黄土地区挖方路基病害及处治措施研究

一、前言
　　我国的黄土分布很广泛，其中以西北地区黄土地层最厚、最完整、发育好、地层全，其特征比较典型。由于黄土具有特殊的湿陷性，黄土挖方地区时常发生公路病害。黄土地区公路病害与黄土的工程特性有重要关系，其中最典型的是黄土的湿陷性。本文围绕着黄土的湿陷性，分析黄土的结构与构造，湿陷机理与影响因素，提出处治对策，为合理地防治黄土地区公路各种病害提供依据。
　　二、黄土的结构特性
　　 1．黄土的结构和构造
　　（1）物质成分
　　黄土的颗粒成分以粉粒为主，一般占总重55%以上，其中粗粉粒（0.05mm～0.1mm）含量又大于细粉粒（0.01mm～0.1mm）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的表面。黄土中的粉粒和集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，接触联接点较少，构成一定数量的架空孔隙，而在接触联接处没有或只有少量胶结物质。常见的胶结物质有聚集在联接点的粘粒，易溶盐与沉积在该处的碳酸钙、硫酸钙等。
　　（2）多孔隙性
　　 ① 大孔隙，直径约0.5～1.0mm，肉眼就可辩识；
　　 ② 细孔隙，是架空结构中大颗粒的粒问孔隙，肉眼看不见，可在放大镜下观察到；
　　 ③ 毛细孔隙，由大颗粒与附在其表面上的小颗粒所形成的粒间孔隙，肉眼更看不见。
　　（3）节理
　　新黄土中原生柱状垂直节理发育，未发现有构造节理。老黄土中普遍发育有斜节理，属构造节理。节理特别是构造节理，对路基边坡稳定带起控制作用，对黄土冲沟的发育和黄土暗穴的形成也常起控制作用。黄土的垂直节理极为发育，往往引起黄土沿垂直节理发生大规模崩塌和急溯源侵蚀，造成悬崖陡壁和“U”型沟谷，严重影响着公路建设。
　　 2．黄土的水理特性
　　（1）渗水性
　　由于黄土具有大孔隙及垂直节理等特殊构造，故其垂直方向的渗透性较水平方向大。新黄士的渗透性强，老黄土的渗透性差，所以新老黄土地层的接触带常为地下水出露的地带，其附近往往有不良地质现象发生。
　　（2）收缩和膨胀性
　　黄土遇水膨胀，干燥后又收缩，多次反复容易形成裂缝及剥落。由于黄土在堆积过程中，土的自重作用使粉粒在垂直方向的粒间距离变小，所以具有天然湿度的黄土在干燥后，水平方向的收缩量比垂直方向的收缩大，一般约大50%到100%。这种收缩与膨胀特性，易引起路基明显变形，边坡沟洞发展和稳定性下降。
　　（3）崩解性
　　各类黄土崩解性差异特大，新黄上浸水后，很快就全部崩解；老黄土则要经过一段时间才会全部崩解；而红色黄上浸水后，几乎不崩解。所以新黄土湿陷性明显，而土层越老，崩解性越小，湿陷性也越小。
　　 3．黄土的力学特性
　　（1）抗剪强度
　　原状黄土的各向异性：由于垂直节理及大孔隙的存在，原状黄土的强度随方向而异，黄土水平方向的强度较大，45o方向强度居中，垂直方向强度最小。
　　（2）湿陷性
　　黄土浸水后在外荷载或土自重的作用下发生的下沉现象，称为湿陷。湿陷性黄土按其受力来源不同又可划分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土两大类。湿陷机理至今还未被完全揭示出来，多认为胶结盐类的溶解是黄土湿陷的原因。
　　三、黄土地区挖方路基病害调查与分析
　　（1）后缘拉裂
　　黄土中的天然应力场主要为自重应力，在开挖前，自重应力以垂直方向为主，由于人工迅速开挖，形成高陡临空面，其应力要进行调整，调整的结果是应力的偏转，即形成平行于坡面的最大主应力和与之垂直相交的最小主应力，两应力的交线成为剪应力轨迹，最大主应力的偏转程度与坡高和坡型有着直接的关系，边坡越高越陡，剪应力在坡脚越集中，同时在坡脚形成较高的压应力集中。
　　（2）滑移破坏
　　黄土中存在相对隔水层，其坡脚一些地段是相对隔水的泥岩、泥质砂岩及风化剥蚀面，相对黄土而言，这些层位其渗透系数较小，一般为之间，黄土的覆盖较厚，一般情况下，在降水过程中，不可能入渗到达下部相对隔水层，但是由于张裂隙及一些大的孔洞存在，在降水时地表水形成面流，会沿这些裂隙、孔洞直接灌入到达一定的深度，加之地下水的侧向补给就会在该处形成地下潜水或上层滞水，便黄土呈现流塑或软塑状态。这样在坡体重力作用下就会沿着薄弱面产生滑动，使边坡破坏。
