关键词：湿陷性黄土路基灰土垫层冲击碾压兰州新区
中图分类号：U213文献标识码：A
1湿陷性黄土的特点
黄土是第四纪形成的陆相黄色粉砂质土状堆积物，主要特征为[1]：（1）颜色以黄色、褐黄色为主，有时呈灰黄色；（2）颗粒组成以粉粒（粒径0.05~0.005mm）为主，含量一般在60%以上，粒径大于0.25mm的甚为少见；（3）有肉眼可见的大孔，孔隙比一般在1.0左右；（4）富含碳酸盐类，无层理，垂直节理发育。
黄土的颗粒组成以粉粒为主，其中粗粉粒（0.05~0.01mm）的含量又大于细粉粒的含量。黄土中的粘粒，大部分被胶结成集粒或附在砂粒及粗粉粒表面。黄土中的集粒和粉粒共同构成了支承结构的骨架。较大的砂粒则“浮”在结构体中。由于排列比较疏松，接触连接点较少，构成一定数量的架空孔隙，而在接触连接处没有或只有少量胶结物质。常见的胶结物质有聚集在连接点的粘粒、易溶盐与沉积在该处的碳酸钙、硫酸钙等。在天然状态下，由于上述胶结物的凝聚结晶作用被牢固的粘结着，故使湿陷性黄土具有较高的强度[1]。
当黄土受水浸湿或在一定外部压力作用下受水浸湿时，结合水膜增厚并楔入颗粒之间，于是结合水联系减弱，盐类溶于水中，各种胶结物软化，结构强度降低或失效，黄土的骨架强度降低，土体在上覆土层自重压力或在自重压力与附加压力共同作用下，其结构迅速破坏，大孔隙塌陷，导致黄土地基附加的湿陷变形。
2湿陷性黄土地基常用处理方法
常用的湿陷性黄土地基处理方法有：土（灰土）垫层法、冲击碾压、重锤夯实、强夯法、预浸水法、挤密桩法等。
土（灰土）垫层法：将处理范围内的湿陷黄土挖去，用素土（多用原开挖黄土）或灰土（灰土比一般为3：7或2：8）在最优含水量状态下分层回填（压）实。可用于消除基础底面1-3m土层的湿陷性，减少地基的压缩性，提高地基的承载力，降低土的渗透性（或起隔水作用），往往以消除湿陷作为地基处理目的。
冲击碾压、重锤夯实、强夯法：这三种方法处理原理类似，从小到大对地基施加一定的能量，可以消除基底以下从浅到深黄土层湿陷性。在夯实层的范围内，土的物理、力学性质获得显著改善，平均干重度明显增大，压缩性降低，湿陷性消除，透水性减弱，承载力提高。冲击碾压处理深度1.4m左右，强夯处理深度可达3m~12m，重锤夯实介于两者之间。
预浸水法：预先对湿陷性黄土场地大面积浸水，使土体在饱和自重压力作用下，发生湿陷产生压密，以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷湿陷性。一般适用于湿陷性黄土厚度大、湿陷性强烈的自重湿陷性黄土场地。预浸水法用水量大，工期长。因此，预浸水法只能在具备充足水源，又有较长施工准备时间的条件下才能采用。
挤密桩法：利用打入钢套管，或振动沉管或爆扩等方法，在土中成桩孔，然后在孔中分层填入素土（或灰土）并夯实而成。在成孔和夯实过程中，原处于桩孔部位的土全部挤入周围土层中，使距桩周一定距离内的天然土得到挤密，从而消除桩间土的湿陷性并提高承载力。处理深度5~15m。
3兰州新区湿陷性黄土路基处理方法
3.1项目所在地气候及水文
（1）气候
兰州属于中温带半干旱大陆性气候区，其特点是气候干燥，旱季长、雨季短，降雨量较少且集中，昼夜温差变化较大，春、秋季多风，夏季短促，冬季寒冷干燥。年平均气温4.1°C，最冷月平均气温-8.8°C，最热月平均气温17.8°C，极端最高气温39.8°C，极端最低气温-21.7°C；年平均降雨量390.2mm，年最大降雨量452.1mm，年平均蒸发量1825.7mm；历年平均风速2.9m/s；最大积雪厚度14cm，最大冻土深度146cm。
