湿陷性黄土路基不均匀沉降控制技术研究

2022-11-07张亚卿

交通科技与管理 2022年20期

袁伦,张亚卿

（中交第一公路勘察设计研究院有限公司,陕西西安 710065）

0 前言

目前，我国基础设施发展迅速，为了更好地发展区域经济，各地纷纷大规模修建高铁和公路，但是在进行路线选择时，往往不可避免地穿越部分湿陷性黄土带，由于湿陷性黄土自身的特点，导致其容易出现不均匀沉降，进而对路面造成影响，因此针对湿陷性黄土造成的路基不均匀沉降等病害研究对于国家战略发展有着重要意义。[1]该文对湿陷性黄土的相关特征进行简要分析，找出造成路基不均匀沉降的主要因素，根据问题提出设计时应遵循的原则和注意事项，希望能在源头上解决问题，为区域经济发展做出贡献。

1 湿陷性黄土的相关特征

1.1 湿陷性黄土的判定标准和主要特征

湿陷性黄土的判定是由多种因素共同决定的，主要是根据该黄土层的地质年代、成因等因素，再结合有关物理知识对黄土的性质进行分析，通过相互之间验证、分析，最终确定是否属于湿陷性黄土[2]。一般情况下，在完成初步黄土土质鉴别后进行取样，对取样黄土进行加压提高密度，完成相关工作后，开始压缩黄土进行浸水试验，通过湿陷公式对黄土的湿陷性进行最后的判定。湿陷性黄土主要颜色为黄色，形状主要以颗粒和粉粒为主，并且可以通过肉眼进行直接观察。

1.2 湿陷性黄土的成因

湿陷性黄土主要是在一定压力下形成的一种特殊土质，主要特点是在经过水浸泡后土体结构迅速被破坏，导致发生明显的下沉现象。湿陷性黄土根据成因还可以分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土，主要区分方式就是通过浸泡水之后，在自重作用下是否出现明显的下沉现象。

2 湿陷性黄土路基产生不均匀沉降的主要影响因素

2.1 斜坡地基坡度

根据有限元软件FLAC-3D对不同地基坡度条件下的沉降量进行模拟，当坡度分别为 1∶3、1∶3.5、1∶5 时，路堤以及路堤填挖交界处的沉降量都随着坡度的增加而增大，都超过相关规范要求的数值。由于山区地理条件的限制，山区公路都会存在一定的坡度，导致山区公路在长期受到荷载作用时更容易发生路基不均匀沉降的现象[3]。

2.2 压实度不均匀

路基的压实度也会对道路的不均匀沉降产生影响。一般情况下，由于路基边缘的限制，导致两侧的压实度低于路中心的压实度，使得整个路基的压实度水平不一致，在长期荷载作用下会出现明显的不均匀沉降，并且在雨水渗透路基时表现的则更加明显，一旦沉降量过大，直接导致路基失稳。而路基的压实程度主要受土体本身特性（粒径大小、级配、密度等）、压实机械性能以及施工工艺（压实次数、松铺厚度等）等参数的影响。

2.3 路堤高度

根据PLAXIS模拟分析结果可知，随着路基填筑高度的增加，路基水平和竖直两个方向的位移量也逐步增加，呈现出竖向位移大于水平位移的特点，这就要求进行高填土作业时，也要相对应的提高路基的刚度和稳定性，以防路基失稳而导致路面坍塌。另一方面，进行高填土作业时，由于填土都比较大，会产生较大附加应力，因此对路基的刚度和稳定性提出了更高的要求。

2.4 路基刚度的差异

理论上，当路基压实度、各种填料及地基土质均匀、地基承载力等各项指标均满足相关设计要求时，路基不会出现不均匀沉降等病害。但是在实际中，由于沿路线的纵断面或横断面中的任一方向出现较大的刚度差异，再加上填土自重以及行车荷载作用下，路基会出现沉降等病害，影响路面结构稳定性。

