黃土地區的地質勘察與病害處治

邊坡區基土壤條件濕黃土在我省廣泛分布。而黃土具有獨特的性質,比如具有很強的透水性、大孔性、崩解性、沖刷性和濕陷性等。實踐表明,由于黃土的這些特性而引發了多種工程地質問題,如黃土邊坡的穩定性問題(天然邊坡及人工邊坡),黃土陷穴、溶洞、暗溝等黃土巖溶問題及黃土的地基強度、遇水濕陷問題。而特別是黃土濕陷問題曾給我省的公路建設造成威脅和破壞。為此應在高速公路的設計和施工中引起足夠的重視。而地處我省南部的運城—三門峽、侯馬—運城高速公路,此一問題更為突出。由于該區域Ⅱ—Ⅲ級濕陷性黃土較多,分布較廣,往往地基的濕陷事故在人們未能注意的情況下發生,且具有局部性和不均勻性。一旦發生即造成路基、橋涵構造物的沉陷破壞,危害比較嚴重,補救工作耗資甚巨。為此,首先應搞好工程地質勘察和設計,探明地質情況,及早采取得當的措施,周密地進行地基處理,以求消除或減弱黃土濕陷的危害。1新黃土地區要注重施工a.要重視濕陷性黃土地質勘察及病害的處治。經驗表明,黃土地區的地基沉陷量較大,有的甚至下沉40cm～60cm,特別是不均勻下沉嚴重,造成路基、橋涵結構物裂縫。為此在勘察時即應全面、認真地進行地質調查工作。應分段查明濕陷類型、濕陷等級、厚度、地下水位情況并確定地基承載力。由于黃土地區的陷穴、暗溝、溶洞是很不規則的,多流水頭分岔較多,勘察過程應通過工程地質調查、鉆探、物探、觸探等方法,盡可能查明溶洞、暗溝的分布范圍、尺寸大小、覆土厚度,分析研究其形成機理,確定處治方法。對于測設階段不能完全探明的,在施工階段仍應繼續認真地進行檢查。基坑開挖后不僅要檢查地基承載力,而且對基底以下或附近是否存在暗溝應予注意。對可疑處應用釬探、挖探、鉆探、觸探等手段進行探查。有關經驗表明手搖靜力觸探儀在新黃土地區應用的效果較好,簡便易行。對發現的暗溝、洞穴,查明其走向、位置等情況以后應予注漿回填,并將流向暗溝的水源堵截并引向排水系統排出。對上覆土層較薄的洞穴可用明挖法開挖回填,對橋涵上游方向的暗溝則應設置止水墻封堵,墻體可用天然級配砂礫、二灰土或低標號貧配混凝土。b.在選定涵洞型式時,應考慮種種條件,不能草率決定。應注意不同類型橋涵的構造特點。重力式橋臺則應慎用。一般在濕陷性黃土地區宜選用整體性好、承載能力大、防滲效果好的箱涵或管涵。但在山區高填方下部,為降低造價,方便施工,仍較多地采用拱式結構。為改善防滲能力,減小基底壓應力,拱涵及高填土涵洞,可設計為整體式基礎或加設仰拱。梁式橋宜用樁基,以求分布壓力,防止滲水,避免引發黃土濕陷。c.涵位的設置在適應水流通過的情況下,原則上應力求正交,盡量減少斜交角度,特別是拱涵更應注意這一點。因為斜交箱涵、拱涵、蓋板涵當承受偏土壓時,在涵體上產生的應力遠比正交時為大。而這種影響在軟弱地基上更為突出。由于偏土壓對角隅應力影響較大,極易產生裂縫,因此最好采用正交。其次應根據水流情況,按水力條件進行端墻的選擇。d.在軟弱地基沉降量大的地基上(如新堆積黃土、軟土等地帶)修建涵洞時,應考慮到沉降會導致的種種后果。如施工時進行預壓,以減輕建成后的沉降。但在竣工后的相當長的時期內還會繼續沉降,會降低涵洞的使用功能。因而設計時要預留沉降量或預留斷面凈空余量,以求減小沉降的影響。e.重視施工期間雨水對地基的影響。雨季施工排水不暢,基坑開挖后,雨水浸泡地基,會造成路基、橋涵地基承載力的大量濕陷,沉降量也會大大增加。因而施工中應加強工程排水,將雨水排離路基、橋涵地基范圍,使雨水不致浸泡地基或盡可能減少浸泡。應完善綜合排水設計,并應特別注意避免滲漏。對匯水區內的地表逕流計算應比非濕陷性地區要求為高,以保證充分排出匯集的逕流。其采用的水文計算重現期建議提高一個檔次,加大排水溝斷面尺寸,可將路界內坡面排水的重現期提高為20a。在施工過程中,當橋涵主體結構物完成后,應及早修建洞口建筑物及其他排水配套設施,盡快疏導水流,減少對地基的影響。f.應注意臺背填土施工,特別是高填土斜交拱涵更應加以重視。這在我省工程中多次發生涵臺擠裂的事故,應引以為戒。涵洞的兩個臺背填土一定要均衡地對稱填土壓實。在山區地形變化大時,為使兩端臺背的高度一致,必要時應予開挖,以求對稱施工。2基地基礎材料、材料和地基厚度為基a.高速公路、一級公路工程項目安全等級劃分。