（2）水文
场区内地下水不发育，埋深较深。
3.2兰州新区湿陷性黄土场地特点
兰州新区地形为冲洪积倾斜平原、山前黄土丘陵及丘包区，冲洪积倾斜平原及山前黄土丘陵出露地层为第四系全新统冲洪积新黄土、细中砂、圆砾土，下伏基岩为第三系泥岩；丘包区出露地层为第四系上更新统风积新黄土，其厚度一般大于10m。
湿陷性黄土主要存在于第①层和第③层，湿陷等级从Ⅰ~Ⅳ级不等，丘包区黄土层较厚，湿陷性相对严重，平原区黄土层较薄，湿陷性较轻微。
①新黄土层：主要分布在场区表层，以粉粒为主，层厚分布不均，结构松散、土质不均匀，具湿陷性，需做地基处理方可作为路基持力层。
③新黄土层（马兰黄土）：该层主要分布于丘包区，该层分布稳定，土质较均匀，层厚较厚，具湿陷性，需做地基处理方可作为路基持力层。
3.3湿陷性黄土地基处理
考虑本地区的气候条件，结合区域地质条件，按照规范要求，确定本地区道路湿陷性黄土路基的处理方法为：灰土垫层+冲击碾压+防水措施。
（1）灰土垫层
道路全线机动车道及非机动车道下80cm路床及人行道下30cm路床，采用二八灰良加固处理，提高路床范围内路基强度，达到规范要求。被改良的土可采用黄土。
（2）冲击碾压
冲击碾压是指采用冲击压路机对碾压面进行压实，冲击压路机如下图所示，压路机的压实轮为非圆形（一般是由曲线边构成的三边、四边、五边等正多边形），这种压实轮在牵引或自行驱动力作用下滚动，对碾压面进行周期性冲击碾压[2]。
①处理方法
挖方区路床下地基及填方区放坡坡脚外3m范围内地基采用冲击碾压处理，压实机具采用25kj三边形冲击压路机，碾压遍数不小于20遍或根据试验确定。
②试验段要求
a．根据土质类型、湿陷等级等情况，分段安排试验段，试验段长度不小于120m。
b．通过试验段总结碾压遍数与沉降量、压实度、地基承载力、湿陷系数等的关系曲线，选取合理的机械配备和质量控制方案。
c．编制详细的试验计划。包括绘制检测点的平面布置图、断面布置图、编制原始记录表格等。
③施工要求
a．冲击压实应距离现有桥涵、居民房屋及管线等构筑物有一定的安全距离，如不能保证时，应采取相应的措施。
b．冲击压实机行走速度10-12km/h。
c．冲压时应自一侧开始，顺（逆）时针行驶，以冲压面中心线为轴转圈，而后按纵向错轮冲压，全路幅排压后，再自行向内冲压，冲压遍数和沉降量按试验路段确定。冲压两相邻路段时应搭接，搭接长度不小于15m。
d．冲击碾压时，土的含水量应满足以下要求：当细粒土含量大于50%时，ωopt-4%≤ω≤ωopt+2%，细粒土含量小于50%时，ωopt-3%≤ω≤ωopt+2%。若不能满足上述要求，应采取洒水或翻晒措施，或通过试验论证确定控制范围。
e．其他要求参照《公路冲击碾压应用技术指南》。
④质量检测
冲击碾压检测项目如下表所示
（3）防水
在道路绿化带及道路外侧设置防渗土工布（两布一膜），防止雨水下渗。
4结论
（1）兰州新区湿陷性黄土路基采用的方法是一种综合处理方法，内外兼顾。灰土垫层和冲击碾压消除了影响范围内黄土路基的湿陷性，这是消除了路基发生湿陷变形的内因；防水措施降低了路基受水影响的可能性，这是消除了路基发生湿陷变形的外因。
（2）在本地区黄土分布广泛，要想取得较好的路基填料比较困难，路床部分采用灰土垫层法，将黄土进行就地改良，既消除了黄土的湿陷性，改善了路基材料的性能，形成较高的路基强度，且就地取材，具有良好的经济效益。
（3）对原地基采用冲击碾压处理，消除了影响范围内的黄土路基的湿陷性，使路基强度及性能满足要求，同时，该方法施工简便，施工速度快，经济效益显著。