2.5 水的影响作用

水是导致路基出现损坏的最主要因素，没有水的作用路基通常情况下不会发生破坏。路基受水的影响主要体现在两个方面：

一是雨水对路基边坡的冲刷，容易使坡面出现损坏，并且水下渗时将会使路基产生不均匀沉降，严重影响道路使用安全。

二是水的渗透作用，路基与斜坡地基交合处或路基内部出现渗水，导致水含量的增加，使得该区域内土体的物理力学性质降低，十分不利于路基的稳定性。

三是干湿循环也会造成湿陷性黄土出现不均匀沉降，研究表明，由于受地下水、地表水和自然降水的作用，干湿过程会对黄土结构、强度和湿陷变形造成较为明显的影响。研究人员发现，在对黄土进行多次干湿循环后，压实黄土的基质吸力减小、压缩系数会增大、强度降低，最终会导致黄土出现湿陷性不均匀沉降，严重影响路基稳定性。

四是黄土中存在大量可溶性盐，经对某地区黄土进行成分分析，易溶性盐Na2CO3、Na2SCO3、Na2SCO3、Na2SO4等占到质量分数的九成以上，首先是黄土中的碳酸钙可能会以薄膜胶的形式存在，遇水使得土体抗剪强度显著降低；其次是湿陷性黄土中都含有水溶盐，颗粒间存在着加固凝聚力，它遇水后降低又或消失，引起了湿陷时颗粒的滑移；最后湿陷性黄土中的黏土颗粒遇水会发生膨胀，使得土体强度降低[4]。

3 湿陷性黄土路基不均匀沉降控制设计原则和注意事项

3.1 明确路基路面设计原则

（1）因地制宜开展设计工作，坚决避免生搬硬套别的设计方案。在进行设计之前应多次实地考察收集现场资料以及当地水文地质，分析这些影响因素可能会对路基造成的影响，提前制定措施进行规避，避免没有经过实际考察直接使用别的项目的设计方案。

（2）提升易损部位的设计质量。对于挡墙、桥台、路桥连接部位等容易出现破坏的薄弱部位，在进行设计时综合考虑破坏因素，通过科学有效的设计方案提升这些薄弱部位的稳定性。

（3）加强对高填方土和软弱地基的沉降量的控制。对于高填方土和软弱地基而言，容易出现不均匀沉降等病害，因此在进行设计时，应对它们的沉降量进行有效控制，一般路段应控制在30 cm以内，特殊部位则要控制在10 cm以内，确保路基的稳定性才能进行上部结构的建造。

（4）由于需要对不良地质路段进行较长时间的沉降观测，可以通过对比分析路桥结合部位的各种设计方案，选出最为合理的设计方案，确定路基设计方案。

（5）高填方路基进行优化设计。由于高填方路基设计工程量较大，因此结构的稳定性难以得到有效控制，并且会对周边环境造成十分不利的影响，所以在进行高填方路基设计时，应在保证路基设计质量的同时，始终贯彻可持续发展理念进行设计。

3.2 科学设计路基路面结构

路基路面设计的科学性直接影响路基路面的承载力和强度，关乎道路行车安全。通常情况下可以采取混凝土搭板与土工格栅铺设等方式对路桥连接部位、软土路基地段、高填方路基段等部位进行加固，保证这些部位刚度满足设计和规范要求。

对于软弱地基土进行路基结构设计，应结合路基设计深度和土体的各项力学性质等因素，合理选择加固方案（固化、换填、桩基础等）改善土体的承载力，确保路基路面的结构稳定性，避免出现各类沉降问题。

3.3 合理选用路基路面材料

路基路面材料的合理选用也能有效提高结构的稳定性，因此设计人员进行设计时在考虑当地实际施工条件基础上选择合适的材料，保障设计质量。一是做好道路所在区域的地质考察工作，明确当地地质结构和土质条件，通过对比分析，选择最适合的材料，最大限度的保证路基路面强度。二是进行材料选择时应着重考虑材料的防水性，在具有良好的防水性情况下比较材料的弹性和拉伸强度，从材料上避免路基出现各类水损坏。

3.4 优化路基路面排水设计

水是造成路基产生不均匀沉降最主要的因素，由于设计的不合理导致部分路面出现长期积水的现象，从而降低路基的稳定性，严重威胁路面行车安全。因此在进行路面排水设计时，应明确可能出现积水的路段，并在这些特殊路线合理设置排水设施，避免出现积水现象，保证路面排水设计的合理性。主要采取措施有以下几个方面，一是合理设置出水口数量、间距、尺寸、高度等，使雨水及时排出路面避免出现积水。二是路面坡度设计合理，使水流能够流向两侧低洼地区，随之排放至相关市政管道。三是路基材料应选用渗透性和防水性较好的材料，保证路面不出现积水，降低水对路基路面造成的不利影响[5]。