轻微湿陷性黄土区域路基工程掺灰改良处理的研究

时小波

（张家口通泰高速公路投资股份有限公司，河北 张家口 075000）

0 引言

黄土在我国分布广泛，面积约为630 000km2，其中湿陷性黄土约占3/4，主要分布在甘肃、陕西、宁夏、山西、河北、河南等省份。湿陷性问题一直是黄土地区修建各类建筑物的典型问题。因此，近年来，我国各大高校、科研机构及一线施工负责人员对湿陷性黄土的成因分析、病害防治等方面开展了大量研究，积累了较为丰富的实践经验。刘娜等[1]介绍了湿陷性黄土的分类、成因，提出了保障边坡稳定的防治措施；郭显锋等[2]对湿陷性黄土填筑施工填料的选择、含水量控制、压实工序等提出了实用性对策。考虑湿陷性黄土填筑路基病害频发，处理难度大，改良土在具体工程实践使用中由于工序控制不当、病害频发等因素，为保证工程质量，便于施工，在高等级公路、铁路等工程实践中往往对带有湿陷性的挖方土做弃方处理，而路基填料一般选用技术指标合格的远运土方，造成了一定的资源浪费。由于黄土湿陷等级的不同，其处理方式、施工工艺、应用范围也存在差异。目前，国内改良轻微湿陷性黄土用于高等级公路的具体工程实践仍较少。在轻微湿陷性黄土区域，如果能够改良利用原状土作为路基填料，既能减少弃方土工程数量、节约工程投资，又能尽快解决路基填料短缺问题、加快工程施工进度，从而减少取土场数量，最大程度地降低对地表环境的破坏。因此，开展轻微湿陷性黄土掺灰改良方案的研究尤为必要。

1 黄土湿陷现象的成因

黄土在形成初期非常松散，其结构体系主要靠颗粒间的摩擦和少量水分的微弱黏聚力维持。在干旱和半干旱气候条件下，土壤中的水分逐渐蒸发，土壤体积收缩，溶于水中的盐类逐渐浓缩并聚集于土颗粒接触点处，形成一定的胶结连接。经过多次的反复湿润干燥过程，土颗粒之间的密度逐渐增大，颗粒间的分子引力增大，颗粒间的胶接连接增强，土颗粒的抗滑移能力增强，阻止了土体的自重压密，形成了以粗粉颗粒为主体骨架的多孔隙及大孔隙结构。

当黄土受水浸湿时，土颗粒之间形成水膜，颗粒之间的摩擦力降低。颗粒间的胶结连接溶于水中，土壤主体骨架强度也随之降低。在上覆土层的自重压力或在自重压力与附加压力等共同作用下，土体结构迅速破坏，土粒向大孔滑移，从而导致大量的附加沉陷，这就是黄土湿陷现象的成因[3]。湿陷性黄土的湿陷性是导致路基下沉、路面破坏的根本原因。

2 掺灰改良处理的力学机理

湿陷性黄土在掺入消石灰后同普通石灰土一样，同土发生胶体、胶凝、碳化、结晶四个反应。

2.1 胶体反应

湿陷性黄土在掺入消石灰后，土中的H+、Na+等离子立即与Ca（OH）2溶于水后的Ca2+发生离子交换，导致土颗粒之间的水膜厚度减薄，土体发生凝集或凝聚，形成团粒结构，土的塑性和压实性发生改变。此过程在消石灰与土接触后即发生。

2.2 胶凝反应

土体矿物中的SiO2和Al2O3在水溶液中同石灰发生反应，形成了较为坚韧的硅酸钙（CaSiO3）、二铝酸钙（CaO·2A1203）和一铝酸钙（CaO·A1203）的混合物。该混合物将土体颗粒凝聚，不易溶于水，需较长时间发生反应。

2.3 碳化反应

Ca（OH）2溶于水后，Ca2+与空气中的CO2接触，经碳酸化反应而形成CaCO3。

2.4 结晶

随着石灰土水分的散失以及化学反应对水分子的消耗，混合体中的Ca（OH）2和硅酸盐、碳酸盐、氯酸盐晶体逐步析出，使土颗粒之间空隙减少，更加密实，从而使土体获得“附加强度”。

以上为石灰土发生的四种物理、化学反应。经过以上四个过程，土体骨架孔隙得到了有效填充，固结后强度较大；利用石灰较强的固结能力，土颗粒之间的胶结连接能够显著增强，从而提高了土体的承载能力；改良石灰土在固结完成后具备一定的封水作用，对降低改良土以下的湿陷性黄土的湿陷量具有良好的效果。

