第二部分 设计与分析

黄土地区公路路基勘察设计问题与分析

刘军勇

张留俊

基金项目:交通运输部2012年公路工程行业标准规范制修订项目《黄土地区公路路基设计与施工技术细则》，中国交通建设股份有限公司基金项目，编号KJYF2012。

1 引言

我国黄土和黄土状土分布的总面积约635280km²，占国土总面积的6.6%，主要分布在陕西、山西、内蒙古、甘肃、青海、宁夏、新疆等地，这些地区也是我国重要的能源基地。随着我国西部大开发战略的实施，高等级公路在黄土地区的建设规模越来越大，工程建设所遇到的技术问题越来越复杂，主要集中在：公路地基的湿陷性评价、公路路基设计指标（最大干密度控制、强度、压实度等）、黄土路基的施工、公路边坡设计与防护和湿陷性地基处理等方面。这些方面影响着我国黄土地区公路建设水平，亟须解决。本文结合多年的工程实践与技术资料收集整理，提出并分析了黄土地区公路勘察设计存在的问题与建议，以咨行业工程技术人员参考、交流和讨论。

2 公路地基的湿陷性机理与湿陷性评价

湿陷性是黄土工程地质问题中最为普遍的问题，因此备受人们关注。目前关于黄土湿陷机理的观点有加固凝聚力理论、抗剪强度理论、盐的溶解理论、脉动液化理论、微结构不平衡吸力理论、黏土粒膨胀理论、毛细管理论、结构理论等。其中加固凝聚力理论认为土体在水膜楔入作用和胶结物溶解作用下，土体因为其加固凝聚力和颗粒结构受到破坏而发生湿陷；抗剪强度理论的根据是交换和扩散作用，认为湿陷性黄土在浸水过程中，不仅存在水的楔入劈开作用，而且也存在着交换和扩散作用，交换和扩散作用对于联结的减弱起着较大的影响，黏土粒间的联结强度随着含水率的增大而降低；盐的溶解理论认为湿陷性是由于盐的溶解失去了胶结作用而产生的；脉动液化理论认为自重湿陷是由于地球脉动引起饱和黄土层的液化，进而导致蠕动而产生湿陷变形；微结构不平衡吸力理论认为湿陷过程就是由于水的楔入作用导致结构吸力丧失和湿吸力产生而引起的微结构重建动力与重建阻力间的动态对抗过程，也是微结构重建动力对土体微结构的改造过程。

从微观结构对黄土的湿陷性研究表明，湿陷性黄土普遍具有粒状架空结构体系这一特殊的共性，这种架空的结构是在干湿交替、且以干旱为主的气候环境中堆积时形成的。架空结构不仅形成了其特殊的力学性质，即土体的强度主要由其颗粒连接的支点、支线所承担，也为湿陷性黄土颗粒的重组提供了不可缺少的空间条件。湿陷性黄土支架孔隙结构连接点上的连接力（来源于上覆土层的压密，双电层中净势吸引能所占的优势和少量胶凝物质的分子黏结力等），使得这个粒状架空结构体系在天然状态下是稳定的，并且具有一定强度。但是当水浸入这个粒状架空结构体系中时，就会使连接点的强度降低，再在附加荷重同时作用下，粒状架空结构体系将会立即失去稳定性，结构边缘的颗粒滑移落入架空结构的孔隙之中导致黄土突然的湿陷变形。

建筑工程中对湿陷性黄土地基的评价一般包括地基土湿陷性判定、湿陷性土层总厚度及其分布范围确定、地基湿陷等级确定等内容；而影响判定结果的因素包括室内试验测定湿陷系数的压力、起始饱和度、场地条件等。公路工程尤其是高速公路建设中，一直重视这方面的研究，取得了不少实用的成果。比如测定湿陷性黄土湿陷系数的试验压力，考虑了填挖方加荷、卸荷的作用，对公路沿线黄土进行湿陷性评价时，按照填挖方实际情况分段进行。公路工程中有不同的构造物，如大（中）型桥梁、立交桥、跨线桥、高路堤、深路堑、通道、小桥、涵洞、排水沟、附属建筑物等，根据这些构造物的重要性、地基受水浸湿可能性的大小及构造物抵抗变形的能力，对湿陷性影响程度进行评价，使地基处理方案更有针对性。

3 公路路基设计与施工

3.1 最大干密度和最佳含水率的试验方法

《公路路基设计规范》（JTG D30—2004）规定，路基土体最大干密度采用重型击实方法求得。现场路基压实一般采用振动压实方法，大量的试验科研成果表明，在相同干密度情况下，振动压实和重型击实试件的含水率不一样；或者，在相同的含水率情况下，两种试验方法成型试件的干密度并不一样。因此，在现场振动压实施工条件下，采用重型击实求得的最佳含水率，路基土实际上不一定被充分压实。工程实例也表明，有些公路路基压实过程中压实度存在“超百”现象，而在公路运营不久，路基显著地被压缩变形，造成路基和路面塌陷等病害，也说明这一情况。两种试验方法作用机理不同，求得的试验结果也必然不同，特别是对于黄土路基，路基欠压实势必会带来公路运营期的病害和安全隐患，因此，很有必要改变路基最大干密度和最佳含水率的试验条件，提出更符合实际的CBR和回弹模量设计指标。

