张石高速公路湿陷性黄土地基处理技术的应用与成效探究

张石高速公路湿陷性黄土地基处理技术的应用与成效探究一、引言1.1研究背景与意义随着我国交通基础设施建设的飞速发展，高速公路的建设规模不断扩大。在高速公路建设过程中，不可避免地会遇到各种复杂的地质条件，其中湿陷性黄土地基是较为常见且具有挑战性的问题之一。湿陷性黄土在我国分布广泛，主要集中在西北、华北等地区，如甘肃、宁夏、陕西、山西等地。其特殊的工程性质给公路工程的建设和运营带来了诸多危害。湿陷性黄土的显著特点是在天然状态下强度较高、压缩性较低，但一旦受到水的浸湿，在自重应力或自重应力与附加应力的共同作用下，土的结构会迅速破坏，产生显著的附加下沉，即湿陷变形。这种湿陷变形具有局部性、突发性和不均匀性的特点，严重危害公路路基及其构造物。例如，在公路建成后，若地基受到雨水浸泡或地下水位上升等因素影响，湿陷性黄土会发生湿陷，导致路基出现大幅度沉降、开裂，路面平整度遭到破坏，影响行车舒适性和安全性。不均匀沉降还可能使桥梁、涵洞等构造物的基础受到不均匀的作用力，导致构造物倾斜、开裂，甚至倒塌，严重影响公路的正常使用和使用寿命，增加后期维护成本。据相关资料统计，在湿陷性黄土地区，因地基湿陷问题导致的公路病害占总病害的比例较高，给公路工程带来了巨大的经济损失。张石高速公路是连接张家口和石家庄的重要交通干线，对于促进区域经济发展、加强地区间的交流与合作具有重要意义。该高速公路部分路段穿越湿陷性黄土区域，如不妥善处理湿陷性黄土地基，将会给公路的建设质量和运营安全带来严重威胁。因此，在张石高速公路建设中，对湿陷性黄土地基进行有效处理是十分必要的。本研究对张石高速公路湿陷性黄土地基处理技术展开深入研究，具有重要的工程实践意义和技术发展意义。在工程实践方面，通过对不同地基处理技术的研究和应用，能够为张石高速公路的建设提供科学合理的地基处理方案，确保公路的工程质量，减少因地基问题导致的病害和维修成本，保障公路的安全运营。同时，本研究成果也可为其他类似湿陷性黄土地区的高速公路建设提供借鉴和参考，提高我国在湿陷性黄土地区公路建设的技术水平和工程质量。在技术发展方面，深入研究湿陷性黄土地基处理技术，有助于进一步揭示湿陷性黄土的工程特性和湿陷机理，推动地基处理技术的创新和发展，为解决湿陷性黄土地区的工程问题提供更有效的方法和手段。1.2国内外研究现状1.2.1国外研究现状国外对于湿陷性黄土的研究起步较早，在湿陷性黄土的工程性质、湿陷机理等方面取得了一定的成果。美国、日本、俄罗斯等国家在湿陷性黄土地区进行了大量的工程建设，积累了丰富的实践经验。在湿陷性黄土的工程性质研究方面，国外学者通过室内试验和现场测试，对湿陷性黄土的物理力学性质进行了深入分析。研究发现，湿陷性黄土的颗粒组成、孔隙结构、含水量等因素对其工程性质有显著影响。例如，通过扫描电子显微镜（SEM）观察发现，湿陷性黄土颗粒之间存在较大的孔隙，这些孔隙在水的作用下容易发生变形和破坏，从而导致土体湿陷。在湿陷机理研究方面，国外学者提出了多种理论。其中，以结构学说为代表，该学说认为湿陷性黄土的湿陷是由于土颗粒之间的胶结物质在水的作用下溶解或软化，导致土颗粒之间的连接力减弱，从而使土体结构破坏，产生湿陷变形。此外，还有基于土力学原理的有效应力理论、基于微观结构的损伤理论等，这些理论从不同角度解释了湿陷性黄土的湿陷机理。在湿陷性黄土地基处理技术方面，国外常用的方法包括强夯法、灰土挤密桩法、预浸水法等。强夯法通过重锤自由落下产生的强大冲击力，使地基土密实，提高地基承载力，消除湿陷性。灰土挤密桩法是利用桩管打入土中，侧向挤密土体，然后在桩孔内填入灰土并夯实，形成复合地基，提高地基的承载能力和稳定性。预浸水法是通过在地基中预先浸水，使土体产生自重湿陷，从而消除湿陷性。这些方法在国外的湿陷性黄土地区的建筑、道路等工程中得到了广泛应用，并取得了较好的效果。在高速公路领域，国外也开展了相关研究。例如，美国在一些穿越湿陷性黄土地区的高速公路建设中，采用了特殊的地基处理措施和路面结构设计，以确保公路的长期稳定性和行车安全。通过对不同地基处理方法的效果进行监测和评估，总结了适合高速公路建设的湿陷性黄土地基处理技术和经验。1.2.2国内研究现状我国对湿陷性黄土的研究始于20世纪50年代，经过多年的发展，在湿陷性黄土的特性研究、地基处理技术等方面取得了丰硕的成果。在湿陷性黄土特性研究方面，我国学者对湿陷性黄土的分布规律、工程特性、湿陷类型及评价标准等进行了系统研究。查明了我国湿陷性黄土主要分布在西北、华北等地区，不同地区的湿陷性黄土在工程性质上存在一定差异。通过大量的室内试验和现场测试，建立了湿陷性黄土的物理力学指标体系，完善了湿陷性黄土的湿陷性评价方法，如湿陷系数、自重湿陷系数、湿陷起始压力等指标的测定和应用，为湿陷性黄土地基处理提供了科学依据。在湿陷性黄土地基处理技术方面，我国结合工程实践，发展了多种适合国情的处理方法，如灰土（或素土）垫层法、重锤夯实法、强夯法、土（或灰土）桩挤密法、深层搅拌桩法、预浸水法等。灰土（或素土）垫层法是将基础下一定厚度的湿陷性黄土挖除，用灰土或素土分层回填夯实，以消除地基的部分湿陷量，提高地基承载力。重锤夯实法利用重锤自由落下的夯击能，使地基表层土密实，适用于处理浅层湿陷性黄土地基。强夯法是一种高效的深层地基处理方法，通过强大的夯击能，使地基土深层密实，有效消除湿陷性，加固深度可达数米甚至十几米。土（或灰土）桩挤密法通过在土中形成桩孔，将桩间土挤密，然后在桩孔内填入土或灰土并夯实，形成复合地基，提高地基的承载能力和稳定性。深层搅拌桩法是利用水泥等固化剂与地基土强制搅拌，形成具有整体性、水稳性和一定强度的桩体，与桩间土共同组成复合地基。预浸水法适用于处理厚度较大的自重湿陷性黄土地基，通过预先浸水使土体产生自重湿陷，减少后期湿陷变形。这些方法在我国湿陷性黄土地区的工业与民用建筑、公路、铁路、水利等工程中得到了广泛应用，并不断得到改进和完善。在高速公路建设中，我国也十分重视湿陷性黄土地基的处理。随着高速公路建设的快速发展，越来越多的高速公路穿越湿陷性黄土地区，针对高速公路路基的特点和要求，开展了一系列研究和实践。例如，在一些高速公路项目中，通过现场试验段研究，对比分析了不同地基处理方法的效果，包括强夯法、冲击压实法、灰土挤密桩法等，总结了适合高速公路湿陷性黄土地基处理的施工工艺和质量控制标准。同时，结合数值模拟技术，对地基处理后的沉降变形进行预测分析，为工程设计和施工提供参考。1.2.3研究现状分析国内外在湿陷性黄土地基处理技术方面已经取得了众多研究成果，为工程实践提供了有力的技术支持。然而，目前的研究仍存在一些不足之处和可拓展方向。在研究的不足之处方面，首先，虽然各种地基处理方法在一定程度上能够有效处理湿陷性黄土地基，但不同方法的适用条件和处理效果仍存在一定的局限性。例如，强夯法对周围环境有较大的振动和噪声影响，且在处理深度和均匀性方面存在一定限制；灰土挤密桩法施工工艺相对复杂，施工质量受人为因素影响较大。其次，对于湿陷性黄土的微观结构和湿陷机理的研究还不够深入，尚未形成统一的理论体系，这限制了地基处理技术的进一步创新和发展。此外，在湿陷性黄土地区的高速公路建设中，对地基处理后的长期性能监测和评估研究相对较少，难以准确掌握地基处理效果的长期稳定性。在可拓展方向方面，一是加强对湿陷性黄土微观结构和湿陷机理的深入研究，从微观层面揭示湿陷性黄土的本质特性，为地基处理技术的创新提供理论基础。