CN115293521A - 一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于公路原地基湿陷性处理领域，具体涉及一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法。解决了传统湿陷性黄土地区公路路基及关键部位原地基湿陷性消除处理效果评价方法不足的问题。本方法借助快速的湿度检测与便携式路基动态变形模量测试技术，采集黄土地基湿度和变形模量数据，首先求得与孔隙率间的相关性，再建立基于孔隙比的湿陷性系数计算公式，制定湿陷性状态评价参照标准。本发明具有测量速度快、不破损原地表、综合反映湿陷性黄土物理属性和力学属性的优点，检测结果更加客观直接。

Description

一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法

技术领域

本发明属于公路原地基湿陷性处理领域，具体为一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法。

背景技术

黄土具有大孔隙性、普遍存在有垂直节理和管状孔道，天然含水率状态时强度较高，能维持较高的垂直边坡，但遇水时土颗粒崩解，表现为较强的湿陷性。给公路工程建设带来了较大的难度，工程建成后病害较多。因地质条件的复杂性，一般湿陷性黄土地区高等级公路黄土路基典型路基病害有边坡滑塌、边坡剥落、路基沉降变形、桥头跳车、陷穴、边坡失稳纵向拉裂等。湿陷性黄土地区的路基病害根源是原地基湿陷变形，其特点是具有不均匀性和突变性，即：由于黄土地基的不均匀压缩变形引起的路堤和路面以及构造物的不均匀沉降、裂缝、路面波浪等；二是突变性，当路堤荷载超过黄土地基承载能力时，地基会迅速失稳，引起路堤和构造物突然滑移或塌陷，造成路堤和构筑物的严重破坏。

湿陷性黄土的主体是晚更新世(Q3)马兰黄土，中更新世(Q2)离石黄土仅在其上部层位有轻微的湿陷性，全新世各种成因的次生黄土也是湿陷性黄土的一个组成部分。因此，在黄土原地基湿陷性处理方法方面，一般认为通过对原状土浸水或减少基孔隙率即可消除或降底其湿陷性等级，由于黄土分布区大多属于干旱缺水区，浸水试验很难实现。因此公路工程上一般采用强夯、灰土挤密桩、重锤历、或浅层换填夯压的方式进行处理，以期达到增加原地基土体密实性且降低或消除湿陷性的目的。

但是，长久以来，对于湿陷性的处理效果的检测与评价，在实际工程的应用过程中尚未找到简便有效的方法。传统的对于湿陷性的评价检测最直接的方法采用的是室内自重湿陷性试验，需要用到固结仪、环刀、透水石等仪器，过程中涉及现场原状土取样、室内饱和状态分级加压、变形稳定性观测等关键环节，完成一组湿陷性的鉴定需要至少3-7天的时间，耗时较长，况且该方法主要用于地勘阶段对于区域湿陷性等级的评定，因为检测频率较高，考虑到工程的连续作业，在一般的工程实际施工过程中的控制很少用这种方法。因此，在《建筑地基处理技术规范》(JGJ79-2012)或《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTG/T D31-05-2017)中，通过检测处理后原地基的压实度、地基承载力或压缩系数来间接评判湿陷性消除效果，且因为不同规范和地方标准给定的标准值不统一，与湿陷性系数的对应关系不明确，导致业界对此方法存在争议。因此，有必要以湿陷性系数为核心指标，提供一种公路原地基湿陷性处理效果快速评价方法。

发明内容

本发明提供了一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法，有效的解决了传统湿陷性黄土地区公路路基及关键部位原地基湿陷性消除处理效果评价方法不足的问题，本发明基于湿陷性黄土结构的欠压密假说，借助路基湿度快速检测仪与便携式路基动态模量测试仪，具有测量速度快、不破损原地表、综合反映湿陷性黄土物理属性和力学属性的优点，检测结果更加客观直接。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案具体如下：

一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法,其特征在于，包括：

步骤1、对原湿陷性地基试验段采用自重湿陷性试验测定原湿陷性系数δ₀，并对原湿陷性地基不同措施处理；

步骤2、对处理后的原湿陷性地基分别测试地基含水率w、动态变形模量E_d、孔隙率e、以及湿陷性系数δ值，并通过地基含水率w计算湿度偏差w_d；

步骤3、建立黄土地基孔隙率e与湿度偏差w_d、动态变形模量E_d之间的相关性，其关系式为：

e＝k₁w_d+k₂E_d+C (1)

其中：k₁、k₂为试验数据回归分析得到的系数，C为常数项；湿度偏差w_d为实际地基含水率与最佳含水率之差的绝对值；

步骤4、确定基于孔隙比e的湿陷性系数回归公式为：

δ＝A e^B (2)

其中：δ为湿陷系数；A为试验数据回归分析得到的系数，B为常数项；e为孔隙比；

步骤5、应用与评价：测试地基含水率w和动态变形模量E_d，根据式(1)和式(2)获得当前黄土地基的湿陷性系数δ'，通过与当前黄土地基的湿陷性系数δ'对比获得效果评价。

