湿陷性黄土地基处理与路基综合设计

第19卷第2期
河北工业大学成人教育学院学报
Vol.19　No.2
2004年6月Journal of Adult Edocation School of Hebei University of Technology J un ,2004
湿陷性黄土地基处理与路基综合设计
苏建林
(河北交通职业技术学院　石家庄市　050091)
摘　要　本文主要介绍了湿陷性黄土其湿陷性的鉴别和湿陷性等级的判定方法,重点介绍了湿陷性黄土地基处理的强夯法、冲出夯实法,地基处理的宽度、深度要素以及保证路基稳定和公
路使用质量的综合设计方法。

关键词　黄土湿陷性等级;黄土湿陷性的鉴别;消除湿陷性的方法;综合设计方法
1　湿陷性黄土区地基综述
湿陷性黄土是黄土的一种,天然黄土在自重压力,或自重压力与附加压力作用下,受水浸湿后,土的结构迅速破坏,发生显著的湿陷变形,称为湿陷性黄土,湿陷性黄土地基这种特性,会对结构物带来不同程度的危害,使结构物大幅度沉降、坼裂、倾斜甚至严重影响其安全和使用,湿陷性黄土多出现在主要起承受力作用的地表上层,因此应对湿陷性黄土地基有可靠的鉴定和正确的认识,并采取必要的工程措施防止或消除它的湿陷性。

1.1　湿陷性黄土的鉴定
湿陷性黄土除了具备黄土的一般特征如呈黄色或黄褐色,粒度成分以粉土颗粒为主,约占50%以上,具有肉眼可见的孔隙等外,它呈松散多孔结构状态,孔隙比常在1.0以上,天然剖面上具有垂直节理,含水溶盐(碳酸盐、硫酸盐类等)较多。

垂直大孔性,松散多孔结构和遇水即降低或消失的土颗粒间的加固凝聚力是它发生湿陷的两个内部因素,而压力及水是外部条件,黄土湿陷性的鉴别,地基湿陷程度的判别,可用室内压缩试验和野外浸水试验方法进行。

一般可采用室内压缩试验方法求得土的单位厚度土层的湿陷系数δs ,再按各地经验一般采用δs =0.02作为湿陷性黄土的界限值,δs ≥
0.02时定为湿陷性黄土,否则定为非湿陷性黄土。

土的湿陷起始压力小于上覆土的饱和自重时,则该土层在上覆土层自重压力的作用下受水即可发生湿陷(自重湿陷系数δs ≥0.015),称为自重湿陷性黄土。

土的湿陷起始压力大于上覆土的饱和自重,则土层在上覆土自重压力的作用下并不发生湿陷,而在附加压力与上覆土自重压力之和大于土的湿陷起始压力时,土层受水才发生湿陷,称为非自重湿陷黄土。

自重湿陷性黄土受水浸湿后,湿陷现象比较明显而且严重,在自重湿陷地区发生的结构物事故也较多。

1.2　地基湿陷等级的判定
为了正确反映湿陷性黄土地基的湿陷程度,并联系结构物和地基实际,合理地采取有效防护措施,可用地基内各土层的湿陷系数,按式(1-1)求地基的计算湿陷量Δs (m )
Δs =Σn i =1δsi h i (1-1)
式中:δsi —
——地基内第i 层湿陷性黄土的湿陷系数;h i ———第i 层湿陷性黄土的厚度(m )。

收稿日期:2003-10-10　苏建林　男　1963年生　高级讲师
湿陷性黄土地基的湿陷等级根据计算湿陷量按表1划分。

湿陷性黄土地基的湿陷等级　表1地基的计算湿陷量(m )
湿陷等级0.05<Δs ≤0.15
Ⅰ0.15<Δs ≤0.35Ⅱ
Δs >0.35
Ⅲ湿陷性黄土地基的湿陷等级高,浸水后可能产生的湿陷量越大,对结构物的危害也越大。

因此,设计措施要求也应越高。

另外,我国建筑规范还规定如基底下面土层包含有自重湿陷性黄土,可按式(1-2)差别是否属自重湿陷性地基。

Δzs =Σn i =1δzsi h i (1-2)
式中:Δzs ———地基的计算自重湿陷量(m )
δzsi —
——第i 层土在上覆土的饱和自重压力下测得的自重湿陷系数;h i ———第i 层土的厚度(m )。

计算深度可自基础底面算至其下10m 为止,但其中δzsi <0.015的土层不累计。

根据大量室内外试验对比确定,当Δzs ≤0.07m 时,可定为非自重湿陷性黄土地基;Δzs >0.11m 时,为自重湿陷性黄土地基;Δzs 为0.07～0.11m 时,可结合当地实践经验确定。