二是开展多种地基处理方法的组合应用研究，结合不同方法的优势，形成更加高效、经济、适用的综合处理方案。例如，将强夯法与灰土挤密桩法相结合，先通过强夯法对地基进行初步加固，再采用灰土挤密桩法进一步提高地基的承载能力和稳定性。三是利用先进的监测技术和数值模拟方法，加强对湿陷性黄土地基处理后长期性能的监测和评估研究，建立长期性能预测模型，为工程的长期安全运营提供保障。四是针对不同地区湿陷性黄土的特点和高速公路工程的特殊要求，进一步优化和完善地基处理技术和施工工艺，提高处理效果和工程质量。1.3研究方法与内容1.3.1研究方法本研究综合运用多种研究方法，确保研究的科学性、全面性和实用性，为张石高速公路湿陷性黄土地基处理提供可靠的理论依据和实践指导。文献研究法：广泛查阅国内外关于湿陷性黄土的工程性质、湿陷机理、地基处理技术等方面的文献资料，包括学术论文、研究报告、规范标准等。通过对这些文献的梳理和分析，了解湿陷性黄土地基处理技术的研究现状和发展趋势，总结前人的研究成果和实践经验，为本研究提供理论基础和技术参考。例如，参考国内外学者对湿陷性黄土微观结构和湿陷机理的研究成果，深入理解湿陷性黄土的特性，为后续研究提供理论支持；借鉴其他地区高速公路湿陷性黄土地基处理的工程案例，学习成功经验和技术方法，避免重复研究和走弯路。案例分析法：选取张石高速公路中具有代表性的湿陷性黄土地基处理路段作为研究案例，对其地质条件、地基处理方案、施工过程、处理效果等进行详细分析。通过实际案例的研究，深入了解不同地基处理方法在张石高速公路中的应用情况，包括适用条件、施工工艺、质量控制、处理效果等方面的特点和问题。例如，对某路段采用强夯法处理湿陷性黄土地基的案例进行分析，研究强夯参数的选择、施工过程中的注意事项以及处理后的地基承载力和沉降变形情况，总结强夯法在该路段的应用效果和经验教训。同时，对比不同案例中采用的不同地基处理方法，分析其优缺点和适用性，为张石高速公路湿陷性黄土地基处理方案的选择提供实际依据。现场调研法：深入张石高速公路施工现场，对湿陷性黄土地基处理的实际情况进行实地观察和测量。与施工人员、技术人员进行交流，了解施工过程中遇到的问题和解决方案，获取第一手资料。例如，现场观察冲击压实法处理湿陷性黄土地基的施工过程，测量冲击压实后的地基压实度和沉降量，了解施工设备的性能和操作要点；与施工技术人员交流，了解灰土挤密桩法施工过程中的质量控制措施和常见问题及解决方法。通过现场调研，掌握湿陷性黄土地基处理的实际施工情况，验证理论分析和案例研究的结果，为研究提供实际数据支持和实践验证。数值模拟法：运用专业的岩土工程数值模拟软件，如ANSYS、FLAC3D等，建立张石高速公路湿陷性黄土地基的数值模型。模拟不同地基处理方法下地基的应力、应变和变形情况，预测地基处理后的长期性能。通过数值模拟，可以直观地了解地基处理过程中土体的力学响应，分析不同处理参数对地基处理效果的影响，优化地基处理方案。例如，通过数值模拟分析强夯法处理湿陷性黄土地基时，不同夯击能、夯击次数和夯点间距对地基加固深度和加固效果的影响，为强夯参数的合理选择提供依据；模拟灰土挤密桩复合地基在荷载作用下的应力分布和变形情况，评估复合地基的承载能力和稳定性。数值模拟法可以弥补现场试验和实际工程监测的不足，为湿陷性黄土地基处理技术的研究提供更加全面和深入的分析手段。1.3.2研究内容本研究围绕张石高速公路湿陷性黄土地基处理技术展开，具体研究内容包括以下几个方面：张石高速公路湿陷性黄土地基特点分析：详细研究张石高速公路穿越湿陷性黄土区域的地质条件，包括黄土的分布范围、厚度、颗粒组成、物理力学性质等。通过现场勘察、室内试验和原位测试等手段，获取湿陷性黄土的各项参数，分析其湿陷特性，如湿陷类型（自重湿陷性或非自重湿陷性）、湿陷等级、湿陷起始压力等。研究湿陷性黄土的微观结构，利用扫描电子显微镜（SEM）等技术观察黄土颗粒的排列方式、孔隙结构和胶结物质等，从微观层面揭示湿陷性黄土的工程特性和湿陷机理，为后续的地基处理技术研究提供基础数据和理论依据。湿陷性黄土地基处理技术研究：对常用的湿陷性黄土地基处理方法进行深入研究，包括强夯法、冲击压实法、灰土挤密桩法、垫层法等。分析各种处理方法的加固原理、适用条件、施工工艺和质量控制要点。通过现场试验和数值模拟，研究不同处理方法对湿陷性黄土地基的加固效果，如地基承载力的提高、湿陷性的消除程度、沉降变形的控制等。对比不同处理方法的优缺点和经济效益，结合张石高速公路的具体工程要求和地质条件，提出适合张石高速公路湿陷性黄土地基处理的技术方案和优化建议。例如，研究强夯法在不同夯击能和夯击次数下对地基加固深度和效果的影响，确定最佳的强夯参数；分析灰土挤密桩法在不同桩径、桩距和桩长情况下的复合地基承载能力和稳定性，优化灰土挤密桩的设计参数。湿陷性黄土地基处理技术在张石高速公路中的应用效果评估：对张石高速公路中采用不同地基处理方法的路段进行长期监测，包括地基沉降、路面变形、地基承载力等指标的监测。收集整理监测数据，分析地基处理后的长期性能和稳定性。通过与处理前的地基参数和设计要求进行对比，评估地基处理技术的应用效果，验证处理方案的可行性和有效性。例如，通过对某路段采用冲击压实法处理后的地基沉降进行长期监测，分析沉降随时间的变化规律，评估冲击压实法对地基沉降的控制效果；对采用灰土挤密桩法处理的路段进行地基承载力检测，验证灰土挤密桩复合地基的承载能力是否满足设计要求。根据评估结果，总结经验教训，为后续类似工程提供参考和借鉴。张石高速公路湿陷性黄土地基处理存在的问题及对策研究：在研究过程中，分析张石高速公路湿陷性黄土地基处理过程中存在的问题，如施工质量控制难度大、处理效果不均匀、后期维护成本高等。针对这些问题，从技术、管理、施工等方面深入分析原因，提出相应的解决对策和建议。例如，针对施工质量控制难度大的问题，加强施工过程中的质量检测和监督，制定严格的质量控制标准和验收规范；对于处理效果不均匀的问题，优化地基处理方案和施工工艺，加强施工过程中的参数控制和调整；为降低后期维护成本，建立完善的地基监测和维护体系，及时发现和处理地基病害。通过研究，提高张石高速公路湿陷性黄土地基处理的质量和水平，保障公路的安全运营。二、湿陷性黄土地基特性及危害2.1湿陷性黄土的定义与分类湿陷性黄土是一种特殊的土，指在上覆土层自重应力作用下，或者在自重应力和附加应力共同作用下，因浸水后土的结构破坏而发生显著附加变形的土。这种土在我国分布广泛，主要集中在西北、华北等地区，如甘肃、宁夏、陕西、山西等地。其形成与特定的地质历史和气候条件密切相关，在干旱或半干旱的气候环境下，经过长期的风力搬运和堆积作用逐渐形成，具有土质较均匀、结构疏松、孔隙发育等特点。在未受水浸湿时，一般强度较高，压缩性较小，但当在一定压力下受水浸湿，土结构会迅速破坏，产生较大附加下沉，强度迅速降低。根据湿陷性黄土在浸水时的湿陷特性，可将其分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。自重湿陷性黄土是指在没有外部附加荷载作用下，仅在土体自重压力下，受水浸湿后就会发生显著湿陷变形的黄土。这种黄土的湿陷起始压力较小，即使在较小的自重应力作用下，一旦遇水浸湿，土颗粒之间的结构连接迅速破坏，导致土体产生较大的下沉变形。例如，在一些自重湿陷性黄土地区，当降雨或地下水位上升使土体浸湿时，地表会出现明显的下沉现象，对建筑物、道路等工程设施造成严重破坏。非自重湿陷性黄土则是指在土体自重压力下受水浸湿不发生湿陷，只有在自重应力和附加应力共同作用下，受水浸湿才会发生湿陷变形的黄土。