西吉縣黃土溝壑區(qū)濕軟地基處理技術(shù)研究

劉安寧

（寧夏公路勘察設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，寧夏 銀川）

引言

目前，國(guó)內(nèi)軟土已進(jìn)行大量研究，但濕軟黃土雖已開展了一定研究工作，但研究?jī)?nèi)容主要依托陜西、甘肅內(nèi)部分工程項(xiàng)目展開的黃土處理方案研究，針對(duì)寧夏地區(qū)研究較少，尤其西吉地區(qū)，該區(qū)域濕陷性黃土分布廣泛、相比于其他省份，濕陷性等級(jí)高、孔隙大，濕軟黃土特性也存在一定的差異性。因此，本研究結(jié)合S60 西吉至?xí)幐咚伲ㄒ韵潞?jiǎn)稱西會(huì)高速）對(duì)沿線濕軟地基力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行分析，并結(jié)合相關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范及有限元軟件模擬分析，研究該區(qū)域濕軟黃土處理措施及影響因素，為該區(qū)域及周邊類似工程提供參考。

1 工程概況

S60 西吉至?xí)幐咚俨捎秒p向四車道高速公路標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度21.5 m。項(xiàng)目位于黃土高原腹地，濕陷性場(chǎng)地約占全線95%，由于區(qū)域內(nèi)濕陷性黃土，孔隙比大，濕陷性等級(jí)多為自重濕陷性Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）、Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重），當(dāng)谷底含水率上升情況下，濕陷性消失，形成連續(xù)性差，層厚深、天然孔隙比大、含水率高的濕軟黃土。沿線濕軟黃土物理力學(xué)指標(biāo)為：褐黃色粉質(zhì)黏土，軟塑- 流塑，含水率w=30.5%～33.4%，塑限wp=18%～21%，液限wL=29%～31%，塑性指數(shù)IL=11～14，天然孔隙比e0=1.001～1.057，滲透系數(shù)6×10-4cm/s。濕軟地基在沿線存在分散性，對(duì)于西吉縣濕軟黃土有相當(dāng)?shù)牡湫托裕茌^好代表該區(qū)域綜合特性。

2 西吉縣黃土溝壑區(qū)濕軟地基力學(xué)特征

（1） 強(qiáng)度隨著含水率上升明顯下降

圖1 顯示隨著含水率的升高，內(nèi)摩擦角在25%含水率前變化較小，在可塑階段內(nèi)摩擦角已開始呈現(xiàn)明顯線性降低的趨勢(shì)，當(dāng)含水率達(dá)到35%，飽和度接近100%時(shí)，內(nèi)摩擦角降低至12.7°。圖2 顯示粘聚力在塑限前基本無(wú)明顯變化，當(dāng)高于塑限后，粘聚力隨著含水率上升呈現(xiàn)線性降低的趨勢(shì)。當(dāng)達(dá)到規(guī)范[1]軟土鑒定指標(biāo)表中的含水率大于30%時(shí)，力學(xué)性質(zhì)降低明顯，相比自然狀態(tài)下，濕軟黃土內(nèi)摩擦角及粘聚力分別下降30%及46%，含水率對(duì)濕陷性黃土地區(qū)穩(wěn)定性影響大。

圖1 含水率與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線（單位：°）

圖2 含水率與粘聚力關(guān)系曲線（單位：kPa）

（2） 壓縮性較高，接近規(guī)范軟土指標(biāo)下限

經(jīng)地勘資料顯示，濕軟黃土壓縮系數(shù)為0.4～0.7 MPa-1，壓縮模量為2.8～4.8 MPa，壓縮性較高，但整體壓縮模量?jī)?yōu)于軟土。

（3） 厚度厚：由于背陰，蒸發(fā)少，區(qū)域黃土厚度在6～14 m 之間，厚度較厚，下部主要為泥巖。

（4） 測(cè)定承載力難：濕軟黃土抗擾動(dòng)能力差，由于含水率及飽和度高，其呈現(xiàn)絮凝狀結(jié)構(gòu)，在遭受外力作用下，土體破壞，強(qiáng)度也隨之下降，停止擾動(dòng)靜置后土體強(qiáng)度存在恢復(fù)，現(xiàn)場(chǎng)測(cè)定承載力較差[2]。

