黃土地區(qū)公路路基病害與防治研究

李漢鋒

（中國(guó)市政工程中南設(shè)計(jì)研究總院有限公司，湖北 武漢 430010）

作為一種特殊沉積物，黃土含有較多的碳酸鈣及其結(jié)晶物，具有大顆粒、大孔隙的特點(diǎn)。在實(shí)際工程項(xiàng)目中常表現(xiàn)為易溶蝕、沖刷以及濕陷性的特性。在黃土未被水浸濕前，黃土雖然具有結(jié)構(gòu)疏松、空隙發(fā)育的特性，但土質(zhì)均勻，仍具有較高的強(qiáng)度。當(dāng)水進(jìn)入黃土后，黃土的結(jié)構(gòu)在受到自重應(yīng)力以及附加應(yīng)力的影響下，極易發(fā)生破壞且會(huì)產(chǎn)生一定的附加變形，黃土的強(qiáng)度亦隨之降低[1]。在黃土地區(qū)建設(shè)的公路項(xiàng)目會(huì)出現(xiàn)多種特定且常見的病害，如在填方路基中的不均勻沉降以及過度沉陷，在路基邊坡中的崩塌、滑坡、剝落，在挖方路基中的翻漿與路基軟化，路基的基層和路面的面層出現(xiàn)裂縫。這些在黃土地區(qū)公路項(xiàng)目出現(xiàn)的常見病害，一方面嚴(yán)重威脅著道路后期運(yùn)營(yíng)的安全性，另一方面也制約著公路沿線地區(qū)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展，因此黃土地區(qū)路基病害的處治已成為迫切需要解決的問題。

1 黃土的結(jié)構(gòu)和特征

黃土的主要表現(xiàn)顏色為黃色以及褐黃色，主要組成顆粒為粉粒，約占50%～75%，其次是占比為10%～30%的砂粒。黃土的孔隙比較大，含有較多的碳酸鹽，在黃土的砂粒和粗粉粒的表面附著大量的細(xì)粉粒和黏粒，這些共同組成了黃土結(jié)構(gòu)的骨架。但在一些較大的砂粒處，只有較少的接觸連接點(diǎn)，排列疏松，使得黃土結(jié)構(gòu)具有一定的空隙。根據(jù)相關(guān)研究結(jié)論[2]，黃土的濕陷性與黏粒的含量有很大的關(guān)系，當(dāng)黏粒占比超過30%，黃土的濕陷性基本不會(huì)在實(shí)際工程項(xiàng)目中表現(xiàn)出來。當(dāng)水體進(jìn)入黃土后，黃土?xí)l(fā)生膨脹現(xiàn)象，但干燥后，黃土又會(huì)出現(xiàn)收縮，這個(gè)過程的周而復(fù)始會(huì)使得土體出現(xiàn)裂縫和剝落的問題。而且由于受到自身重力以及沉積的影響，黃土結(jié)構(gòu)顆粒間的豎向間距會(huì)比橫向間距小，因此自然狀態(tài)下的黃土的垂直收縮要比水平收縮大。

在外部荷載的作用下，黃土和其他土體一樣會(huì)出現(xiàn)一些變形現(xiàn)象，如彈性變形、蠕變變形、塑性變形、壓密變形等。由于自然狀態(tài)下的黃土孔隙比較大，因此黃土的彈性變形很小，主要是壓密變形。黃土的壓密變形可分為濕陷變形和壓實(shí)變形。在黃土的壓密變形中，濕陷變形量大且發(fā)展快，這也是黃土地基病害產(chǎn)生的主要原因。黃土的濕陷性不僅由于外界原因如水，還和自身結(jié)構(gòu)相關(guān)。當(dāng)黃土被水浸濕，水會(huì)溶解將土顆粒進(jìn)行膠結(jié)的可溶鹽，降低了膠結(jié)作用，隨之減弱了膠結(jié)體的抗剪強(qiáng)度。一旦土顆粒之間的剪切力大于膠結(jié)力，土體會(huì)發(fā)生擠密變形，這也就是黃土濕陷性的宏觀體現(xiàn)。

2 黃土地區(qū)路基病害

2.1 路基沉陷

分析黃土結(jié)構(gòu)和特征可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)水進(jìn)入土體后，土體的結(jié)構(gòu)被迅速破壞，在自身重力的作用下，特別在受到外界荷載時(shí)，會(huì)出現(xiàn)黃土土體沉降的現(xiàn)象。若公路經(jīng)過這些黃土地區(qū)，自然避免不了會(huì)出現(xiàn)沉陷問題。路基沉陷如圖1所示。