这类黄土的湿陷起始压力相对较大，在一般的自重应力作用下，土体结构较为稳定，但当受到建筑物荷载等附加应力作用时，遇水浸湿就可能发生湿陷。湿陷性黄土地基的湿陷等级是衡量其湿陷性强弱程度的重要指标，通常根据基底下各土层累计的总湿陷量（Δs）和计算自重湿陷量（Δzs）的大小等因素，按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)进行划分。具体划分标准如下：当总湿陷量Δs≤30mm，计算自重湿陷量Δzs≤70mm时，为I级（轻微）；当30mm＜Δs≤70mm，70mm＜Δzs≤350mm时，为II级（中等）；当70mm＜Δs≤110mm，350mm＜Δzs≤700mm时，为III级（严重）；当Δs＞110mm，Δzs＞700mm时，为IV级（很严重）。不同湿陷等级的黄土对工程的危害程度不同，湿陷等级越高，土体在浸水后的湿陷变形越大，对建筑物、道路等工程结构的破坏越严重。例如，在I级湿陷性黄土地基上，建筑物可能只会出现轻微的沉降和裂缝；而在IV级湿陷性黄土地基上，建筑物可能会发生严重的倾斜、开裂甚至倒塌。2.2湿陷性黄土地基的变形特征湿陷性黄土地基的变形主要包括压缩变形和湿陷变形两种形式，这两种变形对公路工程的稳定性和耐久性具有重要影响。压缩变形是土体在压力作用下，土颗粒之间相互移动、重新排列，导致土体体积减小的过程。对于湿陷性黄土地基，在公路工程建设中，路基填土的自重以及路面车辆荷载等都会对地基产生压力，从而引发压缩变形。在正常情况下，土体的压缩变形是随着荷载的增加而逐渐发展的。在加载初期，土颗粒之间的接触点逐渐增多，土颗粒开始缓慢移动和重新排列，土体孔隙逐渐减小，压缩变形随之增加。随着荷载持续作用，土颗粒之间的排列逐渐趋于紧密，压缩变形的增长速度逐渐减缓，最终当土体达到一定的密实度后，压缩变形趋于稳定。压缩变形对公路工程的影响不容忽视。过大的压缩变形会导致路基沉降过大，使路面出现高低不平的现象。这不仅影响行车的舒适性，还会增加车辆的颠簸和磨损，降低车辆行驶的安全性。不均匀的压缩变形还会使路面产生裂缝，加速路面的损坏，缩短公路的使用寿命。当路基不同部位的压缩变形差异较大时，路面会出现局部凹陷或隆起，在车辆荷载的反复作用下，裂缝会不断扩展，进而导致路面结构的破坏。湿陷变形是湿陷性黄土地基特有的变形形式，是指在一定压力下，土体受水浸湿后，土颗粒之间的结构连接被破坏，土体发生迅速而显著的附加下沉现象。湿陷变形的产生原因主要是由于湿陷性黄土特殊的结构和物质组成。湿陷性黄土颗粒之间存在较大的孔隙，且颗粒之间的胶结物质在水的作用下会溶解或软化。当土体受水浸湿时，水进入孔隙中，削弱了颗粒之间的连接力，使得土体结构变得不稳定。在自重应力或附加应力的作用下，土颗粒迅速重新排列，孔隙减小，从而产生较大的湿陷变形。湿陷变形的发展过程具有一定的特点。在浸水初期，湿陷变形迅速发生，沉降量急剧增加。这是因为水的浸湿使得土体结构迅速破坏，土颗粒之间的摩擦力和咬合力急剧减小，土体能够快速发生变形。随着浸水时间的延长和湿陷变形的发展，土体逐渐趋于密实，湿陷变形的速度逐渐减缓。当土体达到一定的密实度后，湿陷变形基本停止。湿陷变形对公路工程的危害极大。由于湿陷变形具有突发性和不均匀性的特点，会导致公路路基和路面出现严重的病害。例如，路基局部出现较大的沉降，形成坑洼，影响行车安全；路面出现裂缝、断裂等情况，降低路面的平整度和承载能力。在一些严重的情况下，湿陷变形还可能导致路基边坡失稳，引发滑坡等地质灾害，对公路工程造成严重的破坏。压缩变形和湿陷变形在湿陷性黄土地基中往往同时存在，相互影响。压缩变形会使土体的密实度增加，从而在一定程度上影响湿陷变形的发生和发展。而湿陷变形的发生又会改变土体的结构和力学性质，进而影响后续的压缩变形。在公路工程建设中，需要充分考虑这两种变形的特点和相互关系，采取有效的地基处理措施，控制地基变形，确保公路工程的安全和稳定。2.3湿陷性黄土地基对高速公路的危害湿陷性黄土地基对高速公路的危害是多方面的，严重影响高速公路的工程质量、行车安全和使用寿命。这些危害主要体现在以下几个方面：2.3.1对路基的危害湿陷性黄土地基在水的作用下发生湿陷变形，会导致路基出现不均匀沉降。这种不均匀沉降会使路基顶面产生高差，破坏路基的平整度。当路基不均匀沉降较为严重时，会导致路面出现纵向裂缝和横向裂缝。纵向裂缝通常沿路基中心线或边缘出现，裂缝宽度可达数厘米甚至更大，严重时会贯穿整个路基横断面。横向裂缝则垂直于路面行车方向，会使路面板块产生分离，降低路面的整体性和承载能力。路基不均匀沉降还可能导致路基局部塌陷，形成坑洼，影响行车安全。在车辆荷载的反复作用下，这些裂缝和坑洼会进一步发展，加速路基的损坏。2.3.2对路面的危害湿陷性黄土地基的湿陷变形会直接反映在路面上，导致路面出现各种病害。由于地基的不均匀沉降，路面会出现波浪状起伏，平整度变差，车辆行驶时会产生颠簸，影响行车舒适性。严重的路面不平整还会使车辆的行驶速度受到限制，增加燃油消耗和轮胎磨损。随着地基湿陷的发展，路面会出现裂缝，裂缝逐渐扩展，形成网状裂缝，导致路面破碎。在雨水的侵蚀下，裂缝处的路面材料容易被冲刷掉，形成坑槽，进一步加剧路面的损坏。路面的损坏不仅影响行车安全和舒适性，还会增加路面的维修成本，缩短路面的使用寿命。2.3.3对桥梁、涵洞等构造物的危害湿陷性黄土地基的湿陷变形会对桥梁、涵洞等构造物的基础产生不利影响。地基的不均匀沉降会使桥梁墩台基础受到不均匀的作用力，导致墩台倾斜、开裂。墩台倾斜会改变桥梁的受力状态，影响桥梁的结构安全。当墩台开裂严重时，会削弱墩台的承载能力，甚至导致墩台倒塌。对于涵洞来说，地基的湿陷会使涵洞基础下沉，涵身出现裂缝、变形。涵洞的裂缝和变形会影响其排水功能，导致积水渗入地基，进一步加剧地基的湿陷。严重的情况下，涵洞可能会失去使用功能，需要进行修复或重建。2.3.4对交通安全的危害湿陷性黄土地基导致的路基、路面病害以及桥梁、涵洞等构造物的损坏，会对交通安全构成严重威胁。路面的不平整和裂缝会使车辆行驶时产生颠簸、失控等情况，增加交通事故的发生概率。特别是在高速行驶的情况下，车辆的稳定性受到影响，容易发生侧滑、翻车等事故。桥梁、涵洞等构造物的损坏会影响其承载能力和通行能力，一旦发生垮塌等事故，后果不堪设想。此外，湿陷性黄土地基的病害还会导致高速公路的维修频率增加，施工期间会对交通造成干扰，影响道路的正常通行。三、张石高速公路湿陷性黄土地基特点3.1张石高速公路概况张石高速公路是河北省重要的交通干线，全长602公里，连接了张家口和石家庄这两座重要城市，途经石家庄市、保定市、张家口市。它是河北省公路建设“十五”规划的关键部分，也是河北省高速公路网主骨架“五纵、六横、七条线”规划中“五纵”的重要构成，在区域交通和经济发展中发挥着关键作用。该高速公路部分路段穿越湿陷性黄土区域，湿陷性黄土路段主要分布在保定段的涞水至曲阳分段的K176+200-K264+000区段。此区段广泛分布着第四纪上更新世的马兰黄土状土，其土层垂直裂隙较为发育，含有一定程度的湿陷性。该区域湿陷性黄土的分布范围较为广泛，且在不同地段的厚度有所差异，部分区域黄土厚度较薄，约为3-5米，而在一些地段，黄土厚度可达10米以上。3.2地基土的工程特性张石高速公路湿陷性黄土路段主要为第四纪上更新世的马兰黄土状土，其地基土具有独特的工程特性，对公路工程建设具有重要影响。