所述原湿陷性地基试验段的选择为：湿陷性黄土地区在建公路需要处理的原地基或用黄土作为填料已填筑成型的路堤。

所述原湿陷性地基处理措施包括：强夯、灰土挤密桩、液压夯、浸水。

所述湿陷等级状态评价标准为：

当δ'＜δ₀时，证明对公路黄土原地基湿陷性处理效果良好；当δ'≥δ₀时，证明对公路黄土原地基湿陷性处理效果无效，其中δ'为当前黄土地基的湿陷性系数，δ₀为原湿陷性系数。

当原湿陷性系数δ₀＞0.07时，湿陷等级状态评价标准为：

当δ'＜0.015，处理后湿陷性状态描述为黄土地基无湿陷性，对公路路基无湿陷性影响，处理效果评价为优秀；

当0.015≤δ'≤0.03，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性轻微，其湿陷性对公路路基影响较弱，处理效果评价为合格；

当果0.03≤δ'≤0.07，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性中等，其湿陷性对公路路基影响一般，处理效果评价为一般；

当δ'＞0.07，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性强烈，其湿陷性对公路路基影响较大，处理效果评价为较差。

本发明的有益效果为：

本方法借助快速的湿度检测与便携式路基动态变形模量测试技术，采集黄土地基湿度和变形模量数据，首先求得与孔隙率间的相关性，再建立基于孔隙比的湿陷性系数计算公式，制定湿陷性状态评价参照标准。具有测量速度快、易于操作、合理可靠的优点，并结合了湿陷性黄土实际湿度与密实性的有效信息。以此建立的基于黄土欠密实性假说理论的湿陷性评价方法，有望克服传统各评价方法重复性差、试验效率低、受人为环境因素影响大、判定标准不明确、普适性较差等问题。本发明建立基于湿度、模量和孔隙率的湿陷性系数计算公式和现场快速检测方法，制定明确的湿陷性评价参照标准，进而通过工程应用实现对公路湿陷性黄土原地基处理效果的快速评价，并给出针对性的湿陷状态消除或处理措施。

附图说明

图1湿陷性系数δ与孔隙率e关系曲线图；

图2强夯处理平面夯点示意图；

图3满夯夯点搭接示意图；

具体实施方式

下面结合附图并通过具体的实施例进一步的说明本发明的技术方案：

实施例1：

(1)确定试验段，初始数据采集

选取湿陷性黄土地区在建公路，并测定原地基初始湿陷性系数δ₀值、初始孔隙率e₀、初始含水率w₀、初始动态变形模量E_d0，初始压实度K₀，以及原地基黄土的相关物性参数，如表1和表2所示。

表1试验初始值

表2原地基黄土土样基本物性参数

测试指标	测试值	试验规程
			最大干密度/g/cm3	1.88	T0131-2007
最佳含水率/％	15.8	T0131-2007
			细粒土含量/％	46.5	T0115-2007
液限/％	32.1	T0118-2007
			塑限/％	20.1	T0118-2007
塑性指数/％	12.0	T0118-2007
			CBR/％	4.62	T0134-1993

(2)湿陷性黄土地基处理

在数据采集前首先对试验段黄土湿陷性进行处理，其目的是：降低或消除一定范围内黄土地基的湿陷性，使处理后地基变为弱湿陷性或非湿陷性黄土地基，以期降低《黄土地区公路路基设计与施工技术规范》(JTG/T D31-05-2017)所要求的处理深度等级而节约工程造价。

本例中湿陷性的处理方式选用强夯，夯点间距采用5m梅花型布置，分为主夯、副夯和满夯三个过程，拟设定主副夯单位夯击能为3000KN.m，满夯夯击为1000KN.m，夯击时将主副夯点相互搭接，夯点的夯击次数应以现场试夯得到的次数确定，夯点示意图如图2、图3。

主历、副夯、满夯三个过程完全结束后，可以计为一次处理，可用钢轮压路机在整个地基的上表面滚压一遍，完成后根据工程处理需要即可开展二处理，以此类推。

(3)湿陷性黄土地基处理效果评价公式的建立

试验段处理完成后，采用湿度快速检测试验、路基动态变形模量测试试验、孔隙率试验、湿陷性系数检测试验和多元线性回归方法，建立湿陷性黄土地基湿陷性快速评价公式。

①在处理后的地基上，现场选取合适的点位，尽可能在相同位置取样，依次在室内或现场完成自重湿陷系数δ、孔隙比e、湿度偏差w_d、动态变形模量E_d等试验数据的采集，各试验具体操作步骤为：

自重湿陷系数试验：在现场处理过的黄土地基上取原状土，室内用环刀制备好试件，随后放入固结仪进行加压、变形读数、以及浸水变形稳定观测读数。自重湿陷系数变形公式为：

δ_zs＝(h_z-h’_z)/h₀ (3)

