天水地區(qū)黃土路基病害實例分析與防治

陸 鵬,紀仁芹

(1.中交第二公路勘察設計研究院有限公司,湖北 武漢 430000;2.武漢華夏理工學院，湖北 武漢 430000)

0 前 言

隨著我國經濟的跨越式發(fā)展，各地交通網(wǎng)絡體系更加完善，交通服務水平顯著提升，交通區(qū)位優(yōu)勢日益凸顯。天水市交通樞紐區(qū)位優(yōu)勢比較明顯，并且旅游資源豐富，促使其高等級公路飛躍式發(fā)展。天水地區(qū)黃土分布廣泛，而新黃土的特殊性質容易引起公路的路基路面病害，嚴重制約著當?shù)毓方ㄔO的質量和發(fā)展,由黃土濕陷引起的公路沉陷、構造物破壞及路面開裂等現(xiàn)象在天水市比較常見。因而，在天水地區(qū)公路建設中,黃土路基病害的防治顯得尤為重要。因黃土屬于特殊土，而且分布廣泛，亟需比較經濟合理的處治方案。

1 地形、地貌特征

位于甘肅東南部的天水市地勢西北高東南低，呈菱形展布的天水盆地內，主要充填物為第三紀紅層與第四紀黃土。黃土的礦物成分按含量的多少主要有石英(含量常超過50%)，長石(含量常達25%以上)、碳酸鹽(含量常為10%～15%，主要是碳酸鈣)、粘土礦物(含量一般10%～20%之間)，此外還有少量的(百分之幾)云母和重礦物，易溶鹽、中溶鹽和有機物的含量都不超過2%。

從黃土的成分和結構上的基本特點可以得出，黃土在干燥時具有較高的強度，而在遇水時表現(xiàn)出濕陷性，承載能力顯著下降，體積收縮。

2 濕陷性黃土危害

濕陷性黃土在路基中主要表現(xiàn)為路基沉陷、邊坡變形與失穩(wěn)等病害[1]。

黃土路基濕陷主要受黃土物質成分、微分子結構和周邊環(huán)境共同作用的影響，他們相輔相成，統(tǒng)一于一體。內因主要是由于土本身的物質成分(顆粒組成、礦物成分和化學成分)；外因主要是水和壓力的作用(水池漏水、地面積水、生產及生活用水等下滲地下或降水量較大或水庫的滲漏)。

黃土濕陷多發(fā)生在高路堤路基地段和排水不暢路段，對道路運輸?shù)陌踩斐呻[患，如黃土陷穴、黃土橋、路基沉陷等。在動荷載作用下路基沉陷，導致路面塌陷、裂縫、開裂、橋頭跳車等，嚴重者會導致路基大面積滑塌，造成嚴重損失。

結合平天高速PT15標天水北互通收費站場坪左側滑坡設計案例，邊坡變形與失穩(wěn)主要有兩方面的原因。地下水較發(fā)育：上部為黃土層，下伏基巖為半成巖狀泥巖，黃土具有垂直節(jié)理發(fā)育、大孔隙比、高滲透性等特點，泥巖具有低滲透性特點，原地下水排泄通道泉眼被堵塞后，加之拌合站、鋼筋廠及生活區(qū)等污水因未采取集中處理，隨意排放在邊坡上方，在地下水的長期浸潤下，沿著黃土層及黃土與泥巖交界面形成一層飽水的軟弱夾層，黃土層產生濕陷，承載力降低；前緣邊坡挖坡腳：邊坡開挖后形成臨空面，邊坡沿著黃土與泥巖交界面形成整體滑塌，使得路基滑塌災害在施工過程中經常發(fā)生。

3 黃土路基病害工程處治方法

3.1 濕陷性黃土的工程處治

處理濕陷性黃土地基的主要目的包括消除其全部濕陷量和消除地基的部分濕陷量。

根據(jù)平天高速PT15標的相關實踐經驗，濕陷性黃土的工程處置主要從以下方面著手：(1)做好地表排水設計，防止各種地表水在路基兩側聚集；(2)對路基影響范圍的黃土陷穴、落水洞進行開挖回填夯實；(3)根據(jù)場地濕陷類型和地基濕陷等級，按照《路基設計規(guī)范》(JTG D30-2004)有關要求進行處治，設計中應當考慮對路基基底進行處理，消除濕陷，建議采用灰土擠密樁及強夯、沖擊碾壓等方法。橋梁樁基應當考慮樁周的負摩阻力。

考慮天水地區(qū)降水情況、黃土分布厚度及路基填挖情況，具體措施如下：

濕陷性黃土地基進行處理時，一般取路堤兩側坡腳2～5 m范圍內，處理過程中，可以參考當?shù)仡愃乒こ淌┕そ涷?。一般情況下，I、II級非自重濕陷性、I級自重濕陷性黃土路段，地基采用沖擊碾壓(處理長度大于100 m)處理；Ⅱ級及Ⅱ級以上自重濕陷性黃土，若無線外構造物及村莊居民影響，地基采用強夯處理。