参考文献
关键词：旧路病害处理湿陷性黄土干拌水泥碎石桩
中图分类号：TQ172文献标识码：A文章编号：
工程概况
盐中高速公路K131+000～K136+000段为湿陷性黄土路段，属次生黄土，分布厚度一般为2～5m，总湿陷量Δs=23～265mm，自重湿陷量Δzs=15～62mm，为非自重湿陷性黄土场地，湿陷等级为Ⅰ级，一期工程设计对地基采用了冲击碾压的处理方法。经过三年多的运营沉降，二期工程调查时，发现部分路段基底未达到处理效果，局部沉陷量较大处达20～30cm，且沉陷仍在发展，车辆行驶时有明显的颠簸感，存在安全隐患。
干拌水泥碎石桩的加固机理
干拌水泥碎石桩处理湿陷性黄土路基主要来源于以下四种作用：
1、置换作用
干拌水泥碎石桩在原路基中按一定桩径、桩长和间距成桩以后，与桩间土体共同组成复合路基，由密实的碎石桩桩体取代了与桩体体积相同的原路基土，因为碎石桩的强度和抗变形性能优于其周围的路基土，所以形成的复合路基的承载力及压缩模量均比原路基土的大。在行车荷载的作用下，由于复合路基中桩体的强度和模量较大，由路面结构层传来的荷载随着桩土的等量变形逐渐集中到桩体上，从而使桩周软弱土分担的压力相应减少，起到了应力集中作用。
2、挤密作用
干拌水泥碎石桩采用夯扩成桩的方法，在成桩过程中会对桩体周围的路基土体形成挤压和震动等强烈扰动作用，使路基土粒彼此靠紧，空隙减少，使桩周围路基土的压实度增大，消除了黄土的湿陷性，提高了桩间土的强度和桩侧法向应力，使得桩侧摩阻力得到增加，桩体的承载力得到加强，进而提高了复合地基的承载力，有利于满足路基压实度的要求。
3、复合地基、复合路基作用
干拌水泥碎石桩复合地基是指天然地基在地基处理过程中部分土体被置换为碎石桩体，形成由天然地基土体和碎石桩体两部分组成的人工地基。它是两种刚度不同材料的集合体，因而复合地基是非均匀和各向异性的，在荷载作用下，基体与增强体共同承担荷载压力。水泥碎石桩体具有较高的承载能力，以致干拌水泥碎石桩与原土组成复合地基、复合路基，有利于提高地基、路基的整体强度，降低压缩性，达到提高人工地基承载力和减小沉降的目的。
4、吸收水分作用
干拌水泥碎石桩所加的水泥粉体具有吸水凝固的作用，能吸收黄土间自由结合水，降低土体的含水量，从而加固路基改善沉陷提高承载能力。
干拌水泥碎石桩设计方法
干拌水泥碎石桩在建筑行业应用较早，在软弱地基处理上有着广泛的应用并取得了显著的成效。本项目在设计上参考《建筑地基处理技术规范》中碎石桩处理软弱地基的设计方法，并借鉴了陕西省湿陷性黄土处理的成功设计经验。具体设计思路如下：
设计思路
通过对旧路弯沉值进行检测，推算出旧路基回弹模量，以干拌水泥碎石桩处理后的复合路基的回弹模量等于设计回弹模量为准则，从而确定干拌水泥碎石桩面积置换率并进行布桩。
处理范围
首先对本项目湿陷性黄土沉陷病害进行详细调查，对照路基沉降观测资料，将沉陷量较大且未达到稳定状态的路段作为本次加固处理的范围。
桩体直径
干拌水泥碎石桩钻孔直径的设计应与施工机械相适应，根据本地区施工机具和设备情况，设计成孔直径为15cm，夯扩回填后桩径应≥22cm。
加固深度
查阅旧路地勘资料中湿陷性黄土的等级及厚度，结合路基填土高度，确定桩体伸入原地面湿陷性黄土层底以下3m，设计桩长=路基填土高度+湿陷性黄土层厚度+3m。
复合地基回弹模量计算
干拌水泥碎石桩加固区桩与桩间土复合回弹模量按下式计算：
E0F=mE0Z+（1-m）E0T
式中：E0F—复合地基回弹模量（MPa）；
E0Z—碎石桩体抗压模量（MPa）；