1.3　湿陷性黄土地基的处理
湿陷性黄土地基处理目的是改善土的性质,减少土的渗水性、压缩性,控制湿陷性的发生,部分或全部消除它的湿陷性。

在明确地基湿陷性黄土层的厚度、湿陷性等级、类别等后,应结合结构物的工程性质、施工条件和材料来源等,采取必要的措施。

图1　土层处理示意图在黄土区修筑结构物,应首先考虑选用非湿陷性黄土地基,它
较经济和可靠。

对较高的墩、台和超静定结构,应采取刚性扩大基
础、桩基础或沉井基础等形式,以便将基础底面设置到非湿陷性土
层中。

在桩基计算中必要时还应结合桩侧土的湿陷情况,考虑发生
湿陷时对桩产生的负摩阻力。

对于一般结构的大中桥梁、重要的道
路人工构造物,如属Ⅲ级湿陷性黄土地基或自重湿陷性黄土地基,
应争取将基础置于非湿陷性土层或对全部湿陷性黄土层进行处理。

如属Ⅰ、Ⅱ级湿陷性黄土地基也应争取对全部湿陷性黄土层进行处
理或加强结构措施。

小型桥梁、桥涵附属工程和一般公路构造物视
地基湿陷程度,可对全部湿陷性土层进行处理,也可消除地基的部分湿陷性。

对非自重湿陷性黄土地基,应自基底处理至非湿陷性层顶面,或者以土层的湿陷起始压力来控制处理厚度,即对地基持力层内,附加应力σh 与上层土自重γh 之和,大于该项处土的湿陷起始压P hs 范围内的土层进行处理(如图1所示);对自重湿陷性黄土地基是指全部湿陷性黄土层的厚度。

1.3.1　公路构造物地基处理的两个重要参数(厚度、宽度)
由于土的自重压力所引起的自重湿陷与自重湿陷性黄土层的厚度有关,其变形范围往往包括全部自重湿陷性黄土层的厚度。

由总压力所引起的外荷湿陷,除土的竖向变形外,侧向变形也很明显,但其湿陷变形只发生在基础底面以下某一深度范围内的黄土层中,并与基础形式、基底面积和基础底面压力有关。

1.3.1.1　地基处理厚度
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81河北工业大学成人教育学院学报 2004年
①全部消除湿陷量的处理厚度。

公路构造物在使用期间发生有害的变形,就需要全部消除湿陷量,要想全部消除地基的湿陷变形量,就必须全部处理基础底面以下的全部湿陷性黄土层,或采用桩基础(或深基础)穿越湿陷性黄土层。

②消除公路构造物地基部分湿陷量的处理厚度。

消除公路构造物地基部分湿陷量的处理厚度应根据构造物的类别、基础形式、基底面积、基底压力、场地湿陷类型、湿陷等级、基底下各黄土层的湿陷系数(或自重湿陷系数)和湿陷起始压力沿深度的分布情况等综合考虑确定。

一般考虑处理厚度为0.5～2.0m.但也有根据情况处理厚度要达到5～10m.
由于是部分消除湿陷量.未经处理的土层仍有可能产生较大的湿陷,因此,还必须根据处理后的剩余湿陷量的大小采取相应的防水措施和结构措施,并在使用过程中加强维护管理,来保证构造物的安全与正常使用。

1.3.1.2　地基处理宽度
地基处理宽度的大小一般应从控制侧向变形、扩散附加压力和防水的要求等方面来考虑。

湿陷性黄土地基受水浸湿发生湿陷时,常伴随着大量的变形,而由其所引起的竖向变形有时竟达总湿陷量的60～70%;侧向变形一般发生在基础底边以外约0.5～0.75倍的宽度处。

因此,为防止或减少大量的湿陷变形,应将发生侧向变形的大部分范围包括在处理宽度以内。

同时,为起到扩散附加压力的作用,使传到天然土层上的附加压力符合设计要求,以及防水要求出发使处理过的地基土能起到更好的防水作用,也需要有一定宽度的处理范围。

为了保证湿陷黄土区路基的稳定性,同时考虑路基的占用宽度问题,建议采用在路基用地全宽范围内部分进行处理。

1.3.2　处理湿陷性黄土地基的常用方法
处理湿陷性黄土地基的常用方法有灰土(或素土)垫层,重锤夯实,右灰土桩或素土桩,预浸水处理等,可根据地基湿陷等级、结构物的要求、需要处理厚度、施工技术条件等选择采用。

