姚天宇

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江 哈尔滨 150000）

湿陷性黄土地基处理以及湿陷性评价方法

姚天宇

（哈尔滨市市政工程设计院，黑龙江 哈尔滨 150000）

湿陷性黄土具有在自重压力下或一定压力下遇水湿陷变形的特性，针对湿陷性黄土的这一特点，从黄土产生湿陷性的机理出发，分析了工程中常用的几种黄土路基处理方法，并对这几种方法进行了综合评价。对湿陷性的评价方法以及一些常用的地基处理方法，施工工艺及质量控制要点,予以总结，重点介绍了强夯法，深层密实法。

湿陷性黄土；地基处理；湿陷评价；湿陷机理；强夯法；深层密实法

1 湿陷性黄土的机理

湿陷性黄土是黄土的一种，以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，为黄色的松散沉积物，其湿陷性对工程建筑物影响很大，见图1。黄土的湿陷机理有过多种假说。可以将湿陷机理假说归纳为三大类，即从湿陷性黄土物质组成出发的湿陷机理，如盐溶说、胶体不足说；从湿陷性黄土结构特点出发的湿陷机理，如欠压密理论、结构学说等；从力学性质来考虑，湿陷性黄土的特性突出地表现在它的结构性、欠压密性和湿陷性三个方面[1]。

图1 湿陷性黄土

黄土的结构性是描述土物理本质中比粒度、密度、湿度更为重要的一个侧面，它是指黄土的骨架颗粒成分、形态、排列方式、孔隙特征、胶结物种类以及胶结程度等对黄土的工程性质的影响。这些学说都是从单个方面对湿陷现象作了解释，都只能说明问题的某一个方面，但都不能完全说明黄土湿陷的机理[2]。

拉里昂诺夫认为黄土结构可分为三类，即粒状结构、团粒结构和粒状团粒结构；并认为具有粒状结构的黄土是湿陷的，而具有团粒结构的黄土是不湿陷的；张宗枯通过试验研究认为，大于0.005 mm的集合体越多，黄土湿陷性越强。结构学说能从空间结构力学角度分析黄土湿陷变形的机理，说明所有湿陷现象的本质，这就是黄土湿陷变形机理的结构理论。高国瑞等提出了微结构是湿陷产生的主要原因，按不同的结构形式将黄土分为多种类型，不同类型的黄土有不同的湿陷性，这是对黄土结构的一种定性描述。谢定义开拓性地提出了描述土的结构性的定量化参数—综合结构势，结构强度越大，架空孔隙所占的比例越大，则结构性参数即综合结构势就越大。由此，可以认为综合结构势越大，黄土的湿陷性越强。

2 湿陷性评价方法

国内对湿陷性的评价的具体方法是先通过黄土室内试验测定湿陷系数和自重湿陷系数，用自重湿陷系数和自重湿陷土层厚度计算自重湿陷量，确定湿陷类型；再根据湿陷类型的不同，结合建筑物设计标高、基础理深、场地整平情况，用湿陷系数计算总湿陷量。由于各地湿陷性黄土的分布不均匀性和复杂性，上述国内外关于湿陷性评价的方法不总能一一适应。

兰州大学王有林[3]在其硕士学位论文中指出仅用湿陷系数这一表征黄土湿陷性特征的单一指标来评价黄土湿陷，具有一定的不全面性，要综合考虑多种因素，对黄土湿陷做出正确评价，采用黄土湿陷性、湿陷性土层厚度和土层结构为指标，基于数据挖掘技术，综合评价黄土的湿陷特征。综合评价不是通过计算△s和△zs，确定湿陷程度这样一个简单的评价方法，而是要分析各种因素，判断并明确他们在地基湿陷过程中所起的加剧或缓冲作用，并体现在评价结果中，综合评价实质上是工程地质类比法在湿陷评价中的具体运用，对这方面的探讨尤其具有现实意义和理论意义，黄土湿陷是具有特定物质成分和结构特征的湿陷性黄土在赋存环境改变下的微结构改组现象，其本质是是微结构的改组，核心是赋存状态改变后应力与结构强度的矛盾，通过郑西客运专线6个自重湿陷性黄土场地得出如下公式：