根據(jù)規(guī)范要求，建筑物、構筑物附近不得采用強夯處理地基，則Ⅱ級以上自重濕陷性黃土橋頭路基以及Ⅳ級自重濕陷性黃土填土高度大于4 m的高路堤，在此種情況下宜采用灰土擠密樁處理。當?shù)鼗恋暮蚀笥?3%、飽和度大于65%時，要進行排水晾干或采用其它措施處理。

當濕陷性黃土路段不受水位影響時，Ⅰ級及Ⅱ級非自重濕陷性黃土挖方采用80 cm 5%灰土墊層，填方采用邊部7 m寬5%灰土墊層、中部素土墊層；對Ⅱ級自重濕陷性以上黃土路段，挖方設置總厚度100～300 cm 5%灰土和素土墊層，其中挖方段5%灰土層厚0.8 m，填方段邊部7 m寬為5%灰土墊層、中部為素土墊層。

橋頭及涵洞通道路段宜采用灰土擠密樁處理，消除全部濕陷性有利于行車安全性和舒適性。

3.2 黃土崩塌的工程處治

黃土陡坎較多，在坡腳受沖蝕或浸泡軟化時，產生黃土崩塌。現(xiàn)狀條件下沿線黃土中所發(fā)生的崩塌一般規(guī)模較小，對公路建設的危險性?。恢饕l(fā)生在黃土墚峁、黃土中山等地形起伏大、沖溝發(fā)育及基巖上覆第四系黃土邊坡較陡的地段，這些地段在今后高速公路的施工過程中，由于大量的挖方對黃土邊坡的穩(wěn)定性產生較大的影響，可能會引發(fā)崩塌的發(fā)生。

設計時，可采用抗滑樁，并對抗滑樁各工況下樁頂滑出的穩(wěn)定系數(shù)等進行驗算，得到抗滑樁的長度、錨固段長度和排數(shù)，并得出樁截面最大配筋量，保證樁頂位移均小于懸臂端的1/100，以滿足規(guī)范要求。若不滿足穩(wěn)定性要求，建議采取框架錨桿等必要的工程措施以保證樁頂上方坡體不會發(fā)生滑動。

在坡體后方設置排水盲溝，截斷地下水向邊坡滲流的徑流途徑，同時采用集水井、深部排水孔等手段加強坡體地下水的泄排，完善排水系統(tǒng)。

亦可采用矮墻、拱型骨架護面、內護墻、路塹擋土墻[5]、錨桿框格梁植生袋等多種措施綜合處治，局部少量采用實體護面墻封面，同時加強排水。

3.3 黃土路基邊坡水毀、橋臺錐坡滑塌及涵洞沉降工程處治

黃土路基施工過程中，由于填方路基邊部未壓實，再加之受天水地區(qū)降雨的影響，經常出現(xiàn)水毀現(xiàn)象[2]，為了不影響施工的進度和質量，在黃土填筑過程中，應加強對填方路基邊部壓實處理，在雨季到來之時，注意邊部用薄膜覆蓋。對于邊坡水毀的路段，經實際工程使用并檢驗，可以采用5%石灰土回填處理或底部采用黃土回填頂部采用5%石灰土封水處理。

另外，黃土路基與橋梁相接處，經常因為排水不暢，造成橋梁錐坡沖刷嚴重，最終造成錐坡滑塌、沖垮。因此，在設計階段，應加強對黃土路基錐坡處排水處理，主要通過增加急流槽、沉淀池、集水井等處理，將路面雨水遠接遠送。其次，需加強橋梁錐坡的防護措施，在橋梁錐坡位置做封水處理，可以采用C20混凝土或實心六棱塊封面。

另外，在黃土路基施工過程中遇到比較多的是涵洞沉降問題。主要原因是水的作用[3]，表現(xiàn)在涵洞基底未做好封水處理，邊坡雨水及周邊水渠水下滲至涵洞基底，由于黃土濕陷性影響，涵洞基底沉降，涵洞開裂。例如甘肅平天高速天水北連接線LK2+098處涵洞，在施工過程中，測得涵洞基底黃土含水率達到27%左右，采用了基底換填石渣處理，但由于該涵洞上游有一處棄土場及新修建的水渠，該水渠正對LK2+098處涵洞，涵洞與水渠相接處未采用C20混凝土硬化處理，導致溝渠水下滲至涵洞基底，引起涵洞基底黃土濕陷，最終涵洞下沉。

3.4 黃土路基凍脹工程處治

針對最近幾年甘肅地區(qū)高速公路，黃土路基中央分隔帶均采用5%石灰土+8 cm現(xiàn)澆C20混凝土鋪面。然而，經過春天的凍融[6]作用，一些高速的中央分隔帶處混凝土出現(xiàn)了翹起開裂現(xiàn)象。主要原因分析：雨水在進入到中央分隔帶表層的石灰土后，未來得及排出，在冬天凍脹的作用下，表層的8 cm現(xiàn)澆C20混凝土層被擠裂?？梢詫χ醒敕指魩嗷炷撩姘彘_裂鼓起情況嚴重路段，在高溫無雨季節(jié)采取人工鑿除鑿除混凝土頂板，為保證中央分隔帶回填物壓實質量，采用發(fā)泡粉煤灰輕質土新型材料進行回填至下面層頂面，采用預制塊進行鋪砌。另外，對全線中央分隔帶水泥混凝土面板與瀝青混凝土路面交接處采取單組份聚氨脂道路灌縫膠封縫處理，以確保交接處密實，避免出現(xiàn)路面水滲入。