3.2 黄土路基强度与压实度设计

由于黄土粉粒含量高，属于不好压实的土料之一，加之黄土地区沟壑多，难免出现高填路堤，高路堤的压实及后期沉降更是工程中关注的问题。西部交通建设科技项目“黄土地区公路路基设计施工技术研究”（200131836115）、“黄土路基压实技术的研究”（200131800018）、“黄土地区路基工程技术指标体系与控制参数研究”、“黄土的物理特性研究”等都涉及到这方面的研究。振动压实的研究表明，振动压路机的振动频率接近黄土的共振频率时（约29Hz），黄土颗粒将处于完全运动状态，颗粒之间的连接减弱，土颗粒会迅速重新排列趋于密实。采用振动压路机对黄土压实是有效的，但要考虑振动能量的传播深度，严格控制虚铺层厚度。为提高路堤的压实度、减小路堤的沉降，不少工程中采用冲击碾压或强夯对黄土高路堤（高度20m以上）每填筑若干层进行一次追密压实取得了良好的效果。一般来讲，在用振动压路机压实填筑80～100cm时进行一次冲击碾压追密压实或填筑400cm时进行一次强夯（能级1000kN·m）追密压实可以使压实度提高3%左右。目前，黄土路堤压实面临的一个问题是《公路路基设计规范》（JTGD 30—2004）中压实度要求和CBR要求不匹配，规范对CBR值的规定对黄土地区来讲过高，没有充分考虑到黄土的特殊工程性质，施工中很难达到规范的规定：即无论压实度如何提高，黄土填料的CBR值均无法达到规范的要求；这与CBR值的试验测定方法有直接的关系。CBR试验条件规定试件测试前要泡水4昼夜，这对黄土来讲是致命的破坏，自然测得的CBR值就很低，难以达到规范要求。有研究建议将现行《公路路基设计规范》（JTGD 30—2004）对路床土最小强度和压实度要求（表1）改为表2，即在提高压实度的同时降低CBR值的要求，这样才能符合工程实际。对于这个问题也有研究认为，应该改变CBR值的试验条件，即不泡水或缩短泡水的时间，因为泡水4昼夜本身就不符合黄土地区气候干燥的特点。可以通过实际测定已有公路的含水率，以此作参考来确定CBR值试验的饱水条件。

研究认为黄土高路堤的自身沉降大小与路堤填筑加载方式有关，采用分级加载方式施工时（这也是工程中的实际施工方式），由于土拱效应，施工期路堤的最大沉降不是发生在路堤顶部，而是发生在内部某一路堤高度处，只有在土拱效应消失后最大沉降才发生在堤顶，该过程要持续若干年（理论上多采用非饱和土的固结与蠕变模型计算）。因此黄土高路堤应适当考虑预压期，以减小工后沉降。

3.3 黄土路基施工

西部交通课题等科研课题成果，提出了黄土路基压实方法和振动压实参数，提出了适宜的黄土路基压实施工工艺。我国黄土基本上属于粉土，粒组为细粒土。对细粒黄土地基或路基而言，在压实度不足的情况下，甚至在压实度满足要求的情况下，土基含水率增大且在外力作用下仍会发生不同程度的湿陷，这对公路运营期的安全带来了一定的隐患。国内外一些公路建设已经开始注意到此问题，并采取了一些措施，取得了较好的效果。如，山西省一些高等级公路在修建时已增添了孔隙率控制指标；日本高等级公路施工管理规范对土质路基压实控制方法是：根据土的级配（75μm筛通过量）划分控制标准，对75μm筛通过量在20%以上的土用孔隙率V_a控制，对75μm筛通过量不足20%的土用密度比D_c（密实度）控制。考虑到黄土大多属于粉土，黄土路基或地基压实时，应充分考虑工后含水率变化对路基和地基造成稳定性的影响，在路基填筑压实或地基压实设计和施工时应增加孔隙率控制指标。

3.4 公路边坡防护问题

3.4.1 边坡设计

我国高速公路、国省道边坡问题主要集中在深路堑边坡设计上，路堑边坡一般采用“宽台、陡坡、多分级”的形式，宽台和边坡多分级目的是将上下级边坡分成独立个体，避免应力集中或叠加，有利于整体边坡的稳定，同时对坡面雨水也有一定消能、抗冲刷作用；陡坡的目的是减少雨水冲刷，并减少路堑开挖工程量。但坡面过陡，也同时带来了绿化成活率低的问题，因为坡面雨水迅速排走，植物所需的水分得不到满足，造成植物不能正常生长直至枯死。在陕北高速公路边坡防护调查过程中发现，路堑边坡阳面植物成活率较低，而阴面（背阳面）成活率较高，究其原因是因为阳面日晒时间长，坡面蒸发量大，土体较为干燥；而阴面蒸发量相对较小，且冬季积雪在春季融化时间长，给植物生长提供了必要的水分。因此，很有必要开展边坡坡率与植物绿化防护相互关系的研究，针对边坡阳面和阴面分别提出适宜的边坡坡率，提出的边坡坡率即能保证边坡的整体稳定性和抗冲刷的需要，也能够满足植物生存条件的需要，实现两者优势互补。

