兰州新区湿陷性黄土地基处理*

陈海军

(中铁第一勘察设计院集团有限公司，陕西 西安710043)

0 引 言

湿陷性黄土地基的处理是岩土工程界的一大重要课题，尤其对于西北黄土高原范围内的人们来说，研究并且处理好了湿陷性黄土地基的沉降问题，对于高度现代化的社会生活具有的良好的社会意义和环境效益。随着社会的发展，对于城市的扩大化都在突飞猛进，而对于地处西北的兰州来说，地理位置和周边地形地貌严重制约着城市的发展，想要城市扩容和经济发展，就得谋求更为广阔的空间，兰州新区位于兰州市北部，作为第5 个国家级新区，“四纵四横”，连接河西走廊，是通往新疆中亚的一个战略通道和物流通道。而对于将要建成的新区道路来说，最迫切的问题是怎样处理好具有湿陷性黄土的地基处理，这对于交通枢纽来说，无疑至关重要，经济价值和人文价值以及环境价值无法估量。

兰州新区市政道路工程位于兰州市北部永登县秦王川盆地及山前丘陵地带。秦王川盆地，面积约470 km2，南北长40 km，东西最宽处16 km，地形上属乌鞘岭南坡的断陷低地，地势北高南低，海拔1 850 ～2 300 m.秦王川盆地为干旱盆地，多为季节性流水沟谷，暴雨季节才有洪水下泄。年平均降雨量390.2 mm，年最大降雨量452.1 mm，年平均蒸发量1 825.7 mm. 第四系潜水由北部及东西两侧向低洼处渗流发育，埋深浅，水位在0.2 ～1.6 m 之间，含水层为砂砾，由大气降水、灌溉水及泉水补给，水质差。

盆地内主要为洪积平原所占据，其间有垄岗状残台和个别残丘分布，平原由北向南倾斜，地面坡度10% ～15%，横向上地形平坦，切割甚微。地表表层为冲洪积平原新黄土，黄土厚度小，一般在5 m 以内，具Ⅰ级非自重湿陷性或Ⅱ级自重湿陷性［1］;山前丘陵地带地形起伏大，表层为冲洪积或风积新黄土，厚度一般在10 ～25 m 之间，普遍具Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性。

目前国内外对于湿陷性黄土的研究日趋成熟，湿陷性黄土地区路基沉降是路基施工期间和道路建成后出现的一种常见现象。路基不均匀沉降必然会引起路面的凹凸不平，对行车安全不利。各种公路铁路以及市政道路对于湿陷性黄土地基处理，通过现场调查研究、大型室内外试验［2］、理论计算［3-4］和数值模拟［5］相结合等方法，创建针对性理论模型［6］，研发了湿陷性黄土地区路基沉降控制的成套技术。

主要介绍了这几种施工方法［7］:换填灰土垫层法、重锤夯实法、冲击碾压法、强夯法以及孔内深层强夯法等等，专门针对兰州新区湿陷性黄土的特点［8］，量身制定出适合其本身的地基处理方案。解决了湿陷性黄土地区路基沉降控制难题，为优化和完善路基设计提供了技术支撑，节约了工程投资。

1 湿陷性黄土理论

1.1 湿陷等级

湿陷性黄土地基的湿陷等级［9］，应根据基底下各层累计的总湿陷量和计算自重湿陷量的大小等因素判定(见表1)。

表1 湿陷性黄土地基湿陷等级Tab.1 Collapsible level of collapsible loess foundation

1.2 工程湿陷等级判定

在新区的各条道路众多的实验数据中，以纬五路湿陷性实验判定计算数据为代表，作为湿陷性地基处理采取不同措施的依据(见表2)。

表2 湿陷性黄土判定表［10］Tab.2 Loess decision table

1.3 地基处理深度

道路通过湿陷性黄土或压缩性较高的黄土地段时，可根据路堤填土高度、受水湿浸的可能性及湿陷后危害程度和修复的难易程度［11］，按下表确定湿陷性黄土处理深度。

表3 湿陷性黄土地基处理深度Tab.3 Treatment depth of collapsible loess foundation

本工程主要为城市I 级主干道［12］，对湿陷性黄土须进行适当的处理，才能满足建设工程的需求。

2 工程处理方案研究

湿陷性黄土地区地基的处理方案应主要考虑黄土湿陷等级、道路等级、施工条件和材料来源，再结合技术经济比较后确定［13］。

在一般黄土地区路段，预防自重湿陷性黄土所产生的病害，主要措施就是防止路基俩侧积水以及积水下渗。

为防止路基俩侧积水及其下渗，在路基坡脚外一定宽度范围内，整平地表以不使其积水，对积水洼地和地表裂缝应进行填平、夯实，道路两侧排水沟渠须进行防渗加固。

在重要路段，单是防水措施不够时，可采取以下处理方案加以处理，换填灰土垫层、重锤夯实或冲击碾压、强夯以及孔内深层强夯等方法，来对路堤基底及坡脚外一定宽度范围内的湿陷性黄土地基加以处理［14］。