4 黃土路段病害防治措施

4.1 黃土路床處理

當黃土填料CBR值、回彈模量不滿足路床要求，滿足路堤要求，在不利含水量及汽車循環(huán)動荷載作用下，黃土填料的長期動強度不滿足路床要求，或臨河路基段抗洪水沖刷性能差，或濕陷性較大。根據(jù)實踐經驗，采用5%的石灰土填筑填方路段路床，填料范圍為80 cm，可保證路床的穩(wěn)定性和路面的安全使用。

填方路段：經基底處理(過濕土基底換填、濕陷性黃土處理、填前壓實等)后，采用石渣分層填筑至路床底部，采用石渣分層填筑至路床頂面，經實際公路工程項目試驗段驗證可行。

土質挖方路段：開挖至路床頂面以上10 cm，進行濕陷性處理后，并按原地面的壓實要求進行碾壓(平均沉落高度按10 cm計)，然后采用石渣或5%石灰土分層回填至路床頂面，經實際公路工程項目試驗段驗證可行。

4.2 關鍵部位處理-加強基地處理

(1)橋涵臺背基底

橋涵臺背宜采用改良細粒土或砂礫等粗粒料填筑，每1.2 m用液壓夯補強一次。在黃土濕陷性較嚴重路段及含水率較大的地方的臺背可考慮設置灰土擠密樁[7]或CFG樁等措施加強基底處理。

(2)涵洞基底

當?shù)鼗休d力大于180 kPa時，基底可采取換填墊層法[8]處理，墊層宜采用5%～6%水泥穩(wěn)定砂礫或10%灰土，墊層厚度應根據(jù)涵洞跨徑、涵頂填土高度、地基承載力等因素計算確定，墊層厚度不應小于100 cm；當?shù)鼗休d力小于180 kPa時，可采用強夯、灰土擠密樁、CFG樁等復合地基進行處理，處理深度、樁徑應通過計算確定。

(3)擋墻墻背基底

擋土墻基底可采取換填墊層法處理，墊層宜采用5%～6%水泥穩(wěn)定砂礫或10%灰土，墊層厚度應根據(jù)墻高、填土高度及地基承載力要求計算確定，墊層厚度不應小于50 cm。當換填墊層厚度不能滿足地基承載力要求時，應根據(jù)地形條件、施工難易程度，可采用強夯、灰土擠密樁、CFG樁等復合地基進行處理。

5 黃土路段施工前準備

(1)核查濕陷性黃土路段濕陷性等級、厚度、分布范圍，基底黃土層的土層性質、含水量，地下水深度等資料。

(2)施工前應做好臨時排水措施，對含水量較大路段，應進行晾曬，對地下水位較高路段必要時采取降低水位的措施。

(3)調查地下有無管線，查明其平面位置和埋深；調查占地界外的建筑物結構類型，完好程度、距處理邊界的距離；評估地基處理措施(重錘夯實、沖擊碾壓、強夯等)對建筑物的影響。

(4)濕陷性黃土地基在處理前，先在實驗路段進行處理實驗，并按照要求編施工組織設計，進行全面的管理。

(5)地基處理措施的機具配備、施工工藝及檢測必須符合設計要求。

6 總 結

天水地區(qū)特殊土類型主要是黃土，從黃土的特征分析入手，論述了黃土濕陷性對路基的主要危害，以及實用的處理措施，簡單的分析了黃土路基病害工程處治方法、黃土路段病害防治措施和黃土路基施工前的準備。

對濕陷性黃土采用換填、沖擊碾壓、擠密樁、強夯等方案處治，應結合濕陷性等級和施工環(huán)境條件，進一步細化處治段落，優(yōu)化處治方案，做好隔水防護，保證路基穩(wěn)定。

對崩塌采用清除、設置柔性防護網(wǎng)的方案處治，對于可能形成新的崩塌的陡坡、高陡坡路段，進行清除后，再設置錨桿框格梁或墊墩系統(tǒng)錨桿支擋。

對于黃土路基邊坡水毀、橋臺錐坡滑塌及涵洞沉降部位在設計階段，應加強對黃土路基邊部封水處理可以采用5%石灰土回填處理或底部采用黃土回填頂部采用5%石灰土封水處理。對于黃土路基錐坡處排水處理，主要通過增加急流槽、沉淀池、集水井等處理，將路面雨水遠接遠送。其次，需加強橋梁錐坡的防護措施，在橋梁錐坡位置做封水處理，可以采用C20混凝土或實心六棱塊封面。

另外，對于黃土路基中央分隔帶處混凝土出現(xiàn)了翹起開裂病害，在設計階段中央分隔帶處應采用發(fā)泡粉煤灰輕質土新型材料進行回填至下面層頂面，表面采用預制塊進行鋪砌。