但相对来讲,重锤夯实法、强夯法和冲击夯实法较常用。

重锤夯实法、强夯法和冲击压实法三种方法具有不同的特点与适用范围,在设计时应根据不同的地质条件、地形条件、环境条件与施工队伍等各种因素选择。

采用重锤夯实法和强夯法相对冲击夯实法,要求公路施工现场周围不能有距离太近的建筑物,否则会影响建筑物的使用安全,其施工造价相对比较经济,所需的设备也比较简单,也容易保证;其对湿陷性黄土施加的影响随冲击能的增大而逐渐加深,对消除湿陷性黄土所施加的效果非常明显,是近几年来引进公路施工行业的处理各种软基的一种常用的施工技术。

而冲击压实法是最近几年新引进的一种处理地基的施工技术,其所需的设备造价比较高,一次性投资较大(约300-400万元人民币),对周围环境影响相对较小,对软基及湿陷性黄土地基处理速度快,用于消除湿陷性黄土的湿陷性,消除湿陷性黄土的湿陷性效果也很显著。

对路基土的压实效果也不错。

是一种引进探索和研究使用的一种有效方法。

除此之外,在特殊情况下也可考虑采用硅化法加固地基,还可以采取一些防水措施来避免地基浸湿,如整平结构物基础处的地面、修建散水坡等,以防止地表水的积聚,渗入地基而引起湿陷。

也可以采用一些结构措施,以增加结构物抵抗地基湿陷的能力,如结构物平面设计外形力求简单;基础各部分受力均匀,对长度较大,体形复杂的结构物应用沉降缝将其分为若干独立单元等。

1.4　湿陷性黄土地基的容许承载力
湿陷性黄土地基的湿陷性只有地基受水浸湿时才能发生,它有一定的条件,在决定基础尺寸,确定其容许承载力时,暂可不联系其湿陷问题。

当地基土在水平方向物理力学性质均匀;基础底面下5m深度内土的压缩性变化不显著;基础以上结构物属常用的静定结构,可根据《湿陷性黄土区建筑规范》确定其容许承载力。

2　湿陷性黄土区路基综合设计
湿陷性黄土区路基设计,首先要考虑水对湿陷性黄土区地基或路基工程的影响,水是造成湿陷性
黄土路基工程湿陷变形沉降的主要因素,必须考虑好湿陷性黄土区地基和路基工程系统排水与防水问题,建立确实可靠的路基排水系统,确实做好地基和路基工程的排水和防水设计工作。

设计好和建设好各种地表与地下防水和排水措施,且把各种防水与排水构造物系统综合设计好、保证地下水和地表水的顺利排出。

其次是地基,地基是湿陷性黄土区路基工程设计重点,是路基工程综合设计应解决的又一重要因素。

由于湿陷性黄土的特殊性,必须采取强有力的技术措施,如换填土层、重锤夯实、强夯、冲击压实等施工技术措施,消除湿陷性黄土地基的湿陷性或消除湿陷性黄土的部分湿陷性,保证路基工程所处理的地基有一定的强度和承载力,这样才能保证路基的稳定性和使用质量。

再者,就是路堤坝筑所填筑土的压实度程度和施工质量。

在湿陷性黄土区修筑路基,一般只能用湿陷性黄土填筑路堤,所以,在路基填筑设计和施工中,一定要强调填土的质量,关键是填筑的湿陷性黄土土层的压实度。

提高湿陷性黄土的密实度,可以减轻遇水产生的湿陷变形。

此外路基的主体设计,除了必须保证达到规范规定的设计要求,还要针对湿陷性黄土区路基的特点进行特殊设计,要保质保理的按设计和规范规定的要求进行施工。

2.1　地面横坡较陡填方路段采用换填砂砾垫层加双向土工格栅技术
针对地面横坡度较陡的填方路基此种地形情况,在设计时应采用重夯法处理地基。

换填右灰含量80%土层厚度为40cm 的灰土垫层,双向土工格栅用于处理地面横坡上的填方路基,防止产生不均匀的沉降裂缝。

由于地面横坡较陡,所以应采用向内倾斜的单向横坡,保证填方路基的稳定性,并在路基坡脚处用灰土进行加固地基并起防水作用。

2.2　对填方高度一般湿陷性黄土路段,采用重夯和坡脚灰土和加固防护技术
对此种地形情况的路基填方路段,应首先采用重夯法处理地基,消除湿陷性黄土的表层一定深度内的黄土的湿陷性,对路基边坡的坡脚处应采取灰土加固防护,并且在公路用地界处设计一定深度的隔离地下水及地表水侵入的隔离设施,防止水对路基基础地基的浸湿及降低地下水位,防止地基的湿陷性变形。