（5） 濕軟黃土硬殼層土體呈現(xiàn)硬塑～軟塑狀態(tài)，土質(zhì)軟硬分布不均，存在一定夾層。

3 西會(huì)高速濕軟黃土處理技術(shù)實(shí)踐

針對(duì)西會(huì)高速濕軟黃土特點(diǎn)，采用處理方式如下：

（1） 下部拋石擠淤上部換填

西會(huì)高速收費(fèi)站出口連接線采用10 m 雙向兩車道二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，部分連接線位于溝壑區(qū)中的沖溝，排洪條件差。地勘顯示，0～0.8 m 為可塑粉質(zhì)黏土，0.8～4.7 m 為流塑粉質(zhì)黏土，4.7 m 以下為可塑及硬塑粉質(zhì)黏土，機(jī)械無(wú)法施工碾壓?？紤]二級(jí)公路工后沉降為50 cm，要求標(biāo)準(zhǔn)相比一級(jí)、高速公路較低，因此，設(shè)計(jì)采用整體式擠淤（懸浮式）進(jìn)行處理，考慮濕軟黃土當(dāng)含水率降低后強(qiáng)度明顯增加，因此采用開挖0.5 m 流塑狀軟土后晾曬降低含水率進(jìn)行拋石擠淤[3]，上部進(jìn)行換填。拋石厚度根據(jù)濕軟黃土深度按制在60～120 cm，采用直徑大于30 cm 不易風(fēng)化石料進(jìn)行整體式擠淤，上部采用砂礫、碎石換填碾壓作為過渡層及排水層。

（2） 水泥攪拌樁

西會(huì)高速公路一標(biāo)段部分段落位于溝壑區(qū)，該地區(qū)原濕陷性等級(jí)為Ⅲ級(jí)（嚴(yán)重）孔隙比大，由于雨季頻繁降雨，雨水滲流堆積，地基內(nèi)含水率急劇增加，呈軟塑～流塑粉質(zhì)黏土，現(xiàn)已形成濕軟地基，無(wú)濕陷性，濕軟黃土平均厚度達(dá)到7.1 m，處理方案采用水泥攪拌樁處理，路基邊坡坡腳外擴(kuò)大2 排樁，梅花形布置，樁間距為1.2 m，樁徑0.5 m，樁長(zhǎng)樁端進(jìn)入持力層0.5 m，施工由兩路基邊線向路中線同時(shí)施工，采用間隔跳打的施工方法，上部換填鋪墊30 cm 厚級(jí)配碎石，最后上填50 cm 厚級(jí)配碎石排水墊層及復(fù)合土工布進(jìn)行固結(jié)排水。

4 有限元模擬分析

結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況，選取典型斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬分析，通過MIDAS/GTS NX 有限元軟件模擬計(jì)算軟弱黃土下沉降量及攪拌樁加固效果。路基平均填土高度9.2 m（0.5 m 級(jí)配碎石排水褥墊層+8.7 m 路基填土），地下水埋深約1.5 m，土層結(jié)構(gòu)分布自上而下依次為5.6 m 軟塑～流塑黃土狀粉質(zhì)黏土、1 m 硬塑黃土狀粉質(zhì)黏土，下部為砂質(zhì)泥巖。水泥攪拌樁采用彈性模型，彈性模量選擇125 MPa，泊松比選擇0.2。具體工程土體參數(shù)見表1。

表1 有限元模型所選取材料參數(shù)

濕軟黃土采用修正劍橋模型[4]，路基填土、碎石及泥巖采用摩爾庫(kù)倫模型，模擬分析水泥攪拌樁地基處理期間、路基填筑期間（80 天）、施工兩年后以及通車運(yùn)營(yíng)15 年后四個(gè)階段的固結(jié)沉降。

圖3 顯示有限元模擬結(jié)果與沉降觀測(cè)的對(duì)比，從圖中可以看出模擬結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果趨勢(shì)性相近，具有較好的匹配性。經(jīng)目前工程實(shí)踐反饋，采用該處理方案的觀測(cè)結(jié)果表明，路基填筑期間沉降較大，運(yùn)營(yíng)期路基沉降量小，目前西會(huì)高速已運(yùn)營(yíng)接近4 年，工后沉降滿足規(guī)范要求，因此，采用上述處理方案處理西吉縣濕軟黃土效果較好。

圖3 有限元模型與實(shí)際監(jiān)測(cè)對(duì)比（單位：m）

由于濕軟黃土滲透系數(shù)明顯大于軟土，表現(xiàn)在其總體固結(jié)沉降也明顯較快，在施工填筑期間沉降已達(dá)到0.194 m，最初地面線以上50 cm 的級(jí)配碎石褥墊層起著濕軟黃土排水的作用，此時(shí)露出地面還剩約0.3 m，本次模擬高度為9.2 m，考慮未來(lái)存在10 m以上較高填土，因此，為保證排水層在施工期間沉降后仍起到排水作用，碎石排水褥墊層應(yīng)至少按制在0.5 m。

