一种基于轻量土减重原理的湿陷性黄土路基处理方法与流程

本发明涉及湿陷性黄土区海绵城市透水性道路建设，具体涉及一种适用于湿陷性黄土区道路建设的地基处理方法。

背景技术：

湿陷性黄土广泛分布于我国西北、华北及黄河中游地区。道路工程建设中，因黄土湿陷发生的事故屡见不鲜，给道路建设及养护带来了很大的难度，同时造成了严重的经济损失。湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，且对水具有敏感性：在天然状态下，土的含水率和压缩性较低、强度较高，但是当遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力或土的自重压力与附加压力共同作用下引起湿陷变形。湿陷变形是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形，对道路、建筑物等具有较大的危害。黄土路基湿陷与水、上覆压力有着密切的关系，湿陷性是黄土本身具有的特性，实际工程不可能大面积的换填，降雨入渗、地下水位上升等情况难以控制。

黄土的湿陷变形需具备两个条件，一是含水量，二是压力。市政道路湿陷性黄土路基常用的处理方法有垫层法、强夯法、挤密桩法、桩基础法、预浸水法、桩基础法等。以上湿陷性黄土路基处理方法由于需要替换全部湿陷性黄土层，需要大量人工、机械、财力的投入，且替换材料阻断了水分进入路基工作区及基础，导致存在工程量大、工期长、资金投入多，且雨水资源得不到存储利用的不足。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于轻量土减重原理的湿陷性黄土路基处理方法。

为了达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：

将路基场地湿陷性黄土自其顶部土层开始逐层进行换填，湿陷性黄土的换填材料采用具有一定密度、抗压强度及渗透性的轻量土，轻量土的换填厚度(即换填为所述轻量土的对应土层的总厚度)小于路基场地湿陷性黄土总厚度。

优选的，所述路基场地的自重湿陷等级为ⅱ级以上。

优选的，所述轻量土选自棉秆纤维轻量土，以更好地满足对换填材料所要求的渗透性、轻质和强度要求，有效降低换填厚度，改善路基透水性。

优选的，所述棉秆纤维轻量土包括原料土(例如，由黄土制成，方便就地取材)以及掺入材料，掺入材料包括原料土重量0.4％～0.8％的棉秆纤维、2％～4％的水泥、6％～12％的砂、1％～1.5％的eps颗粒及30％～50％的水。

优选的，所述换填厚度(层数)是参考路基场地实地取样结果经计算确定的。

优选的，所述换填厚度的计算方法具体包括以下步骤：

1)通过地质勘测及试验，确定路基场地不同湿陷性黄土土层的物理、力学特性参数；

2)根据步骤1)确定的土层特性参数计算各湿陷性黄土土层的自重湿陷系数；

3)以采用轻量土换填减重为目标，依据换填后土层的累计自重压力与自重湿陷系数关系分别计算各换填层(即某层湿陷性黄土经替换后形成的轻量土层)的自重湿陷量，然后计算换填后的自重湿陷总量；

4)根据换填后的自重湿陷总量，参照湿陷性黄土地基的湿陷等级划分，判定换填效果，当换填后的自重湿陷总量满足路基场地由自重湿陷性转变为非自重湿陷性时，对应的各换填层的总厚度即为实际需要用轻量土进行换填的土层厚度。

优选的，所述换填层的起始深度为所述路基场地的地表。

优选的，所述物理、力学特性参数包括比重、含水率、密度、干密度、天然孔隙比、饱和度及不同深度、压力下的湿陷系数。

优选的，所述换填效果的判定依据具体为：换填后的自重湿陷总量≤70mm(场地为轻微湿陷，属非自重湿陷性场地)。

本发明的有益效果体现在：

本发明利用轻量土减重以减少下层湿陷性黄土层上覆压力为思路，对湿陷性黄土采用轻质、透水、具备一定强度的轻量土进行局部有限层深换填，从而减小黄土自重湿陷量，消除路基的自重湿陷性。本发明不仅能够消除黄土路基的自重湿陷性，同时能够满足路基强度要求，并使路基具备一定的透水性，可以有效减小地表径流，同时补给水源，符合海绵城市的透水性道路建设要求，有效改善城市生态坏境和人居环境。本发明通过路基场地湿陷性黄土的有限换填，有效降低工程量，对节省工程建设的资金投入，节约资源具有重要的现实意义。