圖1 路基沉陷

橫向沉陷和縱向沉陷是路基沉陷的兩種形式，但引起路基出現(xiàn)沉陷現(xiàn)象的原因不致相同，如路基承受的外界荷載過大、路基排水性不良。邊坡是公路路基排水的主要形式，如若在道路施工階段或后期運(yùn)營(yíng)階段管理不善，邊坡被雜物堵塞，就會(huì)造成積水無法及時(shí)排出，滲入至路基，損壞路基結(jié)構(gòu)，當(dāng)?shù)缆仿坊骋惶幤茐膰?yán)重就會(huì)造成路基沉陷。

2.2 路基陷穴

路基陷穴與路基沉陷在表現(xiàn)形式上有著較大的差別。路基陷穴是指在地下水以及地表水的作用下，形成的破壞原有路基結(jié)構(gòu)的不同類型和形式的暗溝、暗穴。相比路基沉陷，路基陷穴并不是直接破壞路基中斷交通，而是隨著陷穴面積的擴(kuò)大，一旦外界荷載超過該處路基的承載能力，路面會(huì)突然塌陷，增大了道路安全的不確定性因素。

2.3 坡面破壞

濕陷、沖刷和剝落是坡面破壞的三種主要形式。邊坡的土體性質(zhì)、區(qū)域的降水量以及邊坡的形態(tài)與坡面破壞都有著緊密的聯(lián)系。除此之外，坡率的大小也是坡面破壞的重要影響因素。坡率不僅決定著地表面流的流速快慢，還影響著匯水面積的大小，而水的流速大小和土體的抗剪強(qiáng)度又影響著坡體的移動(dòng)[3]。因此，通常情況下，較大的坡面其匯水流量越大、沖刷能力越強(qiáng)，較陡的坡面，水流速度越快。一方面，采用臺(tái)階形邊坡的形式，可以通過降低坡體的高度，減少流速；另一方面，在邊坡臺(tái)階保證排水系統(tǒng)的暢通，進(jìn)而確保邊坡的穩(wěn)定性。在黃土邊坡變形中，剝落是一種較為常見的問題，在不同種類型的黃土中都有著剝落的現(xiàn)象。盡管剝落不屬于邊坡的整體變形，但會(huì)很大程度上威脅著挖方邊溝。在陽(yáng)坡，土體反復(fù)浸水，坡體中的水分不斷變化，黃土開裂也會(huì)出現(xiàn)剝落。雖然坡面剝落不會(huì)影響坡體的整體穩(wěn)定性，但不對(duì)其進(jìn)行防護(hù)，在后期運(yùn)營(yíng)中坡腳的堆積物也是較難為處理的問題。

3 黃土地區(qū)路基病害防治措施

3.1 換填法

換填法顧名思義是用夯實(shí)或壓實(shí)后穩(wěn)定性較好的土體代替軟土的處理方法。在公路項(xiàng)目建設(shè)過程中對(duì)換填材料如天然砂礫進(jìn)行分層填筑、壓實(shí)，最后檢測(cè)其壓實(shí)度是否滿足承載要求，通過從根本上改變土體的特性，提高地基的承載能力，進(jìn)而確保路基的穩(wěn)定性。在施工前，要對(duì)換填材料的粒徑、組成成分以及配合比進(jìn)行試驗(yàn)，避免在施工時(shí)無法壓實(shí)，導(dǎo)致壓實(shí)度不符合要求。換填法對(duì)于施工機(jī)械要求不高，在公路項(xiàng)目中得到較多的應(yīng)用。在進(jìn)行黃土地區(qū)路基的處理時(shí)，根據(jù)不同換填材料的選擇可以分為灰土墊層和砂礫墊層。經(jīng)過換填處理，路基的承載力不僅可以轉(zhuǎn)移一部分至墊層，而且最重要的是，經(jīng)過墊層對(duì)水的處理，可以大大減少水對(duì)于黃土地區(qū)路基的影響。

3.2 土工格柵加筋處理

在黃土地區(qū)公路后期運(yùn)營(yíng)過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)裂縫，根據(jù)相關(guān)調(diào)查，在半填半挖路段出現(xiàn)裂縫的問題較多，因?yàn)樵谠撀范温坊两档牟町愒斐闪肆芽p的產(chǎn)生。為了使路基的整體穩(wěn)定性得到保障，一般采用土工格柵加筋處理的方式，如圖2所示。