设计采用换填厚度为60～80cm 的石灰含量为80%的灰土垫层,复合土工膜地下盲沟汇集排水地下设施,并在路基坡脚处用灰土进行加固地基并起防水作用。

此种方法适用于不同的非自重湿陷性黄土。

2.3　填土高度小于1.5m 的Ⅲ级自重湿陷性黄土地基路段,采用重夯加换填石灰土垫层技术
当公路路基填土高度较小(一般指填土度小于1.5m )时,此时对地基的稳定性要求相对比较高,应对地基确实做好设计与处理工作,而且还要保证地基有一定的强度和一定的承载能力,否则会对路基的使用质量和稳定性产生很不利的影响。

在设计时一定要考虑水对路基及地基的影响,应设计好各种设施保证水不能影响到路基及地基。

2.4　高填土湿陷性黄土路段,采用地基处理和台阶式边坡的技术方式
由于黄土地形构造特点,出现大填方和高填方的路段是相当多的,针对这种情况应采取重夯处理地基,强调路基土填筑压实质量的保证。

对填方高度出现较大的情况较多,一般应采取台阶式边坡,保证路基的整体稳定性,并且使地下水及地表水尽可能远离路基,而且还应封闭路基外围,防止水的浸湿。

2.5　挖方深度小于湿陷性黄土厚度的挖方路基段
对于挖方深度小于湿陷性黄土的路基段,由于路槽下还存在一定厚度的湿陷性黄土,其下的黄土,由于深处地下,密实度相对比地基表层要好,且有一定的承载能力,可根据实测的压实度和承载能力的大小情况,采取不同厚度的灰土垫层进行处理。

由于其具有湿陷性且受水的影响很大,故应进行密封设计与处理,即采用灰土对路基宽度范围内的地基部分进行封闭和设置地下排水盲沟降低地下水位,来保证路基的稳定性和使用质量。

2.6　挖方深度大于湿陷性黄土厚度的挖方路基段
(下转第22页)
91第2期　苏建林 湿陷性黄土地基处理与路基综合设计
22河北工业大学成人教育学院学报 2004年
严格控制材料质量、施工工艺、监理标准等环节,确保施工段质量。

我国施工组织水平有了很大提高,但与现代施工要求相比仍有很大差距,不少项目的施工管理仍是粗放型的,施工精度不够,工艺也不够先进;施工实验各种配比与实践操作配比相差很大,再加上整个施工管理跟不上,工程的各环节、各部位都存在较大质量差距。

314　坚持治理运输超载,重点遏止破坏公路的“杀手”
超载不仅是造成沥青路面早期破损的重要因素之一,同时还扰乱了正常的运输市场秩序,后果严重。

目前治理超载的工作取得了明显成效,但应看到治超工作的艰巨性,更要看到巩固成果的艰难性。

治理超载是一个关系到各方面利益的复杂问题,要坚持综合治理和从源头治理的方针,一方面调动各级政府治理超载的积极性,另一个方面要加强调查研究工作。

(上接第19页)
由于挖方深度大于湿陷性黄土的厚度,使路床作用在非湿陷性黄土地基上,这样相对来讲,路基地基基础比较稳定,但也应该考虑水对相应其它位置的湿陷性黄土的影响,故也应当进行相应的密封。

这样,可防止地下水流向路基,防止水浸湿路基及地基,以保证路基的整体稳定性和使用质量。

2.7　对湿陷性黄土区路基边坡排水设计的设置
由于湿陷性黄土区公路设计采用比较密封的排水设计,对汇集到边沟或路面上的水如何排除,也是应认真考虑的问题。

对于路基边坡采用封闭的技术方法,可以让其顺坡面自由排出,而对集中排水的路段必须采用有效的设施,即采用泄水槽或急流槽的方式排出,对特殊地形的排水设施还应特殊的设计,如:在平面弯道处,由于存在超高横坡度,造成路表面降水双侧单向排水,使路表面汇水量增大,考虑到排水的效果可能不太好,在最大合成坡度处,设一道宽1.0m的泄水槽,在平曲线上内侧的其它位置的泄水槽应加密一倍,以达到迅速排除路表面积水的实际使用效果。

参考文献
1　《高速公路施工新技术》人民交通出版社,200年.
2　张晓炜、张青山《郑州至洛阳高速公路水毁病害分析》河南省交通科技2002年
3　扬重存等《甘肃省公路土桥病害与黄土分区相关关系》西安公路交通大学学报1999年
4　黄土区铁路路基现状分析,铁道工程,2001年
5　宣大高速公路管理处《黄土区高速公路施工新技术》人民交通出版社,2001年
6　杨重存《黄土高路堤及高路堑的稳定与变形性态研究》路桥资讯网投稿中心。