裂后，因灰土塊體間存在摩擦力和膠合力，故仍可與樁間擠密土協(xié)同工作，復(fù)合地基仍可維持整體穩(wěn)定性（圖1）。

4、處理方案比選

下面將依據(jù)工程實例對第三節(jié)所提三種方法進行四個方面的比較。

4.1 工程造價

以非自重濕陷性黃土地基處理面積為10000m2為例，換土墊層法63.4萬元>擠密灰土樁法48.89萬元>強夯法13萬元，顯然強夯法為三種非自重濕陷性黃土處理方法中最為經(jīng)濟的一種施工方法。

4.2 施工進度

同樣的處理面積，換土墊層法施工時間最短為9，其次是強夯法17.3d，最慢是擠密灰土樁法51.4d。

4.3 施工簡易程度

強夯法在施工中有著無比優(yōu)越的優(yōu)勢，首先，強夯法在強夯機械到位之后，只需要對現(xiàn)況地表進行簡單的推平處理就可以立即投入施工，不會受到類似電力、地材等因素的制約；而無論是擠密灰土樁法、換土墊層法均需要消耗大量的地材資源、投入大量的施工機械從而消耗大量寶貴能源。在施工準備工作方面，擠密灰土樁法、換土墊層法都需要準備大量的地材物質(zhì)，相應(yīng)配套的施工機具必須全部到位方能開始施工，所以強夯法相對于其他兩種施工工法而言是比較簡便、易于操作的地基加固方法。

4.4 施工質(zhì)量控制及效果

強夯法施工質(zhì)量控制主要是沖擊過程控制，控制項目主要包括夯能控制、沖擊次數(shù)、沖擊點位設(shè)置是否符合設(shè)計要求、沖擊遍數(shù)達到設(shè)計值之后最后兩次沖擊沉陷值是否滿足設(shè)計要求等。夯能控制包括重錘的質(zhì)量和提升高度能否確保夯能滿足設(shè)計要求、現(xiàn)場旁站記錄沖擊的次數(shù)、使用水準儀量測總沉陷量和最后兩次的沉陷差值等。檢查地基承載力為第三方按照規(guī)范進行隨機取點，測試地基承載以確定經(jīng)過強夯處理的非自重濕陷性黃土段落是否滿足設(shè)計承載要求。相比擠密灰土樁法、換土墊層法而言，強夯法的優(yōu)勢主要體現(xiàn)在質(zhì)量控制過程比較直觀，復(fù)合地基承載力檢測比較簡單，數(shù)據(jù)相對準確可靠。三種方法處理之后的承載效果如下：一般情況下非自重濕陷性黃土自然狀態(tài)下的承載力為80kPa～120kPa，強夯法可以提高到170kPa～230kP（2.1倍左右）；擠密灰土樁法經(jīng)過符合地基承載力檢測，其承載力可提高到 210kPa～270kPa（2.3倍左右）；換填天然級配砂礫經(jīng)過檢測，其地基承載力為 240kPa～280kPa（2.4倍左右）。

綜合以上方法的工程造價、施工進度控制、施工簡易程度、施工質(zhì)量控制及效果四個方面的比較，強夯法在造價方面遠低于其他兩種種工法，施工速度快，施工簡單易行，地基處理效果可以滿足設(shè)計要求，質(zhì)量控制比較簡單可靠。同時考慮到工程自身條件，在標段內(nèi)出現(xiàn)非自重濕陷性黃土的路段在填筑坡腳外3米的范圍內(nèi)基底換填50cm厚4%的灰土，然后通過強重夯處理路基。

5、強夯法施工方案

強夯通過重錘的自由落下，多次重復(fù)夯地面，通過勢能轉(zhuǎn)化成動能這樣的能量轉(zhuǎn)化，形成壓縮波、剪切波和表面波等，給地基以沖擊和振動。在沖擊波的影響范圍內(nèi)，土的天然結(jié)構(gòu)遭受到一定的破壞。壓縮波使孔隙水壓力增加，使土粒錯位；剪切波和表面波使土粒受剪，土顆粒重新排列而使土變得密實。通過這樣的方式改變土的物理性質(zhì)，降低土的壓縮性和濕陷性，增加地基土的強度，提高其承載力。