在物理性质方面，马兰黄土状土的颗粒组成以粉粒为主，含量通常在60%-80%之间，粉粒粒径多集中在0.005-0.075mm。这种颗粒组成使得土体具有较大的比表面积，颗粒间的连接相对较弱，从而影响了土体的工程性质。其孔隙比较大，一般在0.8-1.2之间，孔隙结构较为疏松，大孔隙和垂直节理发育。这些大孔隙和垂直节理为水分的快速下渗提供了通道，使得土体在遇水浸湿时，水分能够迅速进入土体内部，削弱颗粒间的连接力，增加了土体湿陷的可能性。马兰黄土状土的天然含水量一般在10%-20%之间，但受气候、地形等因素影响，含水量在不同区域和深度会有所变化。在干旱季节或地势较高处，含水量相对较低；而在雨季或地势较低处，含水量则可能较高。含水量的变化对土体的强度和压缩性有显著影响，当含水量增加时，土体的强度会降低，压缩性增大。从力学性质来看，马兰黄土状土的压缩性较高。在一定压力作用下，土体的孔隙会逐渐减小，土颗粒重新排列，导致土体产生较大的压缩变形。其压缩系数一般在0.1-0.5MPa⁻¹之间，属于中高压缩性土。在公路工程中，路基填土的自重以及路面车辆荷载等都会使地基土受到压力，从而引发压缩变形。过大的压缩变形会导致路基沉降过大，影响路面的平整度和行车舒适性。马兰黄土状土具有明显的湿陷性。在天然状态下，土体结构相对稳定，但一旦受到水的浸湿，土颗粒之间的结构连接被破坏，土体发生迅速而显著的附加下沉现象，即湿陷变形。其湿陷系数一般大于0.015，部分区域的湿陷系数可达0.05以上，属于湿陷性较强的黄土。湿陷变形的产生与土体的结构、颗粒组成、含水量以及压力等因素密切相关。在张石高速公路建设中，湿陷性黄土的湿陷变形会对路基、路面和桥梁等构造物造成严重危害，如导致路基不均匀沉降、路面开裂、桥梁基础倾斜等。马兰黄土状土的抗剪强度较低，其粘聚力一般在10-30kPa之间，内摩擦角在15°-25°之间。抗剪强度低使得土体在受到外力作用时，容易发生剪切破坏，影响路基的稳定性。在路基边坡设计和施工中，需要充分考虑土体的抗剪强度，采取合理的边坡坡度和防护措施，以防止边坡失稳。3.3湿陷性黄土的分布规律张石高速公路湿陷性黄土路段的湿陷性黄土在水平和垂直方向上均呈现出一定的分布规律，这些规律对公路工程的设计和施工具有重要指导意义。在水平方向上，湿陷性黄土主要分布在保定段的涞水至曲阳分段的K176+200-K264+000区段。在该区域内，不同地貌单元的湿陷性黄土分布存在差异。在山前洪积扇地区，湿陷性黄土厚度相对较薄，一般在3-5米左右，且湿陷性相对较弱，湿陷等级多为I级或II级。这是因为山前洪积扇地区地势较高，水流速度较快，沉积物分选性较好，黄土颗粒相对较粗，结构相对紧密，从而湿陷性相对较低。而在河谷阶地地区，湿陷性黄土厚度较大，可达8-10米，湿陷性也相对较强，部分区域湿陷等级可达III级。河谷阶地地区地势较低，水流携带的沉积物较多，黄土颗粒较细，孔隙较大，且在沉积过程中可能受到地下水的影响，导致土体结构相对疏松，增加了湿陷性。此外，在不同地层结构中，湿陷性黄土的分布也有所不同。在第四纪上更新世马兰黄土状土与下伏地层的交界处，湿陷性黄土的湿陷性可能会发生变化。由于交界处的地层结构和物质组成较为复杂，地下水的运动也更为活跃，可能导致湿陷性黄土的湿陷性增强或减弱。在垂直方向上，湿陷性黄土的湿陷性随深度的增加而逐渐减弱。一般来说，地表以下0-3米范围内的黄土湿陷性较强，湿陷系数较大，这是因为该区域的黄土受大气降水、人类活动等因素影响较大，土体结构相对疏松，孔隙发育，容易发生湿陷。随着深度的增加，黄土受到上覆土层的压力逐渐增大，土体逐渐压实，孔隙减小，湿陷性逐渐减弱。在3-6米深度范围内，湿陷性黄土的湿陷系数明显减小，湿陷等级一般降低一级。当深度超过6米后，黄土的湿陷性已不明显，湿陷系数小于0.015，基本可视为非湿陷性黄土。然而，在一些特殊情况下，如存在地下水活动、地层结构突变等，湿陷性黄土的湿陷性在垂直方向上的变化规律可能会受到影响。在地下水位较高的区域，地下水的长期浸泡可能使深部黄土的湿陷性增强，导致湿陷深度加大。四、湿陷性黄土地基处理技术4.1常用处理技术概述在湿陷性黄土地基处理中，常用的技术包括垫层法、强夯法、灰土挤密桩法、冲击压实法等，这些方法各有其独特的原理、适用范围和优缺点。4.1.1垫层法垫层法是一种较为常用的浅层地基处理方法，其原理是将基础下一定厚度的湿陷性黄土挖除，用灰土、素土、砂石等材料分层回填夯实，形成垫层。垫层的作用主要有以下几点：一是置换作用，通过挖除湿陷性黄土，换填性质较好的材料，提高地基的承载能力；二是应力扩散作用，将上部荷载通过垫层扩散到较大的面积上，减小基底压力；三是排水作用，垫层材料具有良好的透水性，能加速地基土的排水固结，减小沉降量。垫层法适用于处理浅层湿陷性黄土地基，处理深度一般在3m以内。在张石高速公路中，对于一些湿陷性较弱、湿陷深度较浅的路段，可采用垫层法进行处理。例如，在路基填土高度较低，且湿陷性黄土厚度较薄的地段，采用灰土垫层可以有效地消除地基的湿陷性，提高地基的稳定性。垫层法的优点是施工工艺简单，施工设备普通，成本相对较低，且处理后的地基强度均匀，稳定性好。然而，该方法也存在一些局限性，如处理深度有限，对于深层湿陷性黄土效果不佳；挖填土方量大，可能对环境造成一定影响；在地下水位较高的地区，施工难度较大，需要采取降水措施。4.1.2强夯法强夯法是利用重锤从高处自由落下产生的强大夯击能，使地基土受到强力夯击和振动，从而达到密实和加固的目的。在强夯过程中，重锤落下的瞬间，对地基土产生巨大的冲击荷载，使土体中的孔隙压缩，颗粒重新排列，土的结构得到改善，从而提高地基的承载力，降低压缩性，消除湿陷性。强夯法适用于处理碎石土、砂土、低饱和度的粉土与粘性土、湿陷性黄土、杂填土和素填土等地基。在张石高速公路湿陷性黄土地基处理中，对于湿陷性较强、处理深度要求较大的路段，强夯法是一种有效的处理方法。例如，在一些湿陷等级为II级及以上，且地基土较厚的地段，通过强夯法可以对深层地基土进行加固，有效消除湿陷性。强夯法的优点是加固效果显著，能够大幅度提高地基的承载力，有效消除地基的湿陷性，加固深度大，一般可达3-10m，甚至更深；施工速度快，工期短，能在较短时间内完成地基处理；设备简单，施工操作方便，成本相对较低。但是，强夯法也存在一些缺点，如施工时会产生较大的振动和噪声，对周围环境有一定影响，在居民区或对振动敏感的建筑物附近施工时需要采取减振措施；对施工场地的要求较高，需要场地平整，且地基土的含水量要控制在一定范围内；强夯参数的选择较为关键，参数选择不当可能会影响处理效果。4.1.3灰土挤密桩法灰土挤密桩法是利用沉管、冲击或爆扩等方法在地基中形成桩孔，然后在桩孔内填入灰土并分层夯实，形成灰土桩体。灰土桩与桩间土共同组成复合地基，以提高地基的承载能力和稳定性。其加固原理主要包括挤密作用、灰土的胶凝作用和置换作用。在成孔过程中，桩管对桩间土产生侧向挤压力，使桩间土密实度提高；灰土中的石灰与土发生化学反应，形成具有较高强度和水稳性的灰土桩体；灰土桩体置换了部分湿陷性黄土，改变了地基的受力状态。灰土挤密桩法适用于处理地下水位以上、含水量在14%-23%之间的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基，处理深度一般为5-15m。在张石高速公路中，对于一些湿陷性黄土厚度适中，且对地基承载能力和稳定性要求较高的路段，常采用灰土挤密桩法进行处理。例如，在涵洞、通道等构造物的地基处理中，灰土挤密桩法可以有效地提高地基的承载能力，防止构造物因地基沉降而损坏。