不同处置措施下湿陷性黄土路基渗透变形研究

黄崇国

(湖南中益土木工程技术发展有限公司,湖南 长沙 410000)

1 湿陷性黄土在物理力学性能指标上的特点

1.1 颗粒组成

在我国,湿陷性黄土的颗粒以粉土颗粒为主,其占总重量的50%～70%,而在粉土颗粒中,又以0.05～0.01 mm的粗粉土颗粒为主,占总重约40.60%,<0.005 mm的黏土颗粒较少,占总重约14.28%,>0.1 mm的细砂颗粒占总重在5%以内,基本上没有超过0.25 mm的中砂颗粒,见表1。在加固过程中,可以添加适量的钙质物质,加固效果更好[1]。颗粒级配的差异,对土体的抗剪强度和抗剪强度有较大的影响。在工程实践中,选用粒度相同但形状不同的细沙,或粒度不同的细沙,会造成较大的水分损失。在密实易达到或超过均质性的条件下,通过改变粒径、粒径比例,可有效改善土体强度;在粗粒径间距>0.05 mm的情况下,可赋予湿陷黄土更好的抗压性能,并在不发生渗流的情况下,实现水分的完全排除。

表1 湿陷性黄土的颗粒组成

对于湿陷性黄土,因其粒径大小的差异,对其稳定与强度的需求也各不相同。如果土层较为致密,可以采用粉沙、碎石等进行加固,如果土层较为松散,可以采用水泥等物质进行加固;而户外基层的关键是要选用适当的黏土、粗细沙和不同含泥量的颗粒组成。

1.2 界限含水率

界限含水率是黏土由一种胶凝状态向另一种胶凝状态转变时的分界线,又称为胶凝极限[2]。它是用来测定黏土流动状态、可塑状态、半固体状态、固体状态相互转变时的分界含水量,是在土工试验中用到的一项基本参数。根据土壤含水量的变化,可以将土壤分为流动、塑性、半固体和固体四种状态。土体在流态与塑性之间的界限是液限,在流态与塑性之间的界限是塑限[3]。黄土的湿陷性是由水文、地质、气候等因素造成的,在治理过程中要视具体情况而定。当本区域土体水分含量有很大的差异时,就可以使用超前缓坡和固结灌砂的方法,见表2。

表2 我国湿陷性黄土的天然含水量it～mm,液限值

在加固工程中,黄土的含水量会有一定的改变,通常表现为湿陷现象。当土质含水率高时要采用干夯法进行压实。在选择湿陷性土地基后,要考虑到土壤本身存在高程度内涝和渗透性能较弱等缺陷,所以在实际操作时,要结合具体情况来确定采用何种土质作为地基基础。

1.3 比重、容重及孔隙比

在高密度的情况下,容重、孔隙比都会有所提高,从而使湿陷地表的承载力有所提高,若土壤含水率偏小,则应采取防渗措施[4]。在施工过程中,受水文地质条件、施工方法和场地条件的影响,所产生的裂缝尺寸各不相同,故应依据实际条件,制定出符合工程需要的最优压实度。对于含较多细粒的砂土,可通过增加其孔隙系数来减小水的蒸发,增加其渗透性,进而减小其对地表的承载力。

孔隙比、容重对湿陷性黄土地基的成本和施工难易程度有很大的影响,目前对这两个方面的研究还很少[5]。但由于细沙中的水分含量较高,并且容易受到温度和湿度的影响而发生变化,并且还会引起土体的膨胀,所以,为降低造价、确保工程质量,需要选用合适的湿陷性黄土材料来进行基础的加固,以避免出现下陷等问题。各地区黄土孔隙比见表3。

表3 我国湿陷性黄土的孔隙比

1.4 含水率和饱和度

分析黄土地基中水分含量的变化对其理化性质的影响。通常,土的孔结构愈稳定,其抗压强度愈高,但一旦达到某一数值,就会产生渗透现象。当土壤中存在较多杂质或颗粒较大时(如黏土),那么就会导致渗透水量增大。而在土壤中包含大量的细小尘埃粒,或者黏附在孔隙表面,并使水滴聚集于毛细管的时候,被称为含水率偏大区(也就是土质吸力小于饱和度)。

随着含水量、饱和度的增大,渗透损失也随之增大,故在填筑湿陷黄土时,应尽量选用少量的细沙。因为水是一种在移动过程中不可或缺的物质,因此可以将其添加到细沙颗粒中,但若采用了不均匀或过软化的水泥材料,引起孔隙堵塞,就会导致渗透坡过大,进而使含水量逐步增加;在含水量超过10%的情况下,渗透率将变得更高,从而对工程的稳定性及品质产生较大的影响。

1.5 压缩性

湿陷性黄土地基具有不同程度的压缩特性,受土层特性、水文特性和气候环境等影响,其压缩模量随时间而改变。因此,在水分含量很低的情况下,可以采用软化或硬塑的方式来填充;在含水量较高的情况下(例如砂土、泥煤灰等),为了改善其压缩特性,需添加大量的热矿物粉体。

湿陷性黄土地基的可压缩性很强,在应用时,必须用压片机进行加压,若未压实或压紧量不足,则会发生水化。湿陷性黄土地基压缩问题是指因为含水量过多,使得软土层与硬质黏土之间的相互作用力变大,破坏地基结构,使其变形,造成地面坍塌的现象。在实际应用中,要根据材料性质、强度进行选择与应用。

2 处理方法及适用条件

2.1 垫层法

垫层法是指在湿陷性黄土地基上,铺覆一定厚度的石灰或石粉,并与水泥砂混合,构成一层较薄、较稳定的基层[6]。此法可广泛应用于渗透系数大、孔隙发育、渗透性差、或有渗流场存在的斜坡。在应用软垫方法时,应在软垫厚度与湿陷黄土基涂料抗压强度相当的情况下进行软垫加固。这种方式必须在施工方对现场进行勘察后,才能正式展开。由于这种土质通常都属于松散状,流动性较强,并且还存在不均匀沉降性等特性,所以在我国的南方地区被大量采用。

