浅析甘肃地区湿陷性黄土地域桥梁设计施工要点

邓 强

（甘肃省交通科学研究院集团有限公司，甘肃 兰州 730000）

1 湿陷性黄土在甘肃省的主要分布特征

我国有大面积的湿陷性黄土地区，其中以黄河流域分布较为常见。黄土的崩解性、透水性、易冲刷等独有特质会在各种气候条件或地质变化过程中引发一系列工程问题。例如，黄土陷穴、边坡垮塌失稳，形成崩塌性暗沟等。所以应在设计与施工阶段对“土”的问题引起足够的重视。

甘肃省中、东部地区为黄土高原，黄土分布面积约为12万km2，主要分为陇东黄土高原（海拔1200～1800m）和陇西高原（海拔1 200～2 500 m）。其中陇东高原区按照地质构成又分为陕甘黄土梁区（黄土具有强湿陷性，湿陷强度等级为Ⅲ级）；陕甘河谷平原区（黄土具有强湿陷性，湿陷强度等级为Ⅲ级）。陇西黄土高原区按照地质构成又分为陇西黄土梁、峁区（兰州、定西等地区黄土具有强湿陷性，湿陷强度等级为Ⅲ级；渭源、陇西等地区具有极强湿陷性，湿陷强度等级为Ⅳ级）；陇西河谷平原区（二级阶地具有中湿陷性，湿陷强度等级为Ⅱ级；天祝、天水等地区黄土具有强湿陷性，湿陷强度等级为Ⅲ级；陇西河谷平原区一级阶地具有中等湿陷性，湿陷强度等级为Ⅱ级）[1]。

根据以上资料分析，甘肃省黄土大部分还是以湿陷性黄土为主，湿陷强度等级为Ⅱ～Ⅳ级，分布较为广泛，厚度偏大，承载力偏弱，对桥梁建设的安全隐患较大。

2 桥梁在湿陷性黄土区施工普遍存在的问题

2.1 墩台施工发生沉降

根据工程经验与钻探与地质调绘的收集资料，甘肃省大面积湿陷性黄土区地基土层主要为第四系全新统人工成因的填筑土及压实填土（Q4ml），第四系上更新统风积成因（Q3eol）的黄土、冲洪积成因（Q3al+pl）的粉质黏土、粗砂、砾砂及新近系（N）砂质泥岩组成并且黄土比重较大。相对于其他地区桥梁施工，在湿陷性黄土地区勘察钻探时，土体状况不能全面地反映出来，尤其在雨天情况变化复杂的情况下。在架设桥梁时，由于土体承载力过低，土层情况不明确，在灌筑桩基过程中，因自身重力影响，很容易产生竖向位移，或在桩基混凝土凝结期未达到指标要求时便发生了局部的沉降风险，对施工造成严重影响，提高施工的难度。

2.2 黄土力学性质较差，桩基易发生剪切破坏

由于湿陷性黄土力学性质较差，土层又过厚，根据原有旧桥设计发现，通过勘察钻探资料提供的摩阻力标准值[qk]、承载力基本允许值[fa0]在黄土段较小，甚至会产生负影响。使得在桩基长度计算时，桩长普遍较长，会导致桩基产生剪力过大的问题。黄土层若受持续降雨或地下水长期侵蚀的影响，在一定的影响阶段后会发生瞬间的结构失稳情况，土体的反向压力不足以支撑结构受力。桩基受到剪切破坏，产生弯曲变形的风险。根据《公路桥涵地基与基础设计规范》（JTG 3363—2019），当桩端的埋置深度大于40 m时，有效桩长最大按40 m计算[2]，这样在设计桩长时，桩端处土的承载力允许值[qr]若未满足规范要求，则调整办法较少。

2.3 自然降水对土体冲刷的影响

甘肃干旱、半干旱区占总面积约75%，近年来根据水文气象资料，降雨较为频繁，尤其定西属高原丘陵沟壑区，若发生暴雨洪水等自然灾害，受雨水浸泡影响，湿陷性黄土将不存在任何的力学性质。无植被附着的泥土随着水流裹带、淤积慢慢演变成滑坡、泥石流、滑塌等自然灾害。对正在施工中的结构工程严重破坏。例如，墩台位移，有效桩长变短，梁体坍塌等危险灾害。

2.4 黄土陷穴失稳垮塌

黄土陷穴按构造形式可分为漏斗状、串珠状、竖井状，在甘肃省均有大量分布。由于公路类型项目里程较长，占地面积较大，沿线涉及的黄土陷穴必然数量极大，有时由于黄土陷穴的存在，雨水、地下水顺陷穴灌入可直接引起道路路基下沉，服务区、养护区房屋下沉开裂等灾害发生。特别是地下暗穴，由于不易被发现，经常在施工结束后，在运营阶段产生大量的沉降、裂缝、坍塌等问题，造成较大的经济损失及安全隐患。