根據地基損壞造成建筑物破壞后果(危及人的生命、造成經濟損失的大小及修復的難易)的嚴重程度,建筑規范對各類建筑物安全等級,按建筑物高度、重要性、抵抗變形的能力劃分為4個等級。公路規范尚無類似規定,現參照建筑規范,初步建議也將高速公路、一級公路的主要工程劃分為4個安全等級(見表1),設計時根據公路等級等具體情況參照選用。b.當地基的壓縮變形、濕陷變形或強度不能滿足設計要求時,應針對不同土質條件和構造物的類別,在地基壓縮層內或濕陷性土層內采取處理措施。濕陷性黃土地基的處理,應符合下列要求(參照《濕陷性黃土地區建筑規范》GBJ25-90):1)對一級構造物應消除地基的全部濕陷量或穿透全部濕陷性土層;2)對二、三級構造物應消除地基的部分濕陷量,并做好地表水的防排工程。c.一級構造物消除地基全部濕陷量的處理厚度,應符合下列要求:1)在非自重濕陷性黃土場地,應將基礎下濕陷起始壓力小于附加壓力與上覆土的飽和自重壓力之和的所有土層,進行處理或處理至基礎下的壓縮層下限為止;2)在自重濕陷性黃土場地,應處理基礎以下的全部濕陷性土層。d.二級構造物消除地基部分濕陷量的最小處理厚度,應符合下列要求。1)在非自重濕陷性黃土場地,不應小于壓縮層厚度的2/3,或健全排水系統,進行墊層處理;2)在自重濕陷性黃土場地,不應小于濕陷性土層厚度的2/3。并應控制未處理土層的濕陷量不大于20cm,或健全排水系統,進行墊層處理;3)如基礎寬度大或濕陷性土層的厚度大,處理2/3壓縮層或2/3濕陷性土層的厚度確有困難時,在構造物范圍內應采用整片處理。e.三級工程項目消除地基部分濕陷量的最小處理厚度,建議按表2選用。f.高速公路兩側設有蒸發池時,其距離應置于濕陷性半徑對路基的影響之外。g.采用樁基礎的橋涵,當位于自重濕陷性黃土場地時,其樁長的計算應考慮負摩阻力的影響,樁端應有足夠的長度置于可靠的土層內。h.對四級工程的地基可視其濕陷等級,分別采取加強防排水工程及結構選型工作即可,對其地基在一般情況下可不進行處理。i.選擇地基處理方法,應根據建筑物的類別、濕陷性黃土的特征、施工條件和當地材料,并經綜合技術經濟比較確定。濕陷性黃土地基常用的處理方法,可按表3選擇。j.在進行黃土地基處治時,應根據黃土的濕陷等級、基底設計要求承載力、橋涵結構類型、地基浸水的可能性多少、基礎形式和結構類型綜合考慮,予以選定處治方法。在選定方法時應考慮地基的土壤性能、含水量等各種情況。如不得采用換填砂礫等透水性材料處治濕陷性地基,而采用石灰土或水泥石灰土換填為好。有條件時可采用二灰土(石灰、粉煤灰),其強度較灰土為高。再如目前強夯效果較好,但當地基飽和時效果則較差或產生相反的效果。用灰土擠密樁處理地基時,如遇到水進入地基則反而會造成更大的濕陷。對于地下水位以下的飽和黃土,拔管時容易縮頸,成孔質量不好,且打管時對鄰近已回填的樁體造成損壞。除非施工時采取排水措施,否則不宜采用灰土、二灰土擠密樁。所以在選定方法時一定要多方分析,鄭重選定。在一般情況下,對涵洞地基的處治方案,可采用更換土壤、擴大基礎、重夯、旋噴樁或其他樁基等形式。也可采用兩種方法綜合處治,當采用三七灰土更換土壤時,處治寬度應隨著深度的加深,應按擴散角的擴大而予以加寬,有些施工單位往往忽視了這一點。很久以來,換填墊層大多用于路面基層、底基層,墊層厚度一般不超過30cm。后來隨著新型壓實機械的研制成功,加固范圍擴大到各種軟弱地基,墊層厚度也增加至1.0m～1.5m(太舊線的灰土換填達3.0m)。k.當采用挖填墊層加固地基時,其換填的面積及厚度參照《公路橋涵地基的基礎設計規范》JTJ024-85進行計算確定,使墊層底部總應力(附加應力與自重應力之和)不超過下臥天然土層的容許承載力。墊層具有較大的變形模量和強度,基礎底面的壓力通過勢層的擴散作用分布到較大的面積上,其擴散角φ可假定為35°左右(JTJ024規定其擴散角可假定為35°～45°,筆者認為以35°左右為宜)。l.建筑部門的有關試驗表明,素土墊層當其厚度小于1m時,地基濕陷變形比天然地基只減小38%左右。且濕陷速度較快,濕陷危害仍然存在;當墊層厚度與基礎底面寬度相同時,減小濕陷量達83%,并能降低濕陷等級;當土墊層厚度等于基礎底面寬度1.5倍時,減小濕陷97%,濕陷變形基本消除。由此可見,房屋基礎所