灰土挤密桩法的优点是能够有效地消除地基的湿陷性，提高地基的承载能力和稳定性；可以就地取材，利用当地的土和石灰作为填料，成本较低；施工工艺相对成熟，施工质量容易控制。不过，该方法也存在一些不足之处，如施工工艺相对复杂，施工速度较慢，工期较长；对施工人员的技术水平要求较高，施工质量受人为因素影响较大；在地下水位较高或含水量过大的地基中，施工难度较大，需要采取降水或排水措施。4.1.4冲击压实法冲击压实法是利用冲击压路机对地基进行冲击碾压，通过高振幅、低频率的冲击作用，使地基土受到强大的冲击力和振动力，从而达到密实和加固的目的。冲击压路机的非圆形冲击轮在地面上滚动时，对地面产生周期性的冲击，使土体中的颗粒重新排列，孔隙减小，地基的压实度和整体强度得到提高，沉降量减小，湿陷性得到消除或减小。冲击压实法适用于处理浅层软弱地基、湿陷性黄土地基和高填石方路堤的分层冲击碾压，尤其适用于一般路段的II级（含II级）以下湿陷性黄土地基。在张石高速公路湿陷性黄土地基处理中，对于湿陷等级为I级和II级的路段，冲击压实法是一种经济有效的处理方法。例如，在一些湿陷性黄土厚度较薄，且对地基处理要求不是特别高的路段，采用冲击压实法可以快速有效地提高地基的压实度，减小湿陷性。冲击压实法的优点是施工速度快，效率高，能够在较短时间内完成大面积的地基处理；处理效果好，能够有效地提高地基的压实度和整体强度，减小沉降量，消除或减小湿陷性；设备简单，操作方便，成本相对较低。但是，冲击压实法也存在一些缺点，如对地基土的含水量要求较为严格，含水量过高或过低都会影响处理效果；冲击压实过程中会产生较大的振动，对周围环境有一定影响，需要注意控制；在处理深度方面存在一定限制，一般适用于浅层地基处理。4.2张石高速公路采用的处理技术在张石高速公路的建设过程中，针对不同湿陷等级和地质条件，选用了冲击压实、强夯、灰土挤密桩等多种处理技术，以确保湿陷性黄土地基得到有效处理，保障公路的工程质量和安全运营。冲击压实技术在张石高速公路湿陷性黄土地基处理中应用广泛，尤其是在湿陷等级为I级和II级的路段。该技术利用冲击压路机的非圆形冲击轮对地基进行冲击碾压，通过高振幅、低频率的冲击作用，使地基土受到强大的冲击力和振动力，从而达到密实和加固的目的。在K180+500-K185+000路段，该区域湿陷性黄土厚度较薄，约为3-5米，湿陷等级为II级。采用冲击压实法进行处理，施工前先对原地面进行处理，清除地表15cm的种植土，拆除旧建筑物基础并清除到地表以下30cm，置换素土填筑，对原地面坑洼不平地段进行整平或分层夯实处理。按设计要求定出路堤坡脚、护坡道及边沟位置，并埋设沉降量检测点。冲压时，严格控制路基含水量，使其符合冲击压实的要求。冲压前检测含水量，若含水量过高则晾晒，若表层土质干燥出现扬尘则洒水冲压。冲击压实按规定的走向和排列模式进行，以单双两遍为一冲压单元，及时调整行驶路线，实现波峰与波谷呈交替状冲压，确保碾压均匀。压路机行驶速度控制在9-12km/h，先慢后快。冲压遍数根据试验路段确定为30遍，冲压至规定遍数后进行压实度和沉降量检测。经检测，该路段地基的压实度达到了93%以上，沉降量明显减小，湿陷性得到有效消除。强夯法主要应用于湿陷等级为II级及以上、地基土较厚且对地基处理深度要求较大的路段。如在K200+300-K205+000路段，湿陷性黄土厚度达8-10米，湿陷等级为III级。在该路段采用强夯法处理时，选用带有自动脱钩装置的履带式起重机，夯锤重10t。施工前先清除表土，然后进行强夯和碾压。强夯能级达到160吨×米，每点6击，强夯3遍，前两遍按3-4米间距方格网状跳夯，最后一遍排夯，并互相搭夯1/2-1/3夯痕。在大面积施工前，选取了一个面积为20×20m、地质条件具有代表性的场地进行试夯。在试区内进行详细的原位测试，取原状土样测定天然密度等有关数据，选取合适的强夯试验参数进行试夯。检验强夯结果时，在最后一遍夯击完成7天后进行原位测试和室内土工试验，并与强夯前的测试数据对比分析。通过试夯确定了正式采用的技术参数。强夯施工过程中，严格按经监理工程师批准的技术参数进行，落锤平稳，夯位准确。施工过程中做好监测和记录工作，检查夯击次数和夯沉量，并对夯击点复核。强夯后，该路段地基的承载力得到显著提高，湿陷性基本消除，满足了工程设计要求。灰土挤密桩法适用于处理地下水位以上、含水量在14%-23%之间的湿陷性黄土、素填土和杂填土地基，在张石高速公路中主要用于涵洞、通道等构造物的地基处理，以提高地基的承载能力和稳定性。在K220+100处的涵洞地基处理中，该区域湿陷性黄土厚度适中，含水量在18%左右。采用灰土挤密桩法，桩径设计为40cm，桩长根据地质条件确定为6m。施工前，对施工材料进行严格控制，选用符合质量要求的石灰和土，按3:7的体积比进行拌和。对施工机械设备进行全面检测和调试，确保设备正常运作。进行地基土与桩孔填料击实试验，获得土和灰土的最佳含水量与最大干容重。施工时，先进行测量放样，然后采用冲击钻机成孔，成孔过程中注意控制桩位偏差和垂直度。成孔后，对桩孔进行检查，确保桩孔质量符合要求。随后进行灰土回填，分层填料，分层夯实，单点夯击能不小于20KN.m，分层填料厚度不大于35cm。灰土回填采用连续施工，每个桩孔一次性分层回填夯实，不得间隔停顿或隔日施工。施工完成后，对桩间土的平均挤密系数和桩身压实系数进行检测，检测结果表明桩间土的平均挤密系数达到0.93，桩身压实系数达到0.97，满足设计要求，有效提高了涵洞地基的承载能力。4.3处理技术的工艺原理与流程4.3.1冲击压实法冲击压实法的工艺原理基于冲击压路机独特的非圆形冲击轮设计。冲击压路机在作业时，其非圆形冲击轮在地面上按特定顺序连续冲击，产生低频率、高振幅的冲击作用。这种冲击作用等效于对土体施加了强大的冲击力和振动力，使土体颗粒重新排列，孔隙减小，从而提高地基的压实度和整体强度，有效减小或消除湿陷性黄土的湿陷性。具体而言，冲击轮的冲击作用使土体产生瞬时的高应力状态，土体颗粒在这种高应力作用下克服颗粒间的摩擦力和粘结力，发生相对位移，重新排列组合，使土体更加密实。同时，冲击作用产生的强烈冲击波向地下深层传播，使深层土体也得到有效加固，减小了路基的沉降量。冲击压实法的施工工艺流程如图1所示：施工准备：在施工前，需要熟悉相关设计文件、工程概况、气候条件及地形地貌等。对设计采用冲击压实的地段进行现场核对和调查，确定冲压面积和地形是否满足要求。对原地面进行处理，清除地表15cm的种植土，拆除旧建筑物基础至地表以下30cm，并置换素土填筑。挖掘树根的坑若超过30cm，须分层夯实到原地面。原地面坑洼不平地段，相对高差小于50cm的进行整平处理，相对高差大于50cm的坑分层夯实到原地面。按《公路路基施工技术规范》的要求，做好导线、中线、水准点复测、横断面检查与补测、增设水准点等工作，并按设计文件要求定出路堤坡脚、护坡道及边沟位置。沉降量检测点埋设用长6cm铁钉系红布条做明确标志，精确定点。平地机刮平时应注意保护带有红布条铁钉的检测点，距检测点20cm范围内不得扰动。含水量检测与调整：冲压前严格检测路基含水量，若含水量过高，应进行晾晒，使其达到规定要求后再进行冲压；若表层土质干燥出现扬尘，则应进行洒水冲压，确保土方路基含水量符合冲击压实的要求。冲击压实施工：冲击压实必须按规定的走向和排列模式进行。基于冲击压实地面形成波浪的峰谷状态，应以单双两遍为一冲压单元，及时调整行驶路线，实现波峰与波谷呈交替状冲压，以保证碾压均匀。