高速公路非自重湿陷性黄土路基加固处理方案优选

郑久硕 刘宝庆 吕亮

摘要：针对某高速公路路基工程中存在的非自重湿陷黄土地质，分析该地质对设计、施工及使用的危害性。取3种湿陷性黄土地基的加固处理方法，在4个方面进行对比优选，最终确定以强夯法来处理标段内的地基，并给出了相应的施工方案。

关键词：非自重湿陷性黄土；强夯法；换土垫层；挤密灰土桩

1、引言

随着我国高速公路的飞速发展，湿陷性黄土一直是危害道路建设与使用的灾害性地质。湿陷性土是指在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土，属于特殊性土。有些杂填土也具有湿陷性。广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区的黄土多具湿陷性。由于设计施工人员对湿陷性黄土危险性估计不足，经常发生道路结构物沉陷和道路路面破坏。湿陷性黄土地基处理方法主要基于加密土体、改变荷载传递方式和土体加固等理论基础。国内许多学者对于改良湿陷性黄土地基展开了研究，大量研究人员将强夯法用于处理湿陷性黄土地基。

本文就某高速公路路基工程存在的非自重湿陷性黄土问题，通过分析比选几种地基处理方案，优选提出适合于该工程的施工方案。

2、工程概况

2.1 工程概述

本工程位于太行山余脉东麓井陉县境内，地面海拔320～480m，山峦起伏、沟谷相连；线路途经微水镇、南王庄乡，起点桩号K23+305，终点里程K31+613，全长8.308km。其中路基总长度4916m，采用两幅分离式路基，路面宽度12.25m，双线四车道，设计时速80Km/h。

2.2 工程地质条件

通过在路段范围打桩勘察得出，路段存在非自重湿陷性黄土，为风成马兰黄土，湿陷性轻微，影响深度在5m左右。非自重湿陷性黄土的性质：其物理性质表现为自然状态下密度为1.5T/m3～1.6T/m3，自然空隙率较大，与其他土质相比在自重作用下不会发生自然沉降；化学性质体现为非自重湿陷性黄土自身含有细小的氯化钠、氯化钾、氯化钙等晶体，这些晶体存在化学键作用，土质本身无法在自身的自重下发生沉陷变形，但是在遇水后，土质晶体溶解，化学键随之消失导致黄土自身出现沉陷变形，当土体水分蒸发完成之后，又重新生成化学晶体使土体发生微膨胀。

3、地基加固处理方法

在高速公路建设中，对非自重湿陷性黄土地基进行加固势在必行，其加固处理方法一般有以下几种：换土垫层法、强夯法、挤密灰土桩法等。

3.1换土垫层法

换土垫层法是以一种低压缩性土代换高压缩性土，通过外界压实机械做功来达到提高地基承载力，减少基础沉降。

换土垫层法主要包括灰土垫层和土垫层。当仅要求消除基底下1～3 m湿陷性黄土的湿陷量时，根据规范宜采用局部（或整片）土垫层进行处理，当同时要求提高垫层土的承载力及增强水稳性时，根据规范宜采用整片灰土垫层进行处理。

土垫层的施工质量， 应用压实系数λc控制，并应符合规范的以下要求：厚度小于3 m的土垫层，不应小于0.95；超过3 m的部分不应小于0.97。

3.2 强夯法

强夯法是通过重锤的自由落下产生强大的冲击能作用在地基之上，对土体进行强力夯实，使土体产生较大的瞬间沉降，减少土体60%的孔隙，提高土体强度2倍～3倍，降低土体压缩性，特别是对非饱和土加固效果显著，该方法设备简单、原理直观、适用广泛，也称动力固结法。

强夯结束后检测判定它的有效加固深度是否达到设计和规范要求，因为有效加固深度的主要原则是消除湿陷性，也就是以δs<0.015作为主要的判别指标。所采用的检验手段主要采用探井取不扰动土试样进行检测，当这一指标达到设计和规范的要求后。一般情况下对承载力的要求等也均可满足。但由于其过大的噪声及振动，在很多城市是限制强夯法的使用。