附图说明

图1为实施例1、2中不同深度(3-10m)湿陷系数与压力关系曲线图。

图2为实施例3中不同深度湿陷系数(1-10m)与压力关系曲线图。

图3为实施例3中不同深度(11-20m)湿陷系数与压力关系曲线图。

图4为实施例3中不同深度(21-30m)湿陷系数与压力关系曲线图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

(一)棉秆纤维轻量土及其制备

本发明通过将路基场地上层黄土换填为轻量土，利用轻量土减重以减少下层黄土上覆压力，从而减小黄土湿陷量。为此，本发明首先提出一种棉秆纤维轻量土，该棉秆纤维轻量土包括原料土以及掺入材料，掺入材料包括原料土重量0.4％～0.8％的棉秆纤维、原料土重量2％～4％的水泥、原料土重量6％～12％的砂、原料土重量1％～1.5％的eps颗粒及原料土重量30％～50％的水。

所述棉秆纤维轻量土是以eps颗粒为轻质材料组分，以原料土、水、棉秆纤维、砂及水泥为胶结材料组分，并将轻质材料与胶结材料经混合而制成的一种轻质填土材料。

所述原料土的来源为黄土。

所述水泥选自普通硅酸盐水泥，所述砂选自建筑用砂(粒径≤1.6mm)。

所述eps颗粒的粒径为1～3mm，eps颗粒堆积体密度为0.0087g/cm³，纯颗粒密度为0.0137g/cm³。

上述棉秆纤维轻量土的制备方法，包括以下步骤：

首先将棉秆依次经破碎、取皮、打纤、洗涤及干燥，制得棉秆纤维；然后将水加入至原料土、棉秆纤维、水泥和砂的混合料中，制得胶结材料；最后将eps颗粒与胶结材料混合，制成棉秆纤维轻量土，所述棉秆纤维、水泥、砂、eps颗粒及水的用量依次为原料土重量的0.4％～0.8％、2％～4％、6％～12％、1％～1.5％及30％～50％。

所述棉秆纤维的制备方法具体包括以下步骤：

1.1)将棉秆于粉碎机中进行破碎，得到切断为50mm～300mm长的棉秆；

1.2)将经过步骤1.1)切断的棉秆依次经浸泡及除髓，得到棉秆皮；

1.3)将棉秆皮反复捶打，直至转变为纤维状；

1.4)经过步骤1.3)后，将棉秆皮洗涤并保留纤维部分，然后将纤维部分自然晾干。

所述胶结材料的制备方法具体包括以下步骤：将原料土与原料土重量6％～12％的建筑用砂、原料土重量0.4％～0.8％的棉秆纤维及原料土重量2％～4％的普通硅酸盐水泥混合得混合料，向混合料中喷入原料土重量30％～50％的水。

所述原料土的制备方法包括以下步骤：取一定量的黄土，经过烘干(100～105℃，干燥12小时以上)后过0.5mm筛，得到颗粒均匀的原料土。

所述棉秆纤维轻量土在eps颗粒(为轻质材料组分)基础上引入了棉秆纤维作为轻量土组分，不但可以减轻填土的压力，提高填土强度，而且具有较好的渗透性，满足海绵城市的透水性道路建设要求。与现有轻量土技术相比，所述棉秆纤维轻量土显著的优点在于：轻质性、高强性、较好的透水性。

本发明采用原料土以及掺入材料制备轻量土，掺入材料中含有棉秆纤维、水泥、砂、eps颗粒及水，各掺入材料占原料土的重量比例决定了所制备的轻量土具有轻质性、高强性、较好的透水性，且可以根据需要调整水泥等组分的比例，获得相应特性得到强化的轻量土，更加符合轻量土的实际应用需要。

上述棉秆纤维轻量土密度范围为：1.025～1.215g/cm³，为了方便基于轻量土减重原理的湿陷性黄土路基处理，具体制备了密度约为1.10g/cm³和1.20g/cm³的两种棉秆纤维轻量土。其中，密度约为1.10g/cm³的棉秆纤维轻量土掺入材料配比为：棉杆纤维掺量0.6％、水泥掺量3.0％、砂掺量7.5％、eps颗粒掺量1.2％、水掺量40％，该轻量土的无侧限抗压强度为114.59kpa，渗透系数为6.84×10^-5cm/s；密度约为1.20g/cm³的棉秆纤维轻量土掺入材料配比为：棉杆纤维掺量0.7％、水泥掺量4.0％、砂掺量10.5％、eps颗粒掺量1.0％，水掺量40％，该轻量土的无侧限抗压强度为191.68kpa，渗透系数为4.1×10^-7cm/s。