E0T—原土体回弹模量（MPa）；
面积置换率计算
m=A0F/A0Z
式中：A0F—单根碎石桩加固面积（m2）；
A0Z—单根碎石桩面积（m2）；
桩体布设
常见的桩体布设形式有正方形及等边三角形，参照国内群桩试验结果，等边三角形布设能够获得最佳的挤密叠加效果，因此，本项目干拌水泥碎石桩采用等边三角型布设，桩间距经计算取1m。平面布置及断面形式如下图所示。
干拌水泥碎石桩施工操作要点
1、放样
先用全站仪进行控制放样，每20-50m一个点,后用水准仪、皮尺或钢卷尺按照图纸设计原求进行细部放样定位，测量顶点地面标高，用灰点按桩间距标记碎石桩钻孔位置并编号。
2、桩机就位
采用螺旋钻机进行钻孔，钻机就位要考虑工序和半成品保护,一般采用倒退法施工，调整桩机塔架，将钻机或铲头对准桩位，调整钻杆垂直度,确保夯锤能自由落入孔底。
3、钻孔
钻机就位后进行钻孔，做好原始记录，由于进尺较快，随时检查钻杆垂直度和孔位偏差，对出渣土质跟踪检查，并与设计地质资料对比，若有变化随时通知相关人员至现场商量对策，并在钻孔原始记录中详细记录。施工时，应从路基范围内的外侧向内侧连续施工，相邻桩可以间隔跳打，以避免发生串桩现象。
4、孔位检查
设计要求孔位偏差应≤10cm，垂直度偏差≤1.5%，成孔直径15cm，成孔后按要求进行检查，为了防止桩体钻出泥土掉入已钻好的孔中，用钢铁皮做成一个套筒套在成孔上，保护成孔。
5、水泥碎石混合料的拌合
拌合采用混凝土拌合机集中拌合，在不加水的条件下按配合比要求拌合均匀，在运输和施工时要采取防雨措施，防止拌合料受雨水淋湿。
6、投料成桩
干拌水泥碎石桩成桩是用人工配合专用夯锤机进行锤击回填，桩孔投料前，应先夯击孔底3-4锤，每次往孔内倒入水泥碎石（厚度不大于25cm），用125kg的重锤进行夯实，落锤高度不小于1m，击实7次，桩孔顶面以下30cm部分采用细石(粗骨料粒径5-10mm)混凝土封孔。
干拌水泥碎石桩质量控制与检测
施工前对所用的水泥、碎石、石屑的选择和进料严把质量关（品种、产地、规格、质量等），并按规范、设计要求及时送检。混合料搅拌应严格按给定配合比上料，做到配料计量准确，保证搅拌时间不得小于2分钟。干拌水泥碎石桩质量检测指标如下表。
结束语
综上所述，干拌水泥碎石桩具有地基加固效果好，施工工艺简单易行，占用场地小，速度快，可多点同时施工，成孔直径及桩体材料配合比易于控制，桩体强度可有效保证，施工时不需要拆除和修复原有路基，能充分利用原有路面，施工成本较低，施工进度较快，不仅节省工程投资，而且不需要中断交通，在旧路湿陷性黄土病害处理中具有很好的经济效益和社会效益。
参考文献：
1、《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-2012）
2、《复合载体夯扩桩设计规程》（JGJ/T135-2001）
作者简介：
姓名：张建鹏
年龄：32岁
职称：工程师
关键词：湿陷性；黄土隧道；基底加固；水泥挤密桩；树根桩
中图分类号：U45文献标识码：A文章编号：
一、简述
地下隧道穿越湿陷性黄土地区，鉴于湿陷性黄土的特殊力学性质，基底的承载力通常较难满足结构的受力要求，建成后的隧道往往产生较大的基底形变，基底变形除压缩变形外，更大的变形是湿陷变形，在隧道使用期内如不对基底加固加上周围水环境的变化，必将会使隧道基础发生较大的湿陷变形，致使衬砌结构环、纵向开裂等较为严重的病害，直接威胁到隧道的运营安全。为保证隧道结构的稳定性，积极探索出一条针对风积砂、黄土类地质条件下的隧道基底加固技术显得具有非常重要的现实意义。总之，隧道基底的湿陷变形不是以建筑物的类型确定，而是由黄土湿陷特性所决定，为保证运营安全必须对黄土隧道洞口具有湿陷性的黄土地段的基底进行有针对性处理。