3 张石高速蔚县支线掺灰改良处理试验

张石高速蔚县支线工程位于河北省张家口市南部地区，地处蔚县境内，出露地层种类较多，区域内地层有：元古界震旦亚界长城系，蓟县系；古生界寒武系、奥陶系；中生界侏罗系；新生界第三系、第四系。地形属山间盆地河谷区，地貌形态有山前冲积扇、山前冲积平原、河流阶地、河漫滩、河床等，轻微湿陷性黄土分布较广。依据项目设计图纸[4]，根据设计地勘取样10 个探井的湿陷性试验结果分析，湿陷性黄土状土厚度为1～5.5m，深度为1.6～10m。其中，Ⅰ级（轻微）非自重湿陷性黄土段长14km，Ⅱ（中等）非自重湿陷性黄土段长2km。该项目挖方土600 456m³，以轻微非自重湿陷性黄土为主，约368 811m³，占比61%。

本文以张石高速蔚县支线工程某挖方段挖方土为样本，对原状土的湿陷性等级、性能指标等参数进行判定与检测，开展了掺灰（消石灰）1%、3%、5%三种改良方案的研究。

3.1 原状土取样及湿陷性等级的判断

试验在某挖方段取样，原状土为黄褐色细粒土，洁净无杂质。试验选取3处共计20kg土样，对土的有机质含量、膨胀性、湿陷量、含水率、承载比等指标进行检测和试验。

经检测，样本土有机质含量为1.87%，自由膨胀率为10%。参考《公路土工试验规程》（JTG 3430—2020）[5]《公路路基施工技术规范》（JTG 3610—2019）[6]，判定样本土不属于有机质土，不属于膨胀土。其余各项指标见表1。

表1 原状土试验测定结果

自重湿陷系数δzs=0.001～0.025，湿陷程度无～轻微；湿陷起始压力Psh=5～200kPa，自重湿陷量△zs=0～41.5mm，多数为0，△zs小于70mm，判断场地均为非自重湿陷性场地；总湿陷量△s=51～283.62mm，△s小于350mm，判断地基的湿陷性等级I（轻微）级[7]。

结果表明，原状土承载比均小于3%，不满足《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）[8]对路床填料最小承载比的要求，不能用作路基填料。

3.2 原状土掺灰配合比的确定

为增强湿陷性黄土地基承载力，对原状土进行三种掺灰（消石灰）1%、3%、5%改良试验。经检测，各试件的CBR测定值见表2。

表2 原状土掺灰配合比试验测定结果

试验测定结果表明：对原状土掺灰改良处理后，可显著提高土体承载比。用作路床填料时，灰剂量为3%、5%的改良处理方案均满足设计及相关规范要求，且掺灰3%改良处理方案更为经济合理，推荐使用。

4 轻微湿陷性黄土区域路基施工技术要点

4.1 填方路基施工

为确保路基填筑施工质量，在确定试验配合比后，张石高速蔚县支线编制了《湿陷性黄土路基填筑专项施工方案》，并在取样现场附近选取了100m 路基试验段，对专项施工方案中的机械设备组合、碾压速度、灰剂量控制方法、现场拌和质量及养护措施等进行验证和优化。常见问题及主要施工技术要点归纳如下：

（1）路基填筑前应对原地表的腐殖土、生活垃圾等进行清理，直至清理至原状土完全裸露，无杂质，并进行填前压实。

（2）灰土拌和宜采用集中拌和，但在工程实施前应结合工程实际，与现场拌和进行经济技术比较。在保证拌和质量的前提下，择优选择造价较低的拌和方式。张石高速蔚县支线选取了现场拌和的施工工艺。

（3）土方应严格执行“画格上土、挂线施工”的原则，控制填筑厚度，土方松铺厚度不应大于拌和设备的有效拌和深度；掺灰前需对土方含水量进行现场测定，如土方含水量较高，应在晾晒处理后再进行掺灰拌和；石灰宜采用袋装石灰，以方便控制灰土使用剂量。

（4）生石灰吸水性、吸湿性极强，应注意防潮，必须保证储存环境干燥，应在库、棚中储存，且储存期（块灰）不得超过1个月；因生石灰遇水熟化，可放出大量的热，因此生石灰不能与易燃、易爆及液体物品混存，以免引起火灾、爆炸。