压路机行驶速度应控制在9-12km/h，宜先慢后快。如果路基表面出现较明显的凹凸，致使压路机颠簸严重，以致不能保持规定的行走速度时，应立刻停机，用平地机整平路基表面，然后继续施工。冲压遍数根据试验路段确定，对于中等湿陷性黄土地基一般以20-40遍为宜。检测与补压：冲压至规定的遍数后，进行压实度和沉降量检测。压实度检测坑应夯填密实后再进行下一步冲压。若检测结果不合格，应分析原因，采取补压或其他措施进行处理，直至检测合格。冲压过程中若出现局部“弹簧”现象，应及时进行挖除换填。整平与压实：冲压结束后，基底要用平地机整平，然后用振动压路机进行压实，确保地基表面平整、密实。在冲击压实施工过程中，关键工序在于严格控制含水量和冲击碾压的遍数、速度及行驶路线。含水量过高或过低都会影响冲击压实效果，因此需在施工前进行准确检测和调整。冲击碾压的遍数和速度直接关系到地基的加固效果，必须按照试验路段确定的参数进行施工。行驶路线的合理安排能保证冲击碾压的均匀性，避免出现漏压或过压的情况。此外，施工过程中的监测和记录工作也至关重要，及时发现问题并采取相应措施，确保施工质量。graphTD;A[施工准备]-->B[含水量检测与调整];B-->C[冲击压实施工];C-->D[检测与补压];D-->E[整平与压实];图1冲击压实法施工工艺流程图4.3.2强夯法强夯法的工艺原理是利用重锤从高处自由落下产生的强大夯击能，对地基土进行强力夯击和振动。重锤落下瞬间，巨大的冲击荷载使地基土中的孔隙压缩，土颗粒重新排列，土的结构得到改善。在冲击荷载作用下，土体中的气体和水分被挤出，土体密实度增加，从而提高地基的承载力，降低压缩性，消除湿陷性。同时，夯击产生的振动波向地基深处传播，使深层土体也得到加固。强夯法的施工工艺流程如下：施工准备：清除施工场地内的障碍物和表层土，平整场地。查明场地范围内地下构造物和管线的位置及标高，采取必要的措施，防止因强夯造成损坏。试夯：在大面积施工前，选取一个面积不小于20×20m、地质条件具有代表性的场地进行试夯。在试区内进行详细的原位测试，取原状土样测定天然密度等有关数据。选取合适的强夯试验参数进行试夯，检验强夯结果。可在最后一遍夯击完成7天后进行原位测试和室内土工试验，并与强夯前的测试数据对比分析，按设计要求处理深度和标准对强夯加固效果进行判定。当强夯效果不能满足要求时，可补夯或调整参数再进行试验。通过强夯前后试验结果对比，确定正式采用的技术参数。强夯施工：选用带有自动脱钩装置的履带式起重机，夯锤重根据设计要求确定，如在张石高速公路部分路段选用10t夯锤。强夯施工必须按经监理工程师批准的技术参数进行，以夯击能、夯击遍数和各个夯点的夯击次数为施工控制数据。夯击应落锤平稳，夯位准确，如错位或坑底倾斜过大，可用砂石将坑底铺平方能进行下一次夯击。强夯能级达到设计要求，如在张石高速公路部分路段强夯能级达到160吨×米，每点6击，强夯3遍，前两遍按3-4米间距方格网状跳夯，最后一遍排夯，并互相搭夯1/2-1/3夯痕。监测与记录：施工过程中做好监测和记录工作，检查夯击次数和夯沉量，并对夯击点复核。记录每个夯点的夯击次数、夯沉量等数据，以便对强夯效果进行分析和评估。碾压与检测：强夯完成后，对上部土层进行碾压至规定的压实度。最后用冲击式压路机在路基占地范围内碾压40遍，进一步提高地基的密实度。碾压完成后，进行地基承载力、压实度等指标的检测，确保地基处理效果符合设计要求。强夯法施工的关键工序包括试夯参数的确定、夯击过程中的质量控制以及夯后检测。试夯参数的准确确定对于保证强夯效果至关重要，需通过详细的原位测试和试验分析来确定。夯击过程中，要严格控制夯击能、夯击遍数和夯点位置，确保夯击的均匀性和有效性。夯后检测是验证强夯效果的重要环节，通过对地基承载力、压实度等指标的检测，判断地基是否满足设计要求，若不满足需及时采取补救措施。4.3.3灰土挤密桩法灰土挤密桩法的工艺原理主要包括挤密作用、灰土的胶凝作用和置换作用。在成孔过程中，桩管对桩间土产生侧向挤压力，使桩间土密实度提高，孔隙减小，从而增强桩间土的承载能力。灰土中的石灰与土发生化学反应，形成具有较高强度和水稳性的灰土桩体。石灰中的钙离子与土颗粒表面的钠离子、钾离子等进行离子交换，使土颗粒表面的电位降低，颗粒间的吸引力增强，形成稳定的结构。同时，石灰与土中的水分发生水化反应，生成氢氧化钙等物质，进一步增强了灰土的强度和稳定性。灰土桩体置换了部分湿陷性黄土，改变了地基的受力状态，使地基由原来的单一土体变为灰土桩与桩间土共同承担荷载的复合地基，提高了地基的承载能力和稳定性。灰土挤密桩法的施工工艺流程如下：施工准备：对施工材料进行严格控制，选用符合质量要求的石灰和土，按设计要求的体积比（如3:7）进行拌和。对施工机械设备进行全面检测和调试，确保设备正常运作。进行地基土与桩孔填料击实试验，获得土和灰土的最佳含水量与最大干容重。做好施工场地的“三通一平”工作，清除场地内的障碍物和杂物。测量放样：根据设计图纸，在施工场地内准确测量放出桩位，并用木桩或石灰标记。桩位偏差应符合设计和规范要求。成孔：可采用冲击钻机、柴油打桩机等设备进行成孔。在成孔过程中，控制好桩位偏差和垂直度，确保桩孔质量。成孔顺序一般从外向里间隔1-2孔进行，以减少对已完成桩孔的影响。如在张石高速公路部分涵洞地基处理中采用冲击钻机成孔，成孔过程中根据地层软硬情况及时调整重锤落距。桩孔检查：成孔后，对桩孔的直径、深度、垂直度等进行检查，确保符合设计要求。如发现桩孔有缩径、塌孔等问题，应及时处理。灰土回填：将拌和好的灰土分层填入桩孔内，分层填料，分层夯实。单点夯击能不小于设计要求，如不小于20KN.m，分层填料厚度不大于35cm。灰土回填采用连续施工，每个桩孔一次性分层回填夯实，不得间隔停顿或隔日施工。在回填过程中，要控制好灰土的含水量，使其接近最佳含水量，以保证夯实效果。质量检测：施工完成后，对桩间土的平均挤密系数和桩身压实系数进行检测。桩间土的平均挤密系数一般不小于0.93，桩身压实系数不小于0.97，满足设计要求。还可通过载荷试验等方法检测复合地基的承载能力，确保地基处理效果。灰土挤密桩法施工的关键在于材料质量控制、成孔质量控制和灰土回填夯实质量控制。材料质量直接影响灰土桩的强度和稳定性，必须严格把关。成孔质量关系到桩的承载能力和地基的均匀性，要确保桩位准确、垂直度符合要求。灰土回填夯实质量是保证复合地基承载能力的关键，需控制好填料厚度、夯击能和含水量，确保夯实效果。五、湿陷性黄土地基处理技术在张石高速公路的应用5.1工程案例选取与介绍为深入研究湿陷性黄土地基处理技术在张石高速公路的应用效果，选取了具有代表性的三个施工标段作为案例进行详细分析。这些案例涵盖了不同的湿陷等级和地质条件，能够全面展示各种处理技术的实际应用情况。案例一位于K180+500-K185+000标段，该区域属于山前洪积扇地貌单元，地势相对较高。湿陷性黄土厚度较薄，平均厚度约为3.5米，湿陷等级为II级，属于中等湿陷性黄土。其湿陷性主要源于黄土颗粒间的孔隙较大，且颗粒间的胶结物质在水的作用下易软化，导致土体结构不稳定。该标段临近农田，周边有灌溉水渠，在施工过程中需特别注意防水措施，防止因灌溉水渗漏引发地基湿陷。案例二处于K200+300-K205+000标段，该地段属于河谷阶地地貌单元，地势较低。湿陷性黄土厚度较大，达到8-10米，湿陷等级为III级，属于严重湿陷性黄土。此区域地下水位相对较高，地下水的长期作用使得黄土的湿陷性进一步增强。