式中：S为现场浸水试验实测最大自重湿陷量 (浸水期湿陷量或总湿陷量),mm;T为湿陷性土层厚度, m;P1,P2,P3为湿陷性土层内 δIS＜0.015、0.015≤δIS＜0.03、δIS≥0.03层厚百分比，%；a0系数，mm；a1,a2,a3为系数，mm/m；a4,a5,a6为系数，mm/m。

吉林大学的周波[4]在其硕士学位论文中对辽西黄土公路路基湿陷性评价方法开展研究工作，文中通过对辽西黄土进行变含水率湿陷性试验，研究分析了湿陷力的关系、湿陷系数与初始含水率的关系、湿陷系数及初始含水率与孔隙比的关系、相对湿陷系数等几个方面的问题。通过上述分析研究，提出了公路路基黄土湿陷系数的确定方法及压缩模量法和湿陷系数法对辽西黄土湿陷沉降的计算式。通过与规范法的计算值进行比较，分析得出可用于辽西黄土路基工程的湿陷沉降量计算公式。

3 常用的地基处理技术

黄土地基处理，应根据建筑物的类别、黄土特性、技术经济比较并注意施工条件和就地取材等原则，选择适当的处理方法。常用方法如下：

（1）换填垫层法

当湿陷性黄土层厚度不很大时，可将路基面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖除，然后换填强度较大的土或其它稳定性能好、无侵蚀性的材料(通常是渗水性好的中粗砂)称为换填或垫层法。此法处理的经济实用高度为2～3 m，如果湿陷性黄土层厚度过大，则采用换填法会增加弃方与取土方量而增大工程成本。这种方法施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层处理或部分湿陷性处理方法，经这种方法处理的灰土垫层的地基承载力可达到300 kPa(素土垫层可达200 kPa)且有良好的均匀性。

a.换填法：在湿陷性黄土厚度不大于2 m时，利用渗水性材料(砂砾或碎石)进行置换填土，可以降低压缩性，提高承载力，提高抗剪强度，减少沉降量，改善动力特性，加速土层的排水固结。它的特点是施工工艺简单，但费用比较高。

b.抛石挤淤：当湿陷性黄土位于水下，更换土施工困难，且厚度小于 3 m，表层无硬壳、基底含水量超过液限、路堤自重可以挤出的湿陷性黄土之上，排水比较困难时，采用抛片石(直径一般不小于30 cm)挤淤的方法。从中部开始抛石，逐渐向两边延伸，挤出淤泥，提高路基强度。

（2）深层密实法

采用爆破、夯击、挤压和振动及加入抗剪强度高的材料等方法，对地基深层的软弱土体进行振密和挤密的地基加固方法称为深层密实法。适用于湿陷性黄土厚度大于3 m的中厚湿陷性黄土的加固，分布面积广的软基加固处理，其加固深度可达到30 m。

主要加固方法：强夯法、土(或灰土、粉煤灰加石灰)桩法、砂桩法、爆破法、碎石桩法(振冲置换法)、石灰桩法、水泥粉煤灰碎石桩(CFG桩法)、粉喷桩法、旋喷桩法。代表方法有碎石桩法、强夯法、水泥粉煤灰碎石桩法、粉喷桩法。长安大学王富华[5]在其硕士学位论文中指出灰土挤密桩对于压实度低于0.9，填方高度高于20 m的黄土高填路堤有加固的必要性，可以很大程度的降低工后沉降量，缩短沉降期，对黄土高填方路堤的快速稳定作用明显。

强夯法：强夯法亦称动力固结法，是法国Menard技术公司于 1969年首创的一种地基加固方法，它通过一般 10～40 t的重锤和 10～40 m的落距，对地基土施加很大的冲击能，在地基土中所出现的冲击波和动应力，可提高地基土的强度、降低土的压缩性、改善砂土的抗液化条件、消除湿陷性黄土的湿陷性等[6]，见图2。同时，夯击能还可提高土层的均匀程度，减少将来可能出现的差异沉降该法设备简单，原理直观，适用广泛，特别是对非饱和土加固效果显著。这种方法加固地基速度快，效果好，投资省，是当前最经济简便的地基加固方法之一。对于砂土地基及含水量在一定范围内的软弱粘性土地基，可采用重锤夯实或强夯。它的基本原理是：土层在巨大的冲击能作用下，土中产生很大的压力和冲击波，致使土体局部压缩，夯击点周围一定深度内产生裂隙良好的排水通道，使土中的孔隙水(气)顺利排出，土体迅速固结[7-8]。强夯后地基承载力可提高 3～4倍，压缩性可降低200%～1 000%，在宁夏地区应用的比较多。