(二)基于轻量土减重原理的湿陷性黄土路基处理方法

实施例1

第一步，通过地勘采集场地一(关中地区湿陷性黄土区)土样，并通过试验确定场地一不同土层的物理参数，例如，比重、含水率、密度、干密度、天然孔隙比、饱和度，根据《sl237-1999土工试验规程》方法，利用以上参数计算不同压力下各层湿陷性黄土的饱和度85％的含水率(用于计算饱和度85％的湿密度)、饱和度85％的湿密度、自重压力(根据饱和度85％时的湿密度计算)、湿陷起始压力、湿陷系数，参见表1-1(n＝8)。其中，湿陷系数为判定场地湿陷程度的参数，不同深度湿陷系数与压力关系曲线如图1所示。

表1-1.场地一土工实验报告表

第二步，根据《gb50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范》中自重湿陷量δzs和湿陷量δs的计算公式，计算各层自重湿陷量和湿陷量以及自重湿陷总量(自地表算起直至最下一层)和总湿陷量(自地表算起直至最下一层)，结果见表1-2。

表1-2.场地一自重湿陷量计算表(n＝8，换填层密度1.1g/cm³)

注：a1：报告给出饱和自重压力；a2：饱和度85％的含水率；a3：饱和度85％时湿密度；a4：换填层密度；a5：根据饱和度85％湿密度计算自重压力；a6：换填后自重压力；a7：自重湿陷系数；a8：换填后自重湿陷系数；a9：各层自重湿陷量；a10：自地面算起的自重湿陷总量；a11：换填后各层自重湿陷量；a12：换填后自地面算起的自重湿陷总量；a13：各层湿陷量；a14：自地面算起的总湿陷量。

第三步，假设取密度为1.1g/cm³的棉秆纤维轻量土对n层湿陷性黄土由上至下逐层换填减重，计算换填层的自重压力和累计自重压力，根据累计自重压力查不同深度湿陷系数与压力关系曲线，得出换填层的自重湿陷系数，计算各层自重湿陷量及自重湿陷总量(自地表算起直至最下一层)，参见表1-2。

所述累计自重压力是根据对应土层的自重压力计算得到的，各土层自重压力的计算公式为：

pzs＝ρhi

其中，pzs为第i层土的自重压力(kpa)；ρ为第i层土的密度(g/cm³)；hi为第i层土的厚度(cm)，i＝1,2,…,n。

第四步，根据换填后的自重湿陷总量，参照湿陷性黄土地基的湿陷等级划分表(《gb50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范》)判定：当换填后的自重湿陷总量≤70mm时，场地由自重湿陷性转变为非自重湿陷性，否则，继续计算换填下一层后对应的换填后的自重湿陷总量。

经以上步骤计算，场地一属于自重湿陷性黄土，将该场地用密度为1.1g/cm³的棉秆纤维轻量土进行换填减重，换填层总厚度为1m，场地自重湿陷总量由89.1mm减至32.4mm，该场地由自重湿陷性变为非自重湿陷性。

根据换填计算结果进行实际换填施工。

实施例2

第一步，通过地勘采集场地一(关中地区湿陷性黄土区)土样，并通过试验确定场地一不同土层的物理参数，例如，比重、含水率、密度、干密度、天然孔隙比、饱和度，并计算自重压力、湿陷起始压力、湿陷系数，参见表1-1，不同深度湿陷系数与压力关系曲线如图1所示。

第二步，根据《gb50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范》中自重湿陷量δzs和湿陷量δs的计算公式，计算各层自重湿陷量和湿陷量以及自重湿陷总量(自地表算起直至最下一层)和总湿陷量(自地表算起直至最下一层)，结果见表2-1。

表2-1.场地一自重湿陷量计算表(n＝8，换填层密度1.2g/cm³)

注：a1：报告给出饱和自重压力；a2：饱和度85％的含水率；a3：饱和度85％时湿密度；a4：换填层密度；a5：根据饱和度85％湿密度计算自重压力；a6：换填后自重压力；a7：自重湿陷系数；a8：换填后自重湿陷系数；a9：各层自重湿陷量；a10：自地面算起的自重湿陷总量；a11：换填后各层自重湿陷量；a12：换填后自地面算起的自重湿陷总量；a13：各层湿陷量；a14：自地面算起的总湿陷量；