圖2 土工格柵加筋處理

進(jìn)行土工格柵加筋處理時(shí)，要對(duì)加筋的位置、強(qiáng)度和密度進(jìn)行合理論證。并對(duì)加筋對(duì)于土體的影響進(jìn)行研究，確定科學(xué)合理的布局形式。大量的工程項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)和實(shí)例表明，土工格柵加筋可以提高路基的穩(wěn)定性，特別是對(duì)于較弱的地基。該方法主要是通過柵格橫向力以及柵格和填土的摩擦力避免土體出現(xiàn)側(cè)向位移。與此同時(shí)，要確保加筋兩端的穩(wěn)定性，不然加筋出現(xiàn)位移會(huì)引起周圍土體隨之出現(xiàn)變形，影響路基的整體穩(wěn)定。

3.3 排水設(shè)施的完善

在黃土地區(qū)公路邊溝設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)對(duì)沿線地形地質(zhì)進(jìn)行充分調(diào)查，根據(jù)不同的情況選擇不同類型的邊溝，并考慮各個(gè)邊坡的坡度、標(biāo)高的差異性進(jìn)一步設(shè)計(jì)邊溝的尺寸。與此同時(shí)，沿線的涵洞、水土保護(hù)等也是影響邊溝設(shè)計(jì)的重要因素[4]。在黃土地區(qū)公路后期運(yùn)營(yíng)過程中，要對(duì)全線邊溝進(jìn)行檢查，及時(shí)疏通堵塞路段，加固毀壞路段。根據(jù)公路沿線的氣候，地形地貌等因素科學(xué)合理地進(jìn)行截水溝設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)將不同排水方式進(jìn)行綜合考慮，系統(tǒng)規(guī)劃，保證整個(gè)排水系統(tǒng)的暢通。前期調(diào)查的準(zhǔn)確性和全面性與否決定著后期排水溝設(shè)計(jì)的合理性以及有效性程度。在特殊路段如沖溝路段的排水溝設(shè)計(jì)應(yīng)做好防護(hù)措施并加強(qiáng)后期養(yǎng)護(hù)。在黃土地區(qū)，排水溝的端部也是至關(guān)重要的環(huán)節(jié)，一旦排水溝端部處理不好，極容易形成沖溝，可以通過與其他排水方式如跌水等結(jié)合設(shè)置降低水能，減少?zèng)_刷。

3.4 邊坡設(shè)計(jì)的優(yōu)化

黃土的直立性是黃土的良好特性，尤其是鈣含量比較高的黃土，因此填方邊坡的高度在黃土地區(qū)可以適度高一些。但過高的填方一方面會(huì)使用大量的填料，穩(wěn)定性得不到保障；另一方面會(huì)占用較多的土地資源，施工困難。因此，對(duì)于填方高度高于30m的邊坡，應(yīng)綜合比較橋梁或其他支擋結(jié)構(gòu)物的優(yōu)缺點(diǎn)選擇較為合理的方式。對(duì)于填方高度不高于30m的邊坡，應(yīng)進(jìn)行路基承載力驗(yàn)算，選擇不同的邊坡形式如折線形或階梯形。最后綜合考慮填料的特性、坡高、施工工藝以及防護(hù)措施等因素科學(xué)地確定邊坡的坡度。通過對(duì)于黃土地區(qū)的充分且全面的調(diào)查，排查出結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的山體，可以通過刷方減荷的方式增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。還可以采用擋土構(gòu)造物在保障邊坡穩(wěn)定性的同時(shí)減少土方使用量。針對(duì)存在有崩塌風(fēng)險(xiǎn)的路段，可以通過支擋結(jié)構(gòu)減少路基危害。

4 結(jié)語(yǔ)

由于我國(guó)的黃土地區(qū)分布較廣，且有著獨(dú)特的工程特性，黃土地區(qū)的公路出現(xiàn)了較多的病害問題。文章通過對(duì)黃土的結(jié)構(gòu)和特性進(jìn)行詳細(xì)分析，深入研究病害產(chǎn)生的機(jī)理，進(jìn)而采取相應(yīng)的防治措施，如邊坡設(shè)計(jì)優(yōu)化，排水設(shè)施完善，土工格柵加筋等。最終達(dá)到提高黃土地區(qū)公路路基的穩(wěn)定性的目的，實(shí)現(xiàn)黃土地區(qū)公路的可持續(xù)發(fā)展以及黃土地區(qū)公路沿線的交通、經(jīng)濟(jì)的持續(xù)推進(jìn)的目標(biāo)。