（5）在摊铺过程中，应严格控制填料粒径，并对结块石灰进行粉碎处理，保证石灰土均匀稳定。灰剂量超量时易引起路基龟裂，不足时黄土湿陷量较大引起路基沉陷，CBR值不满足规范要求。

（6）机型设备的相关参数、数量应合理，并满足相关技术指标要求。如拌和机的拌和深度应不小于土层的虚铺厚度；碾压设备的压实功应满足压实厚度、压实度要求；机械设备类型配备应齐全。

（7）严格控制压路机碾压速率。碾压速度太慢，石灰土水分散失快，无法保证土体的最佳含水率影响压实效果；碾压速度太快，急刹急停易破坏土体表面的整体性，导致起拱。

（8）改良土路基填筑宜连续施工，否则需进行洒水处理，应避免土体表面长时间暴晒水分散失导致起拱、开裂。

（9）试验段施工完毕后，根据现场实际情况，应及时对专项方案进行优化。重点是改良土含水率的设定范围，应考虑填料性质、季节、自然环境、拌和水分散失等因素，控制改良土含水率至最佳含水率，确保路基填筑质量。

4.2 低填浅挖及挖方段路床湿陷性黄土的处理

在轻微湿陷性黄土区域，低填浅挖及挖方段在清表或挖除土方后，需对地面进行填前压实等处理。常见问题及主要施工技术要点有：

（1）上路床调拱之前应对原地表进行清理，并进行填前压实。如土体含水量较高需进行翻挖、晾晒后进行掺灰处理，确保填前压实施工质量。

（2）湿陷等级为Ⅰ级黄土，覆土厚度小于2m 的区域，宜采用冲击碾压处理。

（3）湿陷等级为Ⅰ级黄土，覆土厚度大于2m 的区域，应采用强夯处理。夯击能的控制应结合土体的有机质含量、膨胀性、湿陷量、含水率等指标进行；也可超挖至路床顶以下30cm，采用3%石灰土进行换填处理，处理范围横向延伸至路基边沟外。

（4）石灰土温缩及干缩特征比较明显，抗冻性较差，易造成基层开裂，在温差变化较大的基层禁止使用。在湿陷性黄土区域如挖方土含水量较大的不宜采用石灰土换填处理方案。

4.3 轻微湿陷性黄土处理的其他注意事项

（1）涵洞、桥梁及挡土墙台背湿陷性黄土地基路段采用强夯处理，施工中应先进行强夯处理再做桥涵构造物下部结构施工。避免因强夯引起构造物下部结构位移或横向剪切破坏。

（2）路基填筑的各层面间应平整，符合平纵坡要求，不得出现积水，以免影响石灰土填筑及碾压质量。

（3）当采用石灰土路基分段填筑时，先填地段接头处预留缓于1:1 的坡度，并在各填筑层面上预留不小于2m宽的平台，便于接头段的衔接。

（4）路基填筑工程中，应首先解决临时排水问题，完善排水系统，严禁出现积水现象，保障石灰土最佳含水率。

因张石高速蔚县支线地处张家口市南部地区，最大冻深达118mm，因此掺灰3%改良土仅作为路基下路床填筑材料，并采用现场拌和工艺组织施工。该项目设计挖方轻微非自重湿陷性黄土约368 811m³，掺灰利用土方267 200m³，与弃方后进行借土填方的技术方案相比，节省工程投资近1 015 万元；取消取土场3 处、弃土场2处，减少对高速公路周边地表植被的破坏和取弃土引起的水土流失等环保问题，取得了良好的社会效益。

5 结语

张石高速蔚县支线高速公路项目于2019 年12 月建成通车。截至目前，根据设置的观测点显示，采用掺灰3%改良土填筑路基段落路基稳定，路面未出现开裂、不均匀沉降等病害。基于该工程实践，本文分别从湿陷性黄土湿陷现象的成因、改良土力学机理等方面进行了理论分析；通过开展试验对轻微湿陷性黄土进行了等级判定，明确了掺灰配合比方案；制定了专项施工方案，并通过修建试验段进行优化完善；提出在轻微湿陷性黄土区域公路工程路基施工技术要点。建议在确定轻微湿陷性黄土的掺灰处理方案时，要加大取样范围，保证土壤样本的代表性；根据路基填筑高度及设计公路荷载对承载力的要求灵活调整试验参数。同时，在开展大范围路基填筑施工前，要以相关技术规范、试验数据为依据，制定专项施工方案，进行验证性试验，优化施工技术措施，严格控制填料粒径、含水率、灰剂量等关键指标与试验指标一致，并做好施工工序衔接，保障公路路基施工质量。