第三步，假设取密度为1.2g/cm³的棉秆纤维轻量土对n层湿陷性黄土由上至下逐层换填减重，计算换填层的自重压力和累计自重压力，根据累计自重压力查不同深度湿陷系数与压力关系曲线，得出换填层的自重湿陷系数，计算各层自重湿陷量及自重湿陷总量(自地表算起直至最下一层)，参见表2-1。

第四步，根据换填后的自重湿陷总量，参照湿陷性黄土地基的湿陷等级划分表(《gb50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范》)判定：当换填后的自重湿陷总量≤70mm时，场地由自重湿陷性转变为非自重湿陷性，否则，继续计算换填下一层后对应的换填后的自重湿陷总量。

经以上步骤计算，用密度为1.2g/cm³的棉秆纤维轻量土进行换填减重，换填层总厚度为4m，场地自重湿陷总量由89.1mm减至30.6mm，该场地由自重湿陷性变为非自重湿陷性。

根据换填计算结果进行实际换填施工。

实施例3

第一步，通过地勘采集场地二(关中地区湿陷性黄土区)土样，并通过试验确定场地二不同土层的物理参数，例如，比重、含水率、密度、干密度、天然孔隙比、饱和度，并计算自重压力、湿陷起始压力、湿陷系数，参见表3-1(n＝30)，不同深度湿陷系数与压力关系曲线如图2、图3及图4所示。

表3-1.场地二土工实验报告表

第二步，根据《湿陷性黄土地区建筑规范》中自重湿陷量δzs和湿陷量δs的计算公式，计算各层自重湿陷量和湿陷量以及自重湿陷总量(自地表算起直至最下一层)和总湿陷量(自地表算起直至最下一层)，结果见表3-2。

表3-2.场地二自重湿陷量计算表(n＝30，换填层密度1.1g/cm³)

注：a2：饱和度85％的含水率；a3：饱和度85％时湿密度；a4：换填层密度；a5：根据饱和度85％湿密度计算自重压力；a6：换填后自重压力；a7：自重湿陷系数；a8：换填后自重湿陷系数；a9：各层自重湿陷量；a10：自地面算起的自重湿陷总量；a11：换填后各层自重湿陷量；a12：换填后自地面算起的自重湿陷总量；a13：各层湿陷量；a14：自地面算起的总湿陷量。

第三步，假设取密度为1.1g/cm³的棉秆纤维轻量土对n层湿陷性黄土由上至下逐层换填减重，计算换填层的自重压力和累计自重压力，根据累计自重压力查不同深度湿陷系数与压力关系曲线，得出换填层的自重湿陷系数，计算换填后各层自重湿陷量及自重湿陷总量(自地表算起直至最下一层)，参见表3-2。

第四步，根据换填后的自重湿陷总量，参照湿陷性黄土地基的湿陷等级划分表(《gb50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范》)判定：当换填后的自重湿陷总量≤70mm时，场地由自重湿陷性转变为非自重湿陷性，否则，继续计算换填下一层后对应的换填后的自重湿陷总量。

经以上步骤计算，场地二属于自重湿陷性黄土，将该场地用密度为1.1g/cm³的棉秆纤维轻量土进行换填减重，换填层总厚度为5m，场地自重湿陷总量由169.9mm减少至63.5mm，该场地由自重湿陷性变为非自重湿陷性。

根据换填计算结果进行实际换填施工。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明采用对湿陷性黄土路基进行自地表有限替换一定厚度的方式，保留了下层的湿陷性黄土，可节省大量的混凝土、水、石灰等原材料，减少施工过程中弃土等废弃物的排放，降低施工机具能源消耗和废气排放，达到节能、节水、节材和环保的目的。

2、本发明使用的棉秆纤维轻量土具有一定的透水特性和抗压强度，解决湿陷问题的同时，还能将雨水资源排入地下，防止路面积水，使地下水得到补给。

总之，本发明根据减重减湿陷的理论，利用轻量土减重换填的方法，有理论基础，也有实际应用。换填后土层不具有湿陷性，且由于换填土(轻量土)质量较轻，减小了下层土体(湿陷性黄土)的自重压力，使场地整体湿陷性显著改善，并且符合海绵城市的透水性道路建设要求。