图2 强夯法示意图

应注意的问题：

a.首先在设计阶段，应考虑湿陷性黄土处于哪一种类别、等级以及场地等因素，因为强夯的夯击能量，夯点布置，夯击深度，夯击次数和遍数等因场地而异，土的含水量、孔隙比及夯击的单位面积夯击能对湿陷性黄土的强夯有效加固深度起着重要的作用。在经过试夯后确定出设计参数，确定施工设计方案，因此不经试夯确定施工参数往往会给工程造成后患。

b.由于强夯影响深度内土的含水量差异，会导致局部处理效果不佳，对于此种情况必须采取土的增湿或减湿措施，以免出现橡皮土情况。如有此种情况，应立即停止夯击，当凉晒一定时间后，在夯击坑内加入碎石类的粗骨料，继续夯击。

c.施工中在控制关键工序上严把质量关，因为一份设计提供后，锤重、落距、夯点布置等是没有随意性的，而唯一可能被人为改变的是夯击次数，因在试夯时根据最后夯击的沉降量来确定夯击次数的，当别的参数已确定后，它就成为影响处理的唯一因素，所以施工中应以它为质量控制的关键工序管理点。

d.强夯结束后，检测的重点是判定它的有效加固深度是否达到设计要求，因为有效加固深度的第一标准应是消除湿陷性，也就是以δs＜0.015作为判别指标。所以检验手段应采用探井取不扰动土试样进行检测。当这一指标达到要求后，一般情况下对承载力的要求等也均可满足。

挤密砂桩、碎石桩加固法：属于复合地基的一种，当湿陷性黄土层较厚，换填处理比较困难，地基土属于非饱和粘性土或砂土时，采用挤密砂桩或碎石桩加固法，可以使地基土密实，容重增加，孔隙比减少，防止砂土在地震或受震动时液化，提高地基土的抗剪强度和水平抵抗力，减少固结沉降，使地基变均匀，起到置换、挤密、排水作用，防止地基产生滑动破坏，提前完成沉降，减少沉降差。

高压旋喷桩技术也可以用于黄土地基的加固，具有安全可靠、适用的土质广、施工噪音小、桩身强度高、固结体形状可控制、料源广阔、价格低廉等特点。

（3）置换法

由于深层密实法中的几种方法都有加入高抗剪强度的材料，置换湿陷性黄土中部分成分的加固机理，与原有的土体共同组成复合地基，达到加固地基的目的，因此深层密实法有时也称为置换法。

（4）排水固结法

在湿陷性黄土地基上加压并配合内部排水，加速湿陷性黄土地基的排水，加快湿陷性黄土固结的处理方法称为排水固结法。适用于处理各类淤泥、淤泥质粘土及冲填等饱和粘性土地基。湿陷性黄土地基在附加荷载的作用下，逐渐排出孔隙水，使孔隙比减小，产生固结变形。主要加固方法：堆载预压法、砂井法、袋装砂井、真空预压法、电渗排水法、降低地下水位法、塑料排水板法。

（5）化学加固法

通过在湿陷性黄土地基中加入水泥或其它化学材料，进行湿陷性黄土地基处理的方法称为化学加固法。适用于处理砂土、粉土、淤泥质粘土、粉质粘土、粘土和一般人工填土，也可以在处理裂隙岩体及已有构筑物地基加强中。水泥或其它化学材料注入土体后，与土体发生化学反应，吸收和挤出土中部分水与空气形成具有较高承载力的复合地基。主要加固方法：硅化法、粉喷桩、旋喷桩、注浆、水泥土搅拌法。