同时，该标段附近有村庄，施工时需考虑对周边居民生活的影响，如强夯施工时产生的振动和噪声对居民的干扰。案例三在K220+100涵洞所在标段，该区域湿陷性黄土厚度适中，约为6米，湿陷等级为II级。由于该标段位于涵洞位置，对地基的承载能力和稳定性要求较高，以确保涵洞在使用过程中的安全。此区域黄土的含水量在18%左右，处于灰土挤密桩法施工的适宜含水量范围。针对不同案例的地质条件和湿陷等级，各标段分别采用了相应的地基处理要求。案例一采用冲击压实法，要求通过冲击压实使地基的压实度达到93%以上，沉降量控制在一定范围内，以有效消除湿陷性，提高地基的密实度和稳定性。案例二采用强夯法，强夯能级需达到160吨×米，每点夯击6击，强夯3遍，以提高地基的承载力，消除深层地基的湿陷性，确保地基能够承受上部结构的荷载。案例三采用灰土挤密桩法，桩径设计为40cm，桩长6m，桩间土的平均挤密系数需达到0.93，桩身压实系数达到0.97，通过灰土挤密桩与桩间土形成复合地基，提高地基的承载能力和稳定性，满足涵洞对地基的要求。5.2处理技术的具体应用过程在K180+500-K185+000标段，冲击压实技术的应用过程严格遵循施工工艺要求。施工前，对原地面进行了全面处理，清除了15cm的种植土，并拆除旧建筑物基础至地表以下30cm，置换素土填筑。对原地面坑洼不平地段，相对高差小于50cm的进行了整平处理，相对高差大于50cm的坑则分层夯实到原地面。按照《公路路基施工技术规范》的要求，完成了导线、中线、水准点复测、横断面检查与补测、增设水准点等工作，并准确测放出路堤坡脚、护坡道及边沟位置。沉降量检测点采用长6cm铁钉系红布条做明确标志，精确定点，且在平地机刮平时注意保护，距检测点20cm范围内未进行扰动。冲压时，严格控制路基含水量。冲压前检测含水量，若含水量过高则进行晾晒，使其达到规定要求后再进行冲压；若表层土质干燥出现扬尘，则进行洒水冲压，确保土方路基含水量符合冲击压实的要求。冲击压实按规定的走向和排列模式进行，以单双两遍为一冲压单元，及时调整行驶路线，实现波峰与波谷呈交替状冲压，保证碾压均匀。压路机行驶速度控制在9-12km/h，先慢后快。当路基表面出现较明显的凹凸，致使压路机颠簸严重，不能保持规定的行走速度时，立即停机，用平地机整平路基表面后再继续施工。冲压遍数根据试验路段确定为30遍，冲压至规定遍数后进行压实度和沉降量检测。压实度检测坑在检测后进行夯填密实，再进行下一步冲压。冲压过程中若出现局部“弹簧”现象，及时进行挖除换填。冲压结束后，基底用平地机整平，然后用振动压路机进行压实，确保地基表面平整、密实。在K200+300-K205+000标段，强夯技术的应用过程如下：施工准备阶段，清除了施工场地内的障碍物和表层土，平整场地，并查明了场地范围内地下构造物和管线的位置及标高，采取了必要的保护措施。在大面积施工前，选取了一个面积为20×20m、地质条件具有代表性的场地进行试夯。在试区内进行了详细的原位测试，取原状土样测定天然密度等有关数据。选取合适的强夯试验参数进行试夯，检验强夯结果。在最后一遍夯击完成7天后进行原位测试和室内土工试验，并与强夯前的测试数据对比分析，通过强夯前后试验结果对比，确定正式采用的技术参数。强夯施工选用了带有自动脱钩装置的履带式起重机，夯锤重10t。强夯施工严格按经监理工程师批准的技术参数进行，强夯能级达到160吨×米，每点6击，强夯3遍，前两遍按3-4米间距方格网状跳夯，最后一遍排夯，并互相搭夯1/2-1/3夯痕。夯击时落锤平稳，夯位准确，如错位或坑底倾斜过大，用砂石将坑底铺平方进行下一次夯击。施工过程中做好监测和记录工作，检查夯击次数和夯沉量，并对夯击点复核。强夯完成后，对上部土层进行碾压至规定的压实度，最后用冲击式压路机在路基占地范围内碾压40遍，进一步提高地基的密实度。碾压完成后，进行地基承载力、压实度等指标的检测，确保地基处理效果符合设计要求。在K220+100涵洞所在标段，灰土挤密桩技术的应用过程为：施工准备阶段，对施工材料进行严格控制，选用符合质量要求的石灰和土，按3:7的体积比进行拌和。对施工机械设备进行全面检测和调试，确保设备正常运作。进行地基土与桩孔填料击实试验，获得土和灰土的最佳含水量与最大干容重。做好施工场地的“三通一平”工作，清除场地内的障碍物和杂物。测量放样时，根据设计图纸准确测量放出桩位，并用木桩或石灰标记，桩位偏差符合设计和规范要求。采用冲击钻机成孔，成孔过程中根据地层软硬情况及时调整重锤落距，控制好桩位偏差和垂直度，确保桩孔质量。成孔顺序从外向里间隔1-2孔进行，以减少对已完成桩孔的影响。成孔后，对桩孔的直径、深度、垂直度等进行检查，如发现桩孔有缩径、塌孔等问题，及时进行处理。将拌和好的灰土分层填入桩孔内，分层填料，分层夯实。单点夯击能不小于20KN.m，分层填料厚度不大于35cm。灰土回填采用连续施工，每个桩孔一次性分层回填夯实，不得间隔停顿或隔日施工。在回填过程中，控制好灰土的含水量，使其接近最佳含水量，以保证夯实效果。施工完成后，对桩间土的平均挤密系数和桩身压实系数进行检测，桩间土的平均挤密系数达到0.93，桩身压实系数达到0.97，满足设计要求。5.3应用效果分析与评估在张石高速公路湿陷性黄土地基处理中，通过对各案例处理前后地基的物理力学指标进行对比，能够全面、客观地评估处理技术的应用效果，包括地基承载力、沉降量以及湿陷性消除情况等方面，同时还能对其经济效益进行分析，为后续类似工程提供重要参考。5.3.1地基承载力分析处理前，K180+500-K185+000标段湿陷性黄土地基的承载力较低，经现场载荷试验测定，其地基承载力特征值仅为100-120kPa，难以满足高速公路路基对地基承载力的要求。在采用冲击压实法处理后，通过再次进行载荷试验检测，地基承载力特征值提高到了180-200kPa。这表明冲击压实法有效地改善了地基土的物理力学性质，使土颗粒重新排列，孔隙减小，从而提高了地基的承载能力。K200+300-K205+000标段在强夯处理前，地基承载力特征值约为80-100kPa，由于该区域湿陷性黄土厚度大、湿陷等级高，地基承载能力严重不足。经过强夯法处理后，地基承载力特征值大幅提升至250-300kPa。强夯法产生的强大夯击能使地基土深层密实，土体结构得到显著改善，有效地提高了地基的承载能力，满足了高速公路对地基承载力的较高要求。K220+100涵洞所在标段在灰土挤密桩法处理前，地基承载力特征值为100-120kPa，难以承受涵洞的上部荷载。处理后，通过对灰土挤密桩复合地基进行载荷试验，检测得到地基承载力特征值达到了200-220kPa。灰土挤密桩与桩间土形成复合地基，共同承担上部荷载，提高了地基的承载能力，确保了涵洞基础的稳定性。5.3.2沉降量分析处理前，K180+500-K185+000标段湿陷性黄土地基在路基填筑后的沉降量较大，通过前期的沉降观测，预计最终沉降量可达30-50cm，这将严重影响路面的平整度和使用寿命。采用冲击压实法处理后，经过一段时间的沉降观测，最终沉降量控制在了10-15cm范围内。冲击压实法使地基土得到有效压实，孔隙减小，压缩性降低，从而显著减小了地基的沉降量。K200+300-K205+000标段在强夯处理前，预计地基的最终沉降量可达50-80cm，沉降问题较为严重。强夯处理后，沉降量得到了有效控制，最终沉降量减小至20-30cm。强夯法对深层地基土的加固作用明显，使地基土的密实度提高，有效抑制了地基的沉降变形。