　据调查和统计，在黄土中产生滑动并不完全是一个圆弧面，而是前部为圆弧面，后部追踪张裂破坏的上陡下缓的“ L”形状，在这方面，西安公路研究所有着深入的研究，并根据实际情况总结出裂隙圆弧法汁算滑动土体的稳定性。
　　（3）崩塌
　　高边坡形成后暴露地表，受到各种外部应力的作用，使坡形产生改变，最终下部形成反坡，如有不利的裂隙切割组合成块体，最终产生崩塌破坏。根据对黄土边坡的调查，形成反坡的原因有如下几点：一是边坡坡脚附近为古土壤层。另外，地表水的冲刷、风化等也可使坡脚凹进，但由于有排水沟和护面墙，这种作用比较少。反坡形成后，下部失去支撑，坡体应力会进一步调整，加快变形，后缘裂隙张开，如果组合的块体一旦形成，将产生崩塌。
　　（4）滑坡
　　滑坡的产生原因，主要是由于黄土的强度下降引起土体稳定性平衡的破坏。大型滑坡常发生在松散结构或黄色湿陷性黄土层中，在新黄土中也会出现小型滑坡，滑坡多发生在老黄土和岩土间出现不整合倾斜接触面处，这里的黄土本身稳定性差，遇水作用或其它条件如地震、施工大爆破等作用下，极易产生土体滑移和崩坍。黄土地区滑坡极易产生，对公路建设危害极大。
　　四、黄土地区挖方路基地基处治措施研究
　　 1．换填法处治法
　　当地基土的承载力和变形满足不了道路结构的要求，而软弱土层的厚度又不很大时，将基层底面下一定范围内的软弱土层挖去，然后分层换填砂、石、石灰、炉渣等建筑材料并夯实，这种地基处理方法称为换填法。在实际工程中，由于该方法材料来源广泛、经济，对施工机具要求不高，并且能够取得较好的效果而被广泛采用。
　　 2．冲击压实法
　　土体在压实过程中，压实机械所产生的应力使一定深度范围内的土体颗粒重新排列并挤密，土的密度和强度随之提高，土体渐渐由塑性状态变为弹塑性状态，直到弹性状态。很显然，加大作用于土体的冲击能量，可以增加影响深度，提高土体的密实度，从而更容易使土体达到弹性状态。
　　 3．强夯法处
　　强夯法是在重锤夯实法的基础上演变而来的。重锤夯实法加固地基，可提高地基表层土的强度。对湿陷性黄土，可降低地表的湿陷性，对杂填土，可减少表层土的强度不均匀性。
　　 4．土工格栅加筋处治法
　　在黄土路基半填半挖路段，由于在填挖结合部沉降量不同，产生一定的沉降差值，由此导致道路产生纵向裂缝。这在前面的的病害调查中得到了充分的验证，因此，需采取有效的处治措施，以减少填挖结合部位的沉降差；同时加强填挖路基的衔接，并保证路基的填筑质量，用来减轻填挖路基性质差异所产生的危害。土工格栅加筋就是众多处治措施中比较有效的方法之一，并在实践中得到了广泛的运用。
　　土工格栅具有较高的抗拉强度和张拉模量，因此能将荷载或应力均匀地扩散在较大的面积范围。对于软弱地基而言，可大大减少作用于软基础上的压力：对于沥青面层而言，可大大减少沥青结构层产生的徐变作用，最终达到防止沥青路面开裂的目的。
　　土工格栅还可以凭借网面层的高摩阻力而产生的高抗拉强度增加结构层材料的剪切强度和整体性，组织不同路面材料相互掺杂或原地基与路基村料的相互掺杂。土工格栅的网状结构可使孔隙水压力更快的消散，这对于加固软粘土地基是非常重要的。
　　同时，在分析时发现，格栅两端一旦固定，那么其加筋作用就比较明显。格栅通过两种方式起作用：一是格栅与填土之间的摩阻力及格栅横肋阻力来阻止土体恻向滑移；二是格栅自身在上覆压力作用下产生弯拉变形后能对上覆填土产生法向反力。当土工格栅两端固定后，这两种方式都能很好地起作用。而在实际工程中，加筋材料的两端是埋置于土中的，也即随着土体的变形而发生位移，因此其加筋效果就会降低。
　　五、结论
　　本文仅对黄土地区挖方路基病害和防治技术进行了初步的探讨，因黄土本身所具有的特殊性质，黄土地基的处治显得尤为重要。铺设砂砾垫层和灰土垫层，一方面提高了地基的承载力，另一方面又控制了水对黄土地基的影响作用，垫层厚度以30～40cln为宜，一般应坚持因地制宣、就地取材的原则；冲击压实法处理湿陷性黄土地基的有效影响深度在80cm左右，冲压遍数以30～40遍为宜；强夯有效处理深度约为3.5cm左右，影响深度约为5.0cm左右，地基土经强夯处理后，施工期间略有沉降，填方完成后一年内基本无明显沉降；在路基填挖结合部设置土工格栅可以有效减小沉降差，加强填挖路基的衔接，土工格栅两端固定后效果更为显著。