5.1 施工方法

本標段路基基礎(chǔ)處理涉及兩個方面：

（1）對于填筑高度大于5m路基，填筑前對原地面進行強夯夯實，每填筑3m進行強夯補強，采用逐點與滿夯相結(jié)合的方法。

（2）本標段特殊為I級非自重濕陷性黃土，處理方式為在填筑坡腳外3米的范圍內(nèi)基底換填50cm厚4%的灰土，然后通過沖擊碾壓及強重夯處理，具體如下：

①對填筑高度I級非自重濕陷性黃土路段路基外邊緣距離現(xiàn)有建筑物L(fēng)≤100米的濕陷黃土路基采用沖擊碾壓消除影響深度范圍內(nèi)1.2m；

②對于填土高度h≤4米的級非自重濕陷性黃土路段采用夯擊能為600KN.m的重夯消除濕陷性，處理深度2m；

③對于填土高度h>4米的級非自重濕陷性黃土路段采用夯擊能為1000KN.m的重夯消除濕陷性，處理深度4m；

5.2 施工工藝

（1）本標段路基高填段基礎(chǔ)處理工藝參數(shù)：采用強夯逐點與滿夯相結(jié)合的方法，強夯夯擊能為1500KN·m，間距3.08m；滿夯夯擊能為600KN·m，四周搭接D/2，即1.25m，各層壓實度不小于96%。

（2）夯擊遍數(shù)間隔時間

為避免產(chǎn)生超孔隙水壓力、夯坑周圍出現(xiàn)較大隆起，要等超孔隙水壓力自然消散后，再夯下一遍。本標段路基基底為坡洪積粉質(zhì)黏土夾少量碎石，間隔時間按7d考慮。

5.3 施工步驟

（1）清表完成后根據(jù)編完號的夯點布置圖放出夯點位置，并灑白灰做標記；

（2）測量夯前錘頂標高，確定相對零高度；

（3）將夯錘吊到規(guī)定高度（10m），脫鉤夯錘脫落自由下落；放下吊鉤，測量錘頂標高，記錄與相對零高度差值。夯擊點中心位移偏差應(yīng)小于150mm，當(dāng)夯坑底傾斜大于30°時，將夯坑底填平后再進行夯擊。

（4）重復(fù)步驟（3），完成一個夯點的夯擊。每個夯擊點安排專人檢查和記錄夯擊能量、夯擊次數(shù)以及每次夯沉量。

（5）換夯點，重復(fù)（2）～（4）項，完成第一遍全部夯點的夯擊。

（6）在第一遍強夯完成后，用推土機將夯坑推平后，測出地面高程。

（7）強夯一遍夯擊結(jié)束1周后，按上述步驟逐點完成第二遍強夯夯擊擊數(shù)。

（8）二遍夯擊結(jié)束1周后，調(diào)整夯錘落距到4m進行滿堂夯。

5.4 單點夯擊次數(shù)控制標準

（1）強夯夯點最后兩擊的平均夯沉量不大于50mm，單點夯擊第一遍不小于4擊，第二遍不小于5擊，主、副夯后進行滿夯，滿夯夯點最后兩擊的平均夯沉量不大于20mm。

（2）夯坑周圍地面不應(yīng)發(fā)生過大的隆起；不因夯坑過深發(fā)生起錘困難。

5.5 施工質(zhì)量檢驗

（1）夯點定位允許偏差±5cm；夯錘就位允許偏差±15cm，滿夯后場地平整，平整度允許偏差±10cm。

（2）滿夯完成后將地基土推平，用大于20T的重型壓路機碾壓至地表無輪跡后檢測壓實度不小于96%。

5.6 特殊情況處理

（1）強重夯施工前，應(yīng)查明場地范圍內(nèi)的地下構(gòu)筑物和各種地下管線的及標高等，并采取必要的措施，以免因強夯施工造成破壞；

（2）對強重夯施工所產(chǎn)生的振動，為避免對鄰近建筑物或設(shè)備產(chǎn)生有害的影響，根據(jù)情況采取挖減振溝的防振措施，減振溝的一般尺寸為深3m，底寬1m，邊坡1：0.7，起始位置位于強夯外邊緣線外4m；

（3）對于地下水位較高、彈簧土、坑塘洞穴部位，導(dǎo)致施工難度大或影響施工質(zhì)量的渠段，根據(jù)具體情況上報相應(yīng)施工方案，如降水、換填等，依據(jù)批復(fù)的方案進行處理；

（4）在降雨前將夯坑推填平，并使夯擊區(qū)具有良好的排水條件；雨后對現(xiàn)場積水要立即排除。

6、總結(jié)

綜合以上理論分析，并結(jié)合工程現(xiàn)場實際施工情況，強夯法處理非自重濕陷性黃土能夠取得相對較優(yōu)的處理效果。通過對施工過程的嚴格控制，強夯法處理地基與換土墊層法、擠密灰土樁法相比，能夠減少一半以上的成本，并且能夠形成較高承載力和穩(wěn)定性，加之工藝控制難度低，設(shè)備投入簡單、工期短，是軟基處理中具有推廣價值的一種工藝，具有很好的社會效益。

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（作者單位：中建六局軌道交通公司平贊高速項目經(jīng)理部六分部）