2.1 换填垫层法

于路堤基底或路床部位换填30 ～120 cm 厚6%石灰土来加固湿陷性地基的处置方法。由于石灰剂量随时间衰减对路基压实度的影响，在实际施工中，掺灰量根据实验确定，根据已经确定的最大干密度和最佳含水量选取6%石灰剂量的稳定土配置试件，取用现场施工条件对已配置的试件进行养生，根据不同龄期分别作EDTA 消耗量试验，灰剂量衰减试验数据经分析处理后如图1 所示。

图1 石灰剂量衰减曲线图Fig.1 Lime dose attenuation curve

究其原因是由于石灰土中的氧化钙与土体孔隙中的CO2和H2O 产生碳化反应致使灰剂量随着时间的延长而逐渐减小。石灰土中发生的一系列化学反应，提高了土体的强度和稳定性，由于石灰土压实度的衰减作用，建议采用直接反映土强度的弯沉值进行检测评定。

换填垫层法需要开挖回填土方，施工周期相对较长，须设置弃土场，对周围环境影响较大。

2.2 重锤夯实

重锤夯实利用重锤从高空自由下落时产生的冲击能，使地面下一定深度内土层达到密实状态的地基处理方法。重锤夯实法适用于地下水距地表面0.8 m 以上稍湿的一般粘性土、砂土、湿陷性黄土等。

正式施工前，一般应在建筑地段先行试夯。其主要机具是起重机和重锤，重锤为一截头的圆锥体，夯锤重量不小于15 kN，锤底直径约为0.7 ～1.5 m，落距为2.4 ～4.5 m 以及最优含水量。以便确实夯击的最后下沉量，相应的最少夯遍数和总下沉量。

重锤夯实的效果与锤重，锤底直径，落距，夯击的遍数，夯实土的种类和含水量有密切关系，合理地选定以上参数和控制土的含水量，才能达到好的夯实效果。在施工过程中，应密切注意含水量的变化，及时对重锤参数调整，使土充分压实，使重锤的性能得到充分发挥。因此在施工时，一方面控制土的含水量，使土在最优含水量条件下夯实;另一方面，若夯实土的含水量发生变化，则可以调节夯实功的大小。一般情况下，增大夯实功或增加夯击的遍数可以提高夯实的效果。地下水水位距离地表小于0.8 m 或饱和软土不宜用重锤夯实法。此法对土的含水量要求比较高，否则处理效果差且施工周期较长。

2.3 冲击碾压

冲击碾压是利用冲击压路机多边形凸轮向前滚动，重心高度交替变化，在地基顶面进行冲击碾压的连续作业，从而对地基产生强大的冲击力。随着冲击碾压遍数的增加，由上至下碾压而增加密实度，形成一定厚度的冲碾均匀加固层，使地基土得以压实，从而使路基的综合强度与稳定性得到全面提高，同时消除黄土地表土层的湿陷性。冲击碾压的影响深度一般在4 m 左右，有效压实深度1.5 ～2 m.

冲击压实实施前，必须进行试验段，以获得施工经验。浅层软弱地基碾压前做好地表土的含水量检测。冲击碾压时应自边坡坡脚的一侧开始，顺时针或者逆时针行驶，以冲击碾压面中心线为轴转圈，按纵向错轮冲击碾压，全路幅范围排压，再自行向内压实，排压遍数和沉降量以试验路段确定，一般不宜少于15 遍。且现场施工时以冲击轮轮迹高差小于10 mm 来控制冲击压实次数。每冲击压实4 ～5 遍地表起伏较大时，应用平地机大致整平后，再冲击压实到设计压实度。