固結(jié)沉降至900 天左右，濕軟黃土固結(jié)沉降已基本穩(wěn)定，對(duì)比運(yùn)營(yíng)15 年后總沉降的0.243 m，固結(jié)900 天已沉降0.240 m，僅增加0.003 m，已達(dá)到整體固結(jié)的95%以上，處理過程中，由于水泥攪拌樁已嵌入持力層（泥巖內(nèi)），工后沉降較小僅為0.06 m?？紤]一級(jí)公路、高速公路規(guī)范中工后沉降要求高，因此，為保證項(xiàng)目質(zhì)量，針對(duì)該地區(qū)濕軟黃土應(yīng)在施工初期與橋涵構(gòu)造物一起，作為第一批項(xiàng)目進(jìn)行施工及填筑，自施工至運(yùn)營(yíng)期開始基本可完成固結(jié)沉降，條件允許情況下可進(jìn)一步考慮超寬填筑。

考慮0.5 m 樁徑情況下，1.2 m～2 m 樁間距沉降趨勢(shì)。從圖4 可以看出，樁間距越小，由于樁土置換率越大，導(dǎo)致沉降趨于穩(wěn)定越快，在4 倍樁徑（2 m 樁間距）前，沉降隨著樁間距增長(zhǎng)接近線性增長(zhǎng)，每增加0.2 m 間距，沉降增大百分比分別為6.4%、7.2%、6.9%，而當(dāng)達(dá)到4 倍樁間距時(shí)，相比于1.8 m 樁間距沉降增加10.1%，相比初始1.2 m 樁間距增加了34.5%，達(dá)到0.327 m，增長(zhǎng)幅度明顯增大。工后沉降方面，1.2 m～2.0 m 樁間距，沉降分別為6.0 cm、6.5 cm、7.2 cm、8.0 cm 及9.0 cm，均滿足高速公路、一級(jí)公路工后路基20 cm 的沉降要求。有限元模擬計(jì)算的最大樁軸力位于路基中心分別為255.4 kN、339.2 kN、423.9 kN、530.0 kN 及635.2 kN，經(jīng)以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)反饋，一般情況下，單樁極限承載力一般在500～600 kN左右，因此，按制在1.8 m 樁間距以內(nèi)，可保證樁身強(qiáng)度滿足使用要求。經(jīng)總沉降、工后沉降及樁身強(qiáng)度分析，在3 倍樁間距（1.6 m 樁間距）左右為較合理、經(jīng)濟(jì)的處理間距。

圖4 不同樁間距沉降趨勢(shì)（單位：m）

圖5 為2 m 間距情況下，0.5～0.9 m 不同樁徑的影響沉降的曲線，從圖中可以看出樁徑在0.8 m 及0.9 m 實(shí)際影響沉降并不明顯，此時(shí)樁間距為2.2～2.5，而0.7 m 樁徑在整體沉降較小的同時(shí)，固結(jié)速率變化較快，此時(shí)對(duì)應(yīng)樁間距為2.9 左右，這也進(jìn)一步表明3 倍左右樁間距為較優(yōu)處理間距，結(jié)合規(guī)范其所對(duì)應(yīng)的樁土面積置換率m 約在0.07～0.1 之間。

圖5 不同樁徑沉降趨勢(shì)（單位：m）

5 結(jié)論

（1） 西吉縣濕軟黃土地基當(dāng)含水率大于30%，較自然狀態(tài)黃土，濕軟黃土內(nèi)摩擦角下降30%，粘聚力下降46%。在可塑階段摩擦角隨含水率上升呈現(xiàn)線性下降，粘聚力當(dāng)高于塑限后，粘聚力隨著含水率上升呈現(xiàn)線性降低的趨勢(shì)。

（2） 經(jīng)西會(huì)高速模擬、監(jiān)測(cè)、運(yùn)營(yíng)結(jié)果反饋，針對(duì)道路等級(jí)、軟弱土層厚度等因素分別采用的拋石擠淤加換填及水泥擠密樁處理方案處理效果明顯。

（3） 為保證填筑沉降后基底仍可起到排水功能，碎石排水褥墊層應(yīng)至少0.5 m。由于區(qū)域濕軟黃土滲透系數(shù)明顯優(yōu)于軟土，自填筑完成2 年后，固結(jié)沉降已基本完成，施工時(shí)應(yīng)提前超寬填筑，提前固結(jié)。

（4） 水泥攪拌樁處理濕軟黃土，在2.2～2.5 倍樁間距處沉降位移變化不大整體處理相對(duì)保守，3 倍樁間距左右為較憂的處理間距，對(duì)應(yīng)樁土面積置換率約在0.07～0.1 之間。