K220+100涵洞所在标段在灰土挤密桩法处理前，预计地基沉降量会对涵洞的正常使用产生较大影响，可能导致涵身开裂、变形等问题。处理后，通过对涵洞基础的沉降观测，最终沉降量控制在了15-20cm，满足了涵洞对地基沉降的要求。灰土挤密桩法通过挤密桩间土和形成灰土桩体，增强了地基的整体稳定性，减小了地基的沉降量。5.3.3湿陷性消除情况分析在K180+500-K185+000标段，处理前湿陷性黄土的湿陷系数较大，一般在0.03-0.05之间，属于中等湿陷性黄土。冲击压实法处理后，通过对处理后地基土的湿陷性检测，湿陷系数降低至0.01-0.015之间，湿陷性得到了有效消除，达到了非湿陷性黄土的标准。这是因为冲击压实法的冲击作用使黄土颗粒重新排列，孔隙减小，土体结构得到改善，从而消除了湿陷性。K200+300-K205+000标段处理前湿陷系数高达0.05-0.08，湿陷等级为III级，属于严重湿陷性黄土。强夯处理后，湿陷系数降低至0.01以下，湿陷性基本消除。强夯法的强大夯击能使地基土深层的孔隙结构发生改变，土颗粒之间的连接力增强，有效消除了地基土的湿陷性。K220+100涵洞所在标段处理前湿陷系数为0.03-0.05，采用灰土挤密桩法处理后，湿陷系数减小至0.01-0.015，湿陷性得到有效消除。灰土挤密桩法通过挤密桩间土和灰土桩体的胶凝作用，改变了地基土的结构和性质，消除了湿陷性。5.3.4经济效益分析在K180+500-K185+000标段采用冲击压实法，其设备租赁费用相对较低，每台冲击压路机的租赁费用约为5000元/天，施工工期较短，约为15天，设备租赁总费用为75000元。材料费用主要为检测所需的少量材料，费用约为5000元。人工费用方面，包括操作人员、技术人员等，人工成本约为30000元。该标段的处理面积约为50000平方米，总处理成本约为110000元，平均每平方米的处理成本为2.2元。K200+300-K205+000标段采用强夯法，强夯设备（如50吨履带式吊车、20吨夯锤等）的租赁费用较高，约为10000元/天，施工工期约为25天，设备租赁总费用为250000元。材料费用主要包括试夯所需的材料以及夯坑填平的材料等，费用约为15000元。人工费用包括施工人员、技术人员、监理人员等，人工成本约为50000元。该标段处理面积约为50000平方米，总处理成本约为315000元，平均每平方米的处理成本为6.3元。K220+100涵洞所在标段采用灰土挤密桩法，成孔设备（如冲击钻机）的租赁费用约为3000元/天，施工工期约为30天，设备租赁总费用为90000元。材料费用主要为石灰和土的费用，按3:7的体积比计算，每立方米灰土的材料成本约为150元，该标段共需灰土约1000立方米，材料费用为150000元。人工费用包括成孔、填料、夯实等工序的操作人员以及技术人员等，人工成本约为80000元。该标段处理面积约为1000平方米，总处理成本约为320000元，平均每平方米的处理成本为320元。通过对各标段处理技术的经济效益分析可知，冲击压实法成本最低，适用于处理浅层、湿陷性较弱的地基；强夯法成本适中，适用于处理深层、湿陷性较强的地基；灰土挤密桩法成本相对较高，主要适用于对地基承载能力和稳定性要求较高的特殊构造物地基处理。六、张石高速公路应用湿陷性黄土地基处理技术遇到的问题及解决措施6.1施工过程中遇到的问题在张石高速公路湿陷性黄土地基处理的施工过程中，遇到了诸多问题，这些问题对工程进度和质量产生了不同程度的影响。含水量控制困难是较为突出的问题之一。在冲击压实法和强夯法施工中，地基土的含水量对处理效果至关重要。然而，张石高速公路部分路段受当地气候条件影响，降水分布不均，地下水位变化较大，导致地基土含水量难以稳定在合适范围内。在冲击压实施工前，如遇连续降雨，地基土含水量会大幅增加，超出冲击压实要求的（Wopt-4%）～(Wopt+2%)范围，使得土体过于饱和，在冲击碾压过程中容易出现“弹簧土”现象，即土体无法压实，呈现出类似弹簧的弹性状态，严重影响施工进度和压实效果。而在强夯施工时，若地基土含水量过低，土体过于干燥，夯击时土体颗粒间摩擦力增大，难以达到预期的夯实效果，需要额外进行洒水增湿处理，这不仅增加了施工成本，还可能延误工期。压实度难以达标也是一个常见问题。灰土挤密桩法施工中，桩间土的挤密效果和灰土桩体的压实质量对地基整体压实度影响较大。在实际施工中，由于施工工艺控制不当，如成孔时桩管对桩间土的挤压力不足，导致桩间土密实度达不到设计要求；灰土回填时，分层填料厚度过大或夯击次数不足，使得灰土桩体压实系数未达到0.97的设计标准，从而影响地基的承载能力和稳定性。在冲击压实和强夯施工中，若施工参数设置不合理，如冲击碾压遍数不足、强夯能级不够等，也会导致地基压实度难以满足设计要求，无法有效消除湿陷性。施工效率低在一定程度上影响了工程进度。灰土挤密桩法施工工艺相对复杂，成孔、填料、夯实等工序需要依次进行，且每个桩孔的施工都需要一定时间，导致施工速度较慢。在一些标段，由于施工场地狭窄，机械设备停放和材料堆放空间有限，进一步制约了施工效率的提高。强夯法施工时，由于夯击设备的移动和调整需要耗费一定时间，且每遍夯击后需要对夯坑进行填平处理，使得施工过程相对繁琐，施工效率受到影响。冲击压实法虽然施工速度相对较快，但在遇到地基表面不平整或“弹簧土”等问题时，需要停机进行处理，也会降低施工效率。这些问题对工程进度和质量产生了显著影响。含水量控制困难和压实度难以达标可能导致地基处理效果不佳，无法有效消除湿陷性，增加公路运营后出现病害的风险，如路基沉降、路面开裂等，影响公路的使用寿命和行车安全。施工效率低则会延长工程工期，增加工程成本，还可能影响后续工程的顺利开展。6.2问题产生的原因分析含水量控制困难主要是由复杂的地质条件和多变的气候因素导致的。张石高速公路部分路段的地质条件复杂，地下水位分布不均，且含水层的渗透性和补给条件存在差异。在一些靠近河流或低洼地带，地下水位较高，地基土含水量容易受到地下水的影响而增加；而在地势较高、地下水埋藏较深的区域，地基土含水量则相对较低。当地气候条件也对含水量产生显著影响。该地区降水分布不均，在雨季时，大量降水会迅速渗入地基土，导致含水量大幅上升；而在旱季，水分蒸发较快，地基土含水量又会降低。此外，施工过程中缺乏有效的排水措施，在遇到降雨时，地表积水不能及时排出，也会使地基土含水量增加。压实度难以达标与施工工艺和施工设备密切相关。在灰土挤密桩法施工中，成孔工艺的控制对桩间土的挤密效果至关重要。若成孔设备的振动频率、振幅或成孔速度不合适，桩管对桩间土的挤压力就无法达到设计要求，导致桩间土密实度不足。灰土回填时，夯实设备的夯击能量、夯击次数和夯击方式等参数设置不合理，会影响灰土桩体的压实质量。如夯击能量过小，无法使灰土充分密实；夯击次数不足，不能使灰土达到最佳压实状态。冲击压实和强夯施工中，施工设备的性能和操作也会影响压实度。冲击压路机的冲击轮磨损严重、强夯设备的夯锤质量不足或落距不够等，都会导致冲击能量和夯击能量降低，无法有效压实地基土。施工效率低的原因主要包括施工工艺本身的复杂性以及施工场地条件的限制。灰土挤密桩法施工工序繁多，成孔、填料、夯实等环节都需要严格控制，且每个桩孔的施工都需要一定时间，导致整体施工速度较慢。强夯法施工过程中，夯击设备的移动、调整以及夯坑的填平处理等操作较为繁琐，会耗费大量时间，降低施工效率。施工场地狭窄会限制机械设备的停放和材料的堆放，增加了机械设备的移动和材料运输的难度，导致施工过