同时，黄土陷穴在桥梁设计施工时也是一个必须处理的典型工程问题，必须对这些问题进行调查研究和分析论证，给出定性定量评价，确保构造物及周边环境的安全。

3 湿陷性黄土区桥梁病害的产生原因

3.1 针对“水”的问题分析

甘肃省黄土地区属大陆性气候区，该气候区雨水较少，其中湿陷性黄土地区地形又以黄土塬、黄土梁峁为主，植被覆盖率低。若遇暴雨影响，无植被提供附着，会在短时间内形成地面径流，大量的雨水顺山坳、山沟汇集，对土体产生浸泡。由于湿陷性黄土空隙率高，原有保水率低的特性，土体浸湿时，分子颗粒间联系变弱，原有胶结物软化，黄土骨架结构强度失效。在工程构造物及土体自重压力的共同作用下，其结构迅速破快，大孔隙塌陷，导致黄土的湿陷变形。

3.2 设计和施工中排水设计不完善

在设计和施工桥梁时，往往技术人员只针对路线范围内的部分进行防排水设计。通过地基夯实，设计排水沟、截水沟，回填压实黄土陷穴、溶洞、暗沟等措施进行排水处理。比较容易忽视的是对“水”的源头分析。因为工期较赶、排查较麻烦等原因而不愿对可能会存在的溶洞、黄土陷穴、暗沟等暗穴的地下水位置、地下水的深度范围进行核查，对产生灾害的原因进行分析，容易造成处治的不完善或者处治效果不能满足需要，存在一定的安全隐患。

3.3 施工阶段工艺与工序的考量

在施工时，施工的工艺与工序不当也往往容易产生病害。例如在进行桥梁台前刷坡时，施工单位已经进行了桩基施工，则桥墩范围内的刷坡台阶无法进行压实，在设置平台排水沟后，很可能因未压实段的沉降影响而造成混凝土开裂，无法有效排水，雨水下渗，在日积月累的影响下造成桩基范围土体的掏空、垮塌，影响桥梁的整体安全性和使用性。

4 湿陷性黄土地区病害处治的方法

4.1 桥梁构造物下部结构的安全设计

针对湿陷性黄土地区的结构物设计。湿陷性黄土承载力低，遇水失去效能，应慎用重力式桥墩。大中桥宜采用桩基础，在桩长设计时，湿陷性黄土区地基承载力一般小于200 Mpa[3],且摩阻力取值为负值，有效桩长变短，雨水或边沟水浸入黄土，反而会增加土体自重，使结构物承受更大的侧向压力。当有效桩长大于40m却达不到承载力要求时，建议采用多墩柱形式，利用群桩增加承力点的方式使承载力达到设计要求。还可以通过增大桩径来减少剪力形变，增大摩擦面使承载力提高的方法达到桥梁结构物的安全设计。

4.2 桥梁岸坡土体加固处理

对天然状态下斜坡由于土体力学性质较差，为消除滑移隐患，往往先通过采用毕肖普（Bishop）条分法来进行边坡稳定性分析，根据计算参数值及计算结果采取针对性的防范处治措施

桥梁坡岸土体加固实例介绍。

某甘肃黄土高原区桥梁计算表明小桩号侧自然状态下岸坡稳定性系数K=1.213，即天然状态下斜坡处于基本稳定状态；非正常工况Ⅰ（暴雨）下K=0.911，即暴雨状态下斜坡处于滑移状态；非正常工况Ⅱ（地震）下K=0.973，即地震状态下处于滑移状态。

大桩号侧自然状态下岸坡稳定性系数K=1.003，即天然状态下斜坡处于临界状态；非正常工况Ⅰ（暴雨）下K=0.891，即暴雨状态下斜坡处于滑移状态；非正常工况Ⅱ（地震）下K=0.876，即地震状态下处于滑移状态。

为保证边坡稳定为目的，以边坡稳定性分析为依据，对桥下及上、下游岸坡土体进行削平、开挖，且应先于桥梁下部结构施工前进行。在开挖卸载土体后，建议按照1∶0.75～1∶1.5的坡率进行放坡，若边坡高度H≧8 m,按8 m一台设置台阶，边坡平台在台阶式边坡中设置，其宽度一般大于2 m。在坡面和平台施工完成后，应及时对其压实，压实度应保证满足规范，压实后的平台应逐一设置平台排水沟。

