黄土地区公路病害与防治措施研究

2013-04-18陈科

交通运输研究 2013年19期

陈科

（喀什地区公路桥梁工程有限责任公司，新疆喀什 844000）

0 引言

黄土一般具有湿陷性，黄土地区公路病害的主要原因由黄土湿陷性引起。湿陷性黄土是指在一定压力作用下受水浸湿时，因其结构迅速破坏而发生显著附加竖向变形的、非饱和的、结构不稳定的黄土。由于黄土形成的地质年代和所处自然地理环境不同，其外貌特征与工程性质有明显的差异。根据黄土的沉积特点，我国黄土分布自西向而东分为三个区域：西北干燥内陆盆地、中部黄土高原、东部平原。

新疆地区的黄土主要分布在准噶尔盆地和塔里木盆地，属西北干燥内陆盆地区域。盆地四周有近东西走向的山脉，自然环境特点是高山终年积雪，盆地中心是无垠沙漠，黄土覆于山前地带，气候异常干旱，雨量稀少，地面辐射强烈，温差大，风力强烈，黄土基本上处于风扬地带，受风力、冰川再搬运的作用很大，形成各种类型的次生黄土。

1 黄土的结构和特征

黄土一般具有以下特征：颜色以黄色、褐黄色为主；颗粒组以粉粒为主，含量一般在50%～75%，其次为砂粒，约占10%～30%；孔隙比大，一般为1.0左右；有肉眼可见的大孔隙；富含碳酸盐；垂直节理发育。

黄土中的粘粒、细粉粒，大部分附在砂粒及粗粉粒的表面或被胶结成集粒，或聚集在大颗粒间的接触点处。黄土中的集粒和粉粒共同构成了支承结构的骨架，较大的砂粒“浸”在结构体中。由于其接触连接点少，排列比较疏松，构成了一定数量的架空孔隙，而在接触连接处没有或只有少量的胶结物质。实验研究表明，粘粒含量的增加对湿陷性有减轻作用，当粘粒含量大于30%时，可消除其湿陷性；粉粒含量的增加对湿陷性有增大作用。

黄土遇水膨胀，干燥后又收缩，反复的吸水和干燥会形成裂缝及剥落。由于黄土在自然沉积过程中在重力作用的影响下，其竖向的粒间距离变小，而水平方向的粒间距离较大，所以具有天然湿度的黄土在干燥后，水平方向的收缩量较垂直收缩量要大。

2 黄土的湿陷机理与特征

2.1 湿陷机理

与一般土一样，黄土在荷载作用下会发生弹性变形、压密变形、塑性变形和蠕变变形。黄土在天然状态下，其孔隙比较大，处于欠压密状态，弹性变形极小，变形主要为压密变形，而压密变形又由压实变形和湿陷变形组成，湿陷变形量较大，而且发展迅速，这对于以黄土为路基的道路结构具有极大的损坏。黄土的湿陷性的主在由于水（外因）和自身结构（内因）特点引起。当水进入土孔隙中，将土颗粒之间胶结的可溶盐溶解，使得颗粒间起胶结作用的可溶盐胶体体积变小，厚度减薄，使得胶结体的抗剪强度减弱，但溶解到一定程度，残留胶结体抵抗不了颗粒之间的剪切力时，颗粒之间发生挤密变形，宏观上表现为湿陷。

2.2 湿陷特征

黄土的湿陷性有以下几个特点：

a）时效性黄土发生湿陷其主要外因为水，当在多雨季节，尤其是大暴雨时，由于水量大，导致大量的雨水下渗，使得黄土路基在短时间内发生大面积的湿陷，易导致路基形成坑洞、沟穴，危及道路行驶安全；

b）重现性黄土湿陷的治理十分困难，如找不到其发生湿陷的源头，或是治理措施不得当，会有可能再同一位置再度发生湿陷；

c）易发性水为黄土发生湿陷的外因，降雨或积水都会引起黄土湿陷，且黄土垂直节理裂隙发育，水易从垂直节理向下渗，引起深部的黄土发生湿陷；

d）隐蔽性黄土湿陷前，往往不易发现，具有很大的隐蔽性，黄土湿陷有时从路基底穿过，变幻莫测，时隐时现，如果探源不仔细，很难发觉，易产生坑洞和陷穴，引起路基或边坡破坏，危害性很大。