表4 冲击碾压检测项目［15］Tab.4 Impact rolling test items

冲击碾压兼具冲击和碾压2 种作用，因此具有强夯和振击的双重效果。同强夯相比，冲击碾压虽然加固深度和冲击能较小，不易破坏土体结构，但可以实现连续冲击，施工工效比强夯高数倍，施工速度快。冲击碾压应用于大面积湿陷性黄土地基浅层处理和黄土路堤补强压实时更具有快速高效的优势。施工工艺简单，费用低，近年来应用广泛技术成熟。

本工程线位大部分位于I 级非自重湿陷性～II 级自重湿陷性黄土区域。兰州新区年降雨量小，无明显的地表径流冲蚀路基，根据湿陷性黄土地基处理深度表，处理深度达到1 ～2 m 即可;并且将建道路两侧土地尚未开发。从经济、施工条件、处理深度等方面考虑，最适合采用冲击碾压处理湿陷性黄土地基。因此本工程推荐采用冲击碾压法。

2.4 强夯法

强夯是指利用起重设备将夯锤起吊到一定高度，而后利用自动脱钩释放重锤使其自由落下，其动能对地基土施加很大的冲击能，在地基土中形成冲击波和动应力，在消除黄土地层湿陷性的情况下，从而提高地基强度的地基加固的方法。

强夯一般采用先点夯后满夯的方法，地基土经点夯后，承载力提高，最后采用小夯击能满夯，使整个场地浅表层再次得到加固。强夯可以使土体结构发生显著变化，地基土再次重新得到固结，降低了土的压缩性，改善了土的抗液化能力，消除了湿陷性，从而提高了土层的均匀程度，减少将来有可能出现的差异沉降。

强夯的设计加固深度，主要考虑路段和构造物的重要性。强夯的有效加固深度，可用梅纳公式估算。

式中 h 为强夯的有效加固深度，m;M 为夯锤重，kN;k 为修正系数，k =0.3 ～0.5;g 为重力加速度，m/s2.

强夯的影响深度通常在4 m 以上，随着夯击能增大，有效处理深度增加，最大可达10 m 左右。强夯主要用于Ⅲ级以上厚层自重湿陷性黄土、非饱和高压缩性新近堆积黄土地基和人工松堆黄土地基的加固处理。

2.5 孔内深层强夯

孔内深层强夯(DDC 功法)是通过机具成孔(钻孔或冲孔)，后通过孔道在地基处理的深层部位进行填料用特制重锤进行冲、砸、挤压的高压强、强挤密的夯击作业，从而达到加固地基、消除湿陷性的目的，使地基承载性能显著改善。孔内深层强夯具有重锤夯实、强夯、土桩地基处理之优势，集高功能、高压强、强挤密效应于一体，适用于加固厚层高压缩性湿陷性黄土地基。

3 兰州新区湿陷性黄土处理方案结论

鉴于兰州新区黄土的湿陷类型、湿陷等级以及湿陷性土层厚度以及低填浅挖路堤等实际情况，依据土工试验数据，经技术经济综合比选，采取了以下几种处理方案。

Ⅰ级非自重至Ⅱ级自重湿陷性黄土，行车道范围内路床采用80 cm 灰土换填和人行道范围内路床采用30 cm 灰土换填的方法及灰土底面以下50 cm 范围内翻挖重新压实或行车道范围内采用冲击碾压和人行道范围内路床采用30 cm 灰土换填的方法处理措施［16］。Ⅲ～Ⅳ级自重湿陷性黄土场地，行车道范围内路床采用80 cm 灰土换填和人行道范围内路床采用30 cm 灰土换填及灰土底面以下50 cm 范围内翻挖重新压实和行车道范围内采用冲击碾压和人行道范围内路床采用30 cm 灰土换填及灰土底面以下50 cm 范围内翻挖重新压实的组合处理方案，在新区的多条市政道路施工中，对湿陷性黄土采取了灰土换填和冲击碾压的组合处理方案，在后续的道路运行过程中，并未发现因湿陷性黄土处理不当而引起的路基病害，对相邻工程的借鉴意义也已不言而喻。

4 结 论

鉴于黄土的湿陷机理，通过对黄土湿陷等级及深度的分析判定，介绍了湿陷性黄土地基处理的几种处理方案，针对兰州新区市政道路的实际情况，采取了不同的地基处理组合方案，对湿陷性黄土的处理结果相对较为理想，达到了预期的效果。在新区的其他各条道路中，不同程度的采取了灰土换填和冲击碾压及其组合的处理方案，暂未出现次生路基病害。在相邻工程中，应根据黄土的湿陷等级和厚度以及工程重要性程度，铺设试验段，结合实际情况，采取更为合理的处理方案。

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