3.4.2 边坡支挡与防护

边坡支挡的前提是基于对边坡破坏机理与破坏模式的分析，分析的方法可以分为两大类：一是工程地质类比法，又称地质比拟法，属于定性分析方法，主要包括边坡稳定历史分析法、因素类比法、类型比较法、边坡评比法等；二是力学分析验算法，属于定量分析方法，主要包括圆弧法、极限平衡法、裂隙法、有限元法等。根据分析的具体结果，可以采用挡土墙、锚杆、锚索框架梁、抗滑桩等工程措施加强边坡的稳定性。对于黄土路堑高边坡的防护，人们越来越重视与自然景观的协调。西部交通建设科技项目“黄土地区公路高边坡防护技术研究”（200131800020）对此进行了较深入的研究，提出了工程防护、单一植被防护、综合防护的黄土坡面防护措施。其中工程防护主要是采用护面墙、浆砌片石护面、锚杆喷浆护坡、挂网喷浆护坡等；单一植被防护主要有人工植草技术、液压喷播植草技术、植树技术等；综合防护有框架植被护坡、铺网植草护坡、厚层基材喷播植草护坡、土工格室与绿化防护板植草护坡等。所采用的这些坡面防护措施，不仅为黄土路堑高边坡坡面稳定提供了有力的保证，也对道路起到了美化、绿化的作用。

4 湿陷性黄土地基处理若干问题

在降低或消除地基湿陷性方面，公路中常采用的方法有冲击碾压法、强夯法、挤密桩法等，对于这些方法的选用，考虑了地基的湿陷等级（见表3）和需要处理的深度（见表4）。

黄土地基处理采用的这些方法，以及其他的类似方法，如：浅层处理的垫层法、介于强夯与冲击碾压之间的重锤夯实法、由孔内深层强夯法发展的孔内深层超强夯法（SDDC法）等等，在方法本身的工艺上基本没有太大的技术难度，需要关注的是地基处理的控制标准，这方面上尚有不少问题值得研究。首先是对于处理效果的评价，目前设计所提的指标基本都是地基承载力，而承载力一般用于构造物基础，对路堤来讲是不合适的，路堤稳定性验算并不考虑承载力的大小。如果用处理后的湿陷系数δ_s来评价，是不是必须满足δ_s＜0.015（非湿陷性）或0.015≤δ_s≤0.03（轻微湿陷性）才行?实际上，地基处理的目的就是减小沉降、提高稳定性，所以应采用工后沉降和稳定安全系数来评价处理的效果。有工程根据软土地基处理的容许工后沉降标准，提出了如表5所列的湿陷性黄土地基的容许工后沉降标准。

另一方面，由于黄土的湿陷主要是在水的作用下发生的，当对一定厚度的湿陷性土层进行了处理，使其具有抵御外界水的侵蚀能力时，即使下面土层的湿陷性没有采取处理措施消除，由于土体含水率达不到湿陷起始含水率，那么其湿陷也不会发生。因此实际处理的深度是可以减小的，这对于厚度大的湿陷性土层是值得认真考虑的。

5 结论

通过国内黄土地区公路工程建设技术的调查，结合工程实践，提出了黄土地区公路路基勘察设计存在的问题和建议，主要结论有：

（1）公路地基的湿陷性评价。黄土的上覆压力是引起黄土湿陷的主要外因，在不同的外力作用下，其表现出的湿陷特性不同，因此，公路工程在评价黄土湿陷时应根据填挖方厚度和构造物的重要性进行评价，使地基处理方案和路基设计方案更有针对性。

（2）公路路基设计与施工。黄土属于粉土、细粒土，也属于级配不良土，存在作为路基填料难以压实的技术难题，单纯的静压结合振动压实的方法难以压实，建议在用振动压路机压实填筑的同时进行冲击碾压追密压实或强夯追密压实可以使压实度提高3%左右。

黄土路堤压实面临的另一个问题是现行《公路路基设计规范》（JTGD 30—2004）中压实度要求和CBR要求不匹配，规范对CBR值的规定对黄土地区来讲过高。CBR试验条件规定试件测试前要泡水4d，这对黄土来讲是致命的破坏，自然测得的CBR值就很低，难以达到规范要求。因为泡水4d本身就不符合黄土地区气候干燥的特点。本文建议通过调研实际测定已有公路的含水率，以此作参考来确定CBR值试验的饱水条件。

为减少黄土高路堤的工后沉降，路基设计与施工应适当考虑预压期。

（3）湿陷性黄土地基处理。湿陷性黄土地基处理，需要关注的是地基处理的控制标准，控制标准不应仅仅考虑承载力，还应考虑施工期和运营期沉降等。

另一方面，黄土土体含水率达不到湿陷起始含水率，其沉陷不会发生。湿陷性黄土地基设计时应考虑影响范围内的水文条件，合理地确定地基处理方法，减少工程不必要的浪费。

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