2.2 强夯法

强夯法是采用高强度的物质,将土体打实,从而提高地基的承载力,这种方法在施工时要对压实度和含水量进行合理的控制[7]。在具体的工程建设中,每个步骤都要进行严密的控制,当出现某些土质较弱,且存在较厚的软夹层时,可以采用这种方法来处理;对于某些含水率很高的黄土或含湿陷黄土,其地基具有很高的湿陷程度时,可采用强夯处理。该方法适合于厚度较大、强度大、含水量高、密实度较大、地基承载力较强、在特殊条件(如断裂带)或软弱夹层中形成的地表工程。

2.3 挤密法

挤密法是在湿陷性黄土地基上铺设碎石桩,将地基的基层和压实材料一同铺筑。在此方法下,当土层较低或较高时,再进行填缝处理,这样可以避免由于水灰比过大而引起地面裂缝。因为在这种方式下进行施工时,需要用到很多设备及泥土等材料。因此,采用此方式会极大地增加工作量,增加工程成本。但因为其操作简单方便、对场地要求不高、可循环利用等特点,被广泛应用于湿陷性黄土地基处理。

2.4 预浸水法

预浸水法指的是将制备好的湿陷性黄土与石灰石粉或煤灰石等工业原材料按照比例添加到混合料中,在一定的温度下,用水冲洗干净后进行压实。当混合物完全溶解后,将所含的水分全部倒在填缝板上,随后通过搅拌机均匀地加泥(约为1 m左右),使其充分浸没水中,形成一个个水孔,即形成预浸水面,随后,再用石灰、煤灰石等物质将预湿性黄土中的水分排出。这种方法可以在土体的表层形成一层水泥薄膜,从而达到防渗、保温的效果,而且,因为灰土自身的高强度、高稳定等特性,它还可以很好地控制地面的下沉,适合在比较平坦的地方使用。

2.5 桩基础

桩基是一种临时的建筑物,它是在一般的基础上,以钢筋或水泥为主要形式,把上边的荷载传递给土层。它以其较高的强度、较高的刚性而被广泛应用于湿陷性黄土的治理。在提高沉降率的同时,避免了地面沉陷造成的地面上抬,减小了施工过程中对软黏土的影响,减小了施工过程中的工程扰动,确保了桩-基础间的安全间距。桩基础在国内得到了广泛的使用,它是一种较为普遍和常用的地基处理方法。但由于地区、地质条件以及气候环境等因素,会对其造成不同程度的影响,因此,在使用这种方式进行设计和施工时,必须要选择性能优良、承载能力较好的桩体。

3 湿陷性黄土地基处理的主要方法

3.1 换土垫层法

换土垫层法是指将泥土与各种性质的物质混合均匀后,加石灰浆水搅拌均匀,然后直接将其分层铺摊到基层上,从而形成一层极薄的软化底层,当其厚度达到一定程度后,就可以将湿陷性黄土地基表面当作一个过渡层进行处理,其优点是施工过程简便、快速、容易操作。在进行施工时应注意:在那些比较复杂或者有一定深度要求且容易变形、并且易积水和渗水严重地区可以采用该方法;当土体中有空洞或裂痕时,不能采用换土垫填土。

3.2 素土挤密桩法

在复合地基处理中,将其视为一个单独的整体,再对其进行加强,形成一种新形式的具有一定强度和刚度的压实混凝土,在此方法中,可依据具体条件,选用合适的粒径。这种方法设备简单,操作简单,因为它能够有效地控制地表沉降速率,并且能够降低工程成本,所以得到了广泛的应用。素土挤密桩法适合于对地下水位以上的粉土、黏性土、素填土、杂填土和混陷性黄土等地基进行处理,可处理的地基的厚度一般为3～15 m。在以减少地基土湿陷为首要目标的情况下,可以采用纯土挤密桩,但当土体中含水量在24%以上、饱和度在65%以上时,采用纯土挤密桩的适用范围需经实验验证。

3.3 振冲碎石桩法

振冲碎石桩是利用振荡的方法,在湿陷性黄土基础上,对其进行加固,并对其沉降时机、位移等加以控制,从而达到提高其承载力的目的。该方法采用震动锤击方式,在打桩过程中产生激励作用,并在打桩后,采用静电式搅拌器,使打桩后的桩与桩之间的孔洞连接,从而增强打桩的地震作用。在此基础上,通过添加适当数量的石灰来达到加固作用,从而增加基础的承载力、稳定与强度。采用这种方法节省了大量的时间。目前,该方法在国内已有较多的使用:利用振动沉降法,增加基础土的剪切强度;采用振动的方法,提高桩的可压缩性;在软弱和坚硬的土层中,采用碎石冲孔法等。

3.4 深层搅拌桩法

在国内,这一技术被广泛应用于湿陷性黄土地基,其基本原理是通过深层搅拌桩的力学效应,将水泥砂浆与软化点结合起来,对地基进行固结和强化,以达到降低沉降、增加地基稳定系数、增强渗透变形的目的。该法适用于沙层较浅,地表无水或有空隙的情况;由于土体水分含量较高,而且分布不均,产生了较大的渗透力,从而造成了坑外水的发生;也可用于淤泥质土的加固,由于其施工简便等特点,被广泛应用于工程中,并获得了较好的效果。

4 总 结

分析了各种加固措施的优缺点得出结论:湿陷黄土具有较好的防渗性能。针对湿陷性黄土地基软基,从不同的角度出发,探讨了软基处理方法。