在对该桥岸坡进行处理后，经计算小桩号侧（处理后）桥台斜坡正常工况下K=1.391，即正常状态下坡面处于稳定状态；非正常工况Ⅰ（暴雨）下K=1.160，既暴雨状态下刷坡坡面处于为稳定状态；非正常工况Ⅱ（地震）下K=1.177，即地震状态下坡面处于稳定状态。

经计算大桩号侧（处理后）桥台斜坡正常工况下K=1.230，即正常状态下坡面处于基本稳定状态；非正常工况Ⅰ（暴雨）下K=1.206，即暴雨状态下坡面处于为稳定状态；非正常工况Ⅱ（地震）下K=1.107，即地震状态下坡面处于稳定状态。

岸坡问题往往相较主体结构反而更应得到重视，桥梁岸坡的防治使其稳定性得到了显著提高，一系列可能存在的安全隐患得到了解决，并保证了交付后的长久使用。

4.3 湿陷性黄土地区关于桥址范围内排水处治综合方案

湿陷性黄土土体稳定性较差，地貌也相对复杂，若地下水结构由于施工发生变化或雨水无法及时排出会对所在区域土体性质产生变化，从而影响到沿线各类交通工程。所以在进行公路设计施工时，排水工程应作为设计重点来进行综合考虑。在桥梁结构物部分除设置平台排水沟外，还应重点设计综合性排水设施以预防无法注意到的水毁灾害。

4.3.1 根据流水地形布设导流堤

根据设计流量及冲刷计算，并根据平纵缩图在河道两侧合理布设导流堤，起到减少水流对岸坡的冲刷作用并稳定两岸土体结构。

4.3.2 排水结构物的选取

在路基及桥头岸坡通过布置排水沟、平台排水沟、边沟、吊沟等设施确保雨水及灌溉水有效排出工程项目外范围。

在桥头两侧路线设置涵洞，目的是将农业用灌溉水、路线边沟汇水及非桥梁段区域的雨水隔绝，减低水对结构范围内脆弱土体的影响。

4.4 黄土陷穴的处治

黄土地区受黄土陷穴影响较为集中，多分布于阶地与水流冲沟的边缘地带，也是甘肃省常见的病害之一，多成串珠状或漏斗形。施工时需根据陷穴距桥梁、坡岸、保通便道的距离及位置，对陷穴采取挖除（路堑深度内）、开挖换填等方式处理。在交竣工后各公路段养护部门，应注意新近陷穴的形成，并通过强夯法、换填土工格室法、爆破法、灌浆法、SDDC法针对不同陷穴的大小及结构类型选取解决方案。

4.5 桥头“跳车”处治

桥梁台背在填土施工时受湿陷性黄土沉降影响，极易发生桥头“跳车”现象，分析原因为桥头路基且路基与桥头衔接部分土体不易压实，黄土受水浸泡力学性质失效且易变形，建议在大、中桥桥头设置桥头搭板，二级以上公路的小桥也应设置搭板。在不设计搭板的桥梁也应采取换填、粉喷桩等技术措施进行处理，保证路基的压实度和承载力，减少沉降[4]。

4.6 河道整治

湿陷性黄土段河流由于径流汇聚时间短，短时间内冲沟汇聚较大流量，且周围植被较差，一旦暴雨径流形成，将搬运大量泥沙，造成河槽局部冲切、严重淤积等问题，以某甘肃黄土高原区桥梁为例：轨面高程至沟底为48 m，主沟槽宽57 m，两岸岸坎直立，经过长时间的径流搬运，沟底泥岩暴露，两岸受雨水冲刷，沟槽逐渐拓宽，岸坎出现滑塌、崩塌现象。除进行岸坡处治外，需对现状河道进行整治。施工时应根据设计文件中给定的桩号、高程，对河槽进行开挖或回填，并与上下游现状河槽顺直，便于排水，减少河岸的冲刷。在有条件时，对河底进行混凝土或浆砌结构的铺砌处理。

4.7 动态设计及监控方案

为确保安全施工和准确设计，施工、监理和建设单位应加强施工现场各种复杂工点的动态观测。在施工结束后设置动态监测站，对桥梁梁体是否变形、下挠，桩基是否倾斜，边坡土体是否产生裂缝、滑塌等各项数据参数进行实时监控，保证桥梁的长久使用及安全通车运行。

5 结语

桥梁是非常重要的一种基础设施，对于人们的生活有着重要的影响。但是，湿陷性黄土地区的不稳定性给桥梁的正常使用带来很大的危害，因此需要人们高度的重视，采取有效措施进行针对性预防，对黄土区设计施工时的问题原因有着准确了解，并根据工程经验提出解决办法，达到理想的使用条件。通过设计、施工交底，实时把控工程质量，确保桥梁在各类气候及环境的影响下依然能安全的使用，保证交通运输事业的有效安全运行。