（6）加固路基法

通过在路基中埋入高强度、大韧性的土工聚合物、拉筋、受力杆件或柴(木)梢排等方法加强路基的自身强度，增加抵抗地基变形沉降的能力。适用于软弱岩体、土体中的路堤与路堑。

主要加固方法：加筋土路基、土工聚合物、土钉墙、土层锚杆、土钉、树根桩法、柴(木)梢排法。

（7）其他加固方法

除了上述湿陷性黄土路基处理方法外，比较常用的还有桩基、沉井、侧向约束法、反压护道法。桩基与沉井常用于在湿陷性黄土地基中建设重要构筑物(桥梁、大型涵洞等)的基础中，根据软弱土层的厚度其下承层土质情况，桩基设计可分为柱桩与摩擦桩两种。常用的桩基有钻孔桩、挖孔桩、管桩、木桩。

4 结论

现在国内外湿陷性黄土的处理出现了多种不同的形式，主要归为三类：

（1）对湿陷性黄土的土体进行物理作用，或使使其体积的到一定程度的压缩，或加入一定的材料，从而使其物理性质发生一定的变化，从而在一定的深度及程度上消除黄土的湿陷性，例如：强夯、冲击压实、挤密桩加固路基法等等均为这种类型；

（2）挖除土体进行换填，用非湿陷性材料替代需处理区的湿陷性黄土，从而消除此部分土的湿陷性，以进行上部施工，例如各种换填均是此种类型；

（3）在湿陷性黄土内部使用一定的工艺进行桩体施工，通过桩体进行支撑，例如深层搅拌桩等。

每种处理方式各有自身的特点，但也有各自的应用范围及处理深度，在施工当中应注意根据施工现场实际情况,采取相应措施：

（1）调查清楚地下水位的变化幅度，做好基础地面周围的防水、排水，基面平整且具有0.005的放射坡度，必要时做排水沟、截水沟排水，防止雨水的聚积。

（2）基础应远离水渠和水管10 m以上。基础埋深应不小于2 m，且大于冻土深度。注意防水排水工作，基坑内挖出的土，沿坑边堆成坝，以防止地面水流入。

（3）基础设计时，地基承载力应控制在地基容许承载力的80%。

总之，上述几种湿陷性黄土路基的处理方法近年来在公路建设中被广泛使用，都取得了良好的效果。在实际工程应用中，通过对上述处理措施的分析比选，可提出一个总体的应对湿陷性黄土路基的解决方案。实际上水是湿陷性黄土区路基设计、施工、养护与管理中影响最大的因素，因此应尽量减少水对路基工程的影响，搞好排水系统设计与施工工作。同时湿陷性黄土区的路基处理也是影Ⅱ向路基稳定的一个重要因素。路主体本身的设计与施工质量对公路路基稳定性的影响和路基加固与防护等问题，这些都是复杂的工程问题。总之，从单一方面不能消除湿陷性黄土区的路基病害，必须采用综合设计的方法，用系统工程的观点，统筹安排，进行有针对性的合理设计，通过严密的质量控制手段，都能够经济而有效地获得期望的效果。

[1]支喜兰.黄土地区公路路基地基承载力评价方法研究[D].陕西西安:长安大学,2005.

[2]白双信.黄土地区高速公路施工新技术[M].北京:人民交通出版社,2001.

[3]王有林.黄土湿陷及其评价方法[D].甘肃兰州:兰州大学,2009.

[4]周波.公路路基黄土的湿陷性评价方法研究[D].吉林长春:吉林大学,2009.

[5]王富华.灰土挤密桩对黄土高填方路基的加固效果分析[D].陕西西安:长安大学,2008.

[6]龚晓南.高等级公路地基处理设计指南[M].北京:人民交通出版社,2005.

[7]Mikasa M,etc,Nonlinear consolidation theory for non-homogenous clay layer and its application[J].Soils and Foundations,JGS.

[8]刘保健.公路路基沉降过程试验与理论分析[D].陕西西安:西安理工大学,2004.

U416.1

A

1009-7716（2016）12-0025-04

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.12.008

2016-10-15

姚天宇（1980-），男，黑龙江哈尔滨人，高级工程师，从事路桥工程设计工作。