3.3 挤密灰土桩法

挤密灰土桩法是在基础平面位置按设计方案和规范的要求布置桩孔并成孔，然后按最优含水量下的灰土分层填入桩孔内，并分层夯（捣）实至设计标高为止。通过向土层中挤压成孔或桩体夯实过程中的横向挤压作用，迫使桩孔内的土体侧向挤出，桩间土得以挤密，使得桩周范围的土体受到扰动，压缩和重塑，当桩周土被挤密到一定的压实系数时，则沿桩孔深度范围内土层的湿陷性就会消失。

其次，由于灰土桩受压时桩身压缩变形使桩顶面产生沉降，而灰土桩本身具有一定的胶凝强度，地基处理是通过灰土桩的高强度置换来提高地基的承载力。如果当局部桩顶压裂后，因灰土块体间存在摩擦力和胶合力，故仍可与桩间挤密土协同工作，复合地基仍可维持整体稳定性（图1）。

4、处理方案比选

下面将依据工程实例对第三节所提三种方法进行四个方面的比较。

4.1 工程造价

以非自重湿陷性黄土地基处理面积为10000m2为例，换土垫层法63.4万元>挤密灰土桩法48.89万元>强夯法13万元，显然强夯法为三种非自重湿陷性黄土处理方法中最为经济的一种施工方法。

4.2 施工進度

同样的处理面积，换土垫层法施工时间最短为9，其次是强夯法17.3d，最慢是挤密灰土桩法51.4d。

4.3 施工简易程度

强夯法在施工中有着无比优越的优势，首先，强夯法在强夯机械到位之后，只需要对现况地表进行简单的推平处理就可以立即投入施工，不会受到类似电力、地材等因素的制约；而无论是挤密灰土桩法、换土垫层法均需要消耗大量的地材资源、投入大量的施工机械从而消耗大量宝贵能源。在施工准备工作方面，挤密灰土桩法、换土垫层法都需要准备大量的地材物质，相应配套的施工机具必须全部到位方能开始施工，所以强夯法相对于其他两种施工工法而言是比较简便、易于操作的地基加固方法。

4.4 施工质量控制及效果

强夯法施工质量控制主要是冲击过程控制，控制项目主要包括夯能控制、冲击次数、冲击点位设置是否符合设计要求、冲击遍数达到设计值之后最后两次冲击沉陷值是否满足设计要求等。夯能控制包括重锤的质量和提升高度能否确保夯能满足设计要求、现场旁站记录冲击的次数、使用水准仪量测总沉陷量和最后两次的沉陷差值等。检查地基承载力为第三方按照规范进行随机取点，测试地基承载以确定经过强夯处理的非自重湿陷性黄土段落是否满足设计承载要求。相比挤密灰土桩法、换土垫层法而言，强夯法的优势主要体现在质量控制过程比较直观，复合地基承载力检测比较简单，数据相对准确可靠。三种方法处理之后的承载效果如下：一般情况下非自重湿陷性黄土自然状态下的承载力为80kPa～120kPa，强夯法可以提高到170kPa～230kP（2.1倍左右）；挤密灰土桩法经过符合地基承载力检测，其承载力可提高到 210kPa～270kPa（2.3倍左右）；换填天然级配砂砾经过检测，其地基承载力为 240kPa～280kPa（2.4倍左右）。

综合以上方法的工程造价、施工进度控制、施工简易程度、施工质量控制及效果四个方面的比较，强夯法在造价方面远低于其他两种种工法，施工速度快，施工简单易行，地基处理效果可以满足设计要求，质量控制比较简单可靠。同时考虑到工程自身条件，在标段内出现非自重湿陷性黄土的路段在填筑坡脚外3米的范围内基底换填50cm厚4%的灰土，然后通过强重夯处理路基。

5、强夯法施工方案

强夯通过重锤的自由落下，多次重复夯地面，通过势能转化成动能这样的能量转化，形成压缩波、剪切波和表面波等，给地基以冲击和振动。在冲击波的影响范围内，土的天然结构遭受到一定的破坏。压缩波使孔隙水压力增加，使土粒错位；剪切波和表面波使土粒受剪，土颗粒重新排列而使土变得密实。通过这样的方式改变土的物理性质，降低土的压缩性和湿陷性，增加地基土的强度，提高其承载力。