二、湿陷性黄土隧道基底处理原则
根据湿陷性黄土的工程特性和湿陷性黄土地区地基处理的经验，湿陷性黄土隧道基底处理的原则：内外兼顾，先保护后加固。水是造成黄土湿陷变形的主要因素。湿陷性黄土隧道地基处理方案的设计，首先要考虑水对湿陷性黄土的影响，必须做好隧道工程的系统排水与防水问题；其次就是做好湿陷性黄土地基土的处理工作，增加地基承载力。对黄土而言，进行地基处理的目的是改善土的工程性质，减少土壤的渗透性，压缩性，控制湿陷性的发生。通过换土或加密等各种基底处理方法加固湿陷性黄土隧道基底，或者是消除隧道基底的全部湿陷量，使处理后的基底变为不具有湿陷性；或者是消除基底的部分湿陷量，减小原有基底的总沉陷量，控制下部未处理地层的湿陷量不超过规范规定的要求。
三、湿陷性黄土隧道基底加固处理技术
大部分湿陷性黄土隧道通过的地层为第四纪松散风积粉细砂和冲积黄土质粘砂土，垂直节理发育隧底自重湿陷性黄土层很厚，地层基本承载力低，围岩条件非常差。按《铁路隧道设计规范》规定，应用荷载――结构模型计算，底板所受的压力亦即基底应具有承载力，计算得出了隧道基底所需承载力，与原地基承载力进行比较，多数湿陷性黄土隧道在墙拱脚及仰拱区域的地基承载力不能满足隧道基底所需的承载力。得出现有地基不满足满足隧道修建要求的结论，必须对该区域隧道地基进行加固处理。
对于湿陷性黄土地基处理而言，我国有较为成熟的技术和实践经验，主要的处理方法有：碾压、换填、强夯、动力/振动挤密桩、静力挤密（预制）桩、CFG桩、注浆、高压灌浆、高压旋喷桩等。这些方法是在隧道以外的土木工程中形成，并得到广泛的应用，但尚缺乏在隧道开挖后洞内处理实施的实例。湿陷性黄土隧道基底处理施工场地受隧道掌子面开挖的影响和洞室的限制，断面开挖一断面稳定一基底加固一开挖面支护之间在时间上和空间上的相互影响和干扰。湿陷性黄土隧道基底处理常用的方法有水泥挤密桩和树根桩等。
水泥挤密桩是湿陷黄土隧道基底处理方法中比较常用的方法之一。湿陷性黄土由于其大孔隙性和欠压密性而具有湿陷性。水泥挤密桩就是夯击挤密消除其大孔隙进而消除湿陷性，并对地基起一定的加筋作用。桩锤夯扩成孔成桩的过程中，桩孔中原有土被强制性侧向挤出，桩周一定范围内的土被压缩、扰动和重塑。针对道湿陷性黄土地段隧道施工的特点：隧道内施工作业面小、振动对围岩的影响要求有限等，对基底加固技术中挤密桩的桩身材料、挤密桩施工机械的选择、桩间距的选择需做一定优化。通过优化，确定适合黄土隧道基底湿陷性黄土加固处理的方法、措施、施工机械、施工工艺、设计参数、检验方法和标准。
树根桩是一种小型钻孔灌注桩。它是利用钻机钻孔到设计深度，然后放入钢筋笼、碎石和注浆管，再用压力灌注水泥浆或水泥砂浆的办法制成的钢筋混凝土桩。布桩方式可采用垂直、倾斜设置，也可采用网状如树根状布置，故称为树根桩。树根桩凭借其承载力高，沉降量与扰动范围小，施工方便，经济合理等优点，在既有建筑物的修复和加层、古建筑的整修、地下铁道穿越、桥梁工程等各类地基的处理与基础加固，以及增强土坡或岩坡的稳定性等工程中有着广泛的应用。近年来，树根桩在隧道基底的加固中开始尝试应用，树根桩施工技术可以在狭小的施工作业空间内最大限度减少开挖对隧道洞身地层的扰动影响。
参考文献：
【1】贾迎泽。夯扩挤密水泥桩土的实践与探讨。山西建筑。2004，30（8）
【2】孟磊。水泥土挤密桩加固提速曲线路基基床。铁道勘察。2OO5（2）