3 黄土湿陷防治对策

湿陷性黄土地基发生湿陷的内因是土的大孔性和多孔性，结构疏松；而水则是发生湿陷的主要外因之一。所以要防止路基发生湿陷，要么消除内因，要么改变外因。要消除内因，就必须进行地基处理，预先破坏黄土的大孔隙结构；要改变外因，就应采取必要的防水措施并控制基底压力。

3.1 防水与治水措施

由前文可知，水是引起黄土湿陷的主要外部因素，黄土在天然含水率的情况下，是不会发生湿陷的。所以采取有效的防水措施，能有效地防止湿陷的发生。目前防水一般采取阻、排、疏、导等措施。以防水的积蓄和下渗。

3.2 地基处理

如前所述，湿陷性黄土地基的变形包括压缩变形和湿陷变形两种。压缩变形是土在天然含水率下由结构物的荷载所引起，它随着时间的增长而趋于稳定。当基底压力不超过地基的容许承载力时，地基的压缩变形通常很小，不会影响上部结构的安全和正常使用。湿陷变形是由于地基被水浸湿所引起的一种附加变形，往往是局部的，突然发生的，而且有可能很不均匀，对结构物的破坏性较大，危害性较为严重。对湿陷性黄土地基处理在大多数情况下的主要目的不是为了提高地基承载力，而是为了消除黄土的湿陷性。

3.2.1 垫层法

垫层法主要适用于地下水位以上的湿陷性黄土路基处理。

垫层法根据所采用的垫层材料分为砂石垫层法、粘性土垫层法和灰土垫层法。当仅要求消除基底1～3m厚湿陷性黄土的湿陷性时，宜采用局部土垫层进行处理；当同时要求提高垫层的承载力及增强水稳定时，宜采用整片砂石垫层进行处理。

砂石垫层本身的承载力高，变形模量大，施工质量易控制，不受气候和环境的影响，近年来常作为路基的处理方法，但其主要缺点为造价高，还应该注意它不适用于下卧土层为高压缩性、低承载力的地基。

灰土垫层法是将石灰与处理范围内的湿陷性黄土按一定体积比例混合均匀，然后分层铺设、夯实成为灰土垫层。由于加入了无机胶结材料，垫层土料力学指标和不透水性均比原湿陷性黄土有了大幅度提高。该施工不受机械设备的限制，而且工程造价低，质量指标容易控制。

3.2.2 土桩或灰土桩法

这是在机械、人力或爆扩成孔后，填以最优含水量的素土或灰土并分层夯实成桩的方法。成桩的过程中也可以挤密湿陷性土，消除部分湿陷性。该法一般适用于地下水位以上且饱和度小于65%的湿陷性黄土，处理的深度一般为5～15m。

3.2.3 强夯法

强夯法是将重锤起吊后自由落下，对土进行反复强力夯实，以提高其强度，降低压缩性和消除湿陷性。强夯对湿陷性黄土湿陷性消除效果明显，一般处理深度可达8～10m。强夯法适用于土的饱和度小于60%的湿陷性黄土地基的处理。由于湿陷性黄土一般都处于非饱和状态，土中基本不存在或只有极少量的自由水，因此强夯过程中不涉及到孔隙水压力的消散和排水固结一系列问题，这就为简化施工顺利提供了有利条件。夯击点一般可按正方形或梅花形网格布设，一般可以在一个夯击点上一遍连续夯击所需夯击的总击数，然后再移至下一个夯击点，逐点一遍夯成。最后，再降低落距，搭夯一遍将坑底夯平。

3.2.4 钻孔夯扩挤密法

钻孔夯扩桩挤密法又称为孔内强夯法，它先用钻机成孔，再向孔内分层填筑建筑垃圾、素土等，然后在孔内夯实。与土桩不同的是，钻孔夯扩桩是在回填的时候对桩间土进行挤密，而土桩是在成孔的时候对桩间土进行挤密。

3.2.5 预浸水法

此法可消除地面以下6m内全部土层的湿陷，需要一定的浸水时间和停水时间，一般是一年。如果在其他已建工程附近，可能会引起新的陷穴，故这种情况不宜使用该法。

3.2.6 化学加固法

单液硅化法是将相对密度为1.13～1.15的硅酸钠溶液利用带孔眼的管注入土中，使溶液中的钠离子与土中水溶盐中的钙离子发生交换反应，在土颗粒表面形成硅酸凝胶薄膜，从而增强土粒间的粘结，填塞粒间孔隙，使土体具有抗水性、稳固性、不湿陷性和不透水性特征。