5.1 施工方法

本标段路基基础处理涉及两个方面：

（1）对于填筑高度大于5m路基，填筑前对原地面进行强夯夯实，每填筑3m进行强夯补强，采用逐点与满夯相结合的方法。

（2）本标段特殊为I级非自重湿陷性黄土，处理方式为在填筑坡脚外3米的范围内基底换填50cm厚4%的灰土，然后通过冲击碾压及强重夯处理，具体如下：

①对填筑高度I级非自重湿陷性黄土路段路基外边缘距离现有建筑物L≤100米的湿陷黄土路基采用冲击碾压消除影响深度范围内1.2m；

②对于填土高度h≤4米的级非自重湿陷性黄土路段采用夯击能为600KN.m的重夯消除湿陷性，处理深度2m；

③对于填土高度h>4米的级非自重湿陷性黄土路段采用夯击能为1000KN.m的重夯消除湿陷性，处理深度4m；

5.2 施工工艺

（1）本标段路基高填段基础处理工艺参数：采用强夯逐点与满夯相结合的方法，强夯夯击能为1500KN·m，间距3.08m；满夯夯击能为600KN·m，四周搭接D/2，即1.25m，各层压实度不小于96%。

（2）夯击遍数间隔时间

为避免产生超孔隙水压力、夯坑周围出现较大隆起，要等超孔隙水压力自然消散后，再夯下一遍。本标段路基基底为坡洪积粉质黏土夹少量碎石，间隔时间按7d考虑。

5.3 施工步骤

（1）清表完成后根据编完号的夯点布置图放出夯点位置，并洒白灰做标记；

（2）测量夯前锤顶标高，确定相对零高度；

（3）将夯锤吊到规定高度（10m），脱钩夯锤脱落自由下落；放下吊钩，测量锤顶标高，记录与相对零高度差值。夯击点中心位移偏差应小于150mm，当夯坑底倾斜大于30°时，将夯坑底填平后再进行夯击。

（4）重复步骤（3），完成一个夯点的夯击。每个夯击点安排专人检查和记录夯击能量、夯击次数以及每次夯沉量。

（5）换夯点，重复（2）～（4）项，完成第一遍全部夯点的夯击。

（6）在第一遍强夯完成后，用推土机将夯坑推平后，测出地面高程。

（7）强夯一遍夯击结束1周后，按上述步骤逐点完成第二遍强夯夯击击数。

（8）二遍夯击结束1周后，调整夯锤落距到4m进行满堂夯。

5.4 单点夯击次数控制标准

（1）强夯夯点最后两击的平均夯沉量不大于50mm，单点夯击第一遍不小于4击，第二遍不小于5击，主、副夯后进行满夯，满夯夯点最后两击的平均夯沉量不大于20mm。

（2）夯坑周围地面不应发生过大的隆起；不因夯坑过深发生起锤困难。

5.5 施工质量检验

（1）夯点定位允许偏差±5cm；夯锤就位允许偏差±15cm，满夯后场地平整，平整度允许偏差±10cm。

（2）满夯完成后将地基土推平，用大于20T的重型压路机碾压至地表无轮迹后检测压实度不小于96%。

5.6 特殊情况处理

（1）强重夯施工前，应查明场地范围内的地下构筑物和各种地下管线的及标高等，并采取必要的措施，以免因强夯施工造成破坏；

（2）对强重夯施工所产生的振动，为避免对邻近建筑物或设备产生有害的影响，根据情况采取挖减振沟的防振措施，减振沟的一般尺寸为深3m，底宽1m，边坡1：0.7，起始位置位于强夯外边缘线外4m；

（3）对于地下水位较高、弹簧土、坑塘洞穴部位，导致施工难度大或影响施工质量的渠段，根据具体情况上报相应施工方案，如降水、换填等，依据批复的方案进行处理；

（4）在降雨前将夯坑推填平，并使夯击区具有良好的排水条件；雨后对现场积水要立即排除。

6、总结

综合以上理论分析，并结合工程现场实际施工情况，强夯法处理非自重湿陷性黄土能够取得相对较优的处理效果。通过对施工过程的严格控制，强夯法处理地基与换土垫层法、挤密灰土桩法相比，能够减少一半以上的成本，并且能够形成较高承载力和稳定性，加之工艺控制难度低，设备投入简单、工期短，是软基处理中具有推广价值的一种工艺，具有很好的社会效益。

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（作者单位：中建六局轨道交通公司平赞高速项目经理部六分部）