其中δ为湿陷系数，计算至0.001；h_z为饱和自重压力下，试样变形稳定后的高度(mm)；h’_z为饱和自重压力下，试样浸水湿陷变形稳定后的高度(mm)；h₀为试验初始高度(mm)。

孔隙比试验：采用环刀法或灌砂法先测定黄土原地基土体的干密度ρ_d，再根据公式e＝(d_sρ_w)/ρ_d-1计算出孔隙比，式中d_s为相对密度，一般取2.6～2.7，ρ_w为水的密度，取值为1.0g/cm³。

湿度快速检测试：采用土壤水分快速测定仪或无核密度仪测定原地基的湿度，快速测定仪利用了频域反射电磁脉冲技术，通过电磁感应场对材料基质电化学阻抗的变化响应来达到无损检测目的，也就是说由土壤特性产生的电磁场的改变来推测土壤的特性。湿度测量范围为0～100％，可在1秒内响应测得数据w，并计算出与表3中最佳含水率之差的绝对值w_d，以衡量处理后黄土地基实际湿度偏离最佳湿度状态的幅度。

动态变形模量测试：动态变形模量采用便携式轻型落锤弯沉仪测定，该装置有30cm直径的承载板和10kg的配重，集成了荷载传感器和弯沉传感器，可以测试施加到地面的荷载以及荷载导致的变形，并由此计算动态变形模量，每点落锤3次，取平均值，自动输出到显示屏供读取，可在1分钟内完成整个动态变形模量测试。

选择不同的试验段，采用不同程度的夯沉处理后，重复上述数据的测试步骤，试验数据记录如表3所示。

表3不同夯实程度下各指标试验值

	测点1	测点2	测点3	测点4	测点5	测点6
							e	1.302	0.803	0.418	1.812	1.615	0.529
w<sub>d</sub>(％)	2.3	1.8	0.6	3.9	3.2	1.1
							E<sub>d</sub>(MPa)	32	40	56	26	28	48
δ	0.042	0.022	0.003	0.082	0.061	0.011

②基于表4中试验数据，通过多元线性回归分析，建立黄土地基孔隙率e与湿度w、动态变形模量E_d之间的相关性，得到各系数k₁、k₂和常数项C的值，分别为k₁＝0.363，k₂＝-0.00791，C＝0.61681进而得到基于湿度和动态变形模量的孔隙比计算公式，如式(4)所示。

e＝0.363w_d-0.00791E_d+0.61681 (4)

其中，w_d、E_d均为借助快速方法测得的现场试验值。

同时，基于表4中数据，同样通过线性回归分析，A＝0.026，B＝1.976，得到湿陷性系数δ与孔隙比e间的对应关系式，如式(5)所示，

δ＝0.026e^1.976 (5)

至此，实施例中特定工程区域的湿陷性黄土地基处理效果快速评价公式已建立完成，式(4)解决了现场孔隙率获取较慢的困难，式(5)合理地利用了湿陷性系数与孔隙率相关性良好的特征。对于其它不同黄土地区的工程，可通过工程允许条件，继续补充一定数量现场或室内试验，以便对公式进一步较正或完善，使其具有更加良好的通用性。该评价公式有效地结合了现场快速检测与黄土湿陷性欠密实假说，紧扣湿陷性系数核心指标，具有快速简洁、易于操作、安全可靠的优点，为湿陷性黄土地基处理效果评价带来了极大方便。

(4)实体工程中的检测与评价

利用已建立的湿陷性地基处理效果评价公式，应用到实际工程，选取不同状态或不同处理程度的黄土原地基，现场快速采集其湿度w和变形模量E_d，基于已建立的评价公式，先通过式(4)计算得到孔隙比e，进而通过式(5)计算当前黄土地基的湿陷性系数δ'，快速评估黄土地基所处湿陷等级或状态，为进一步采取积极有效的工程措施提供依据。

评价时可参照以下标准：

(1)当δ'＜δ₀时，证明公路黄土原地基湿陷性处理效果良好；当δ'≥δ₀时，证明公路黄土原地基湿陷性处理效果无效，其中δ'为当前黄土地基的湿陷性系数，δ₀原湿陷性系数δ₀。

(2)特别地，当原湿陷性系数δ₀＞0.07时，湿陷等级状态评价标准为：

当δ'＜0.015，处理后湿陷性状态描述为黄土地基无湿陷性，对公路路基无湿陷性影响，处理效果评价为优秀；

当0.015≤δ'≤0.03，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性轻微，其湿陷性对公路路基影响较弱，处理效果评价为合格；

当果0.03≤δ'≤0.07，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性中等，其湿陷性对公路路基影响一般，处理效果评价为一般；

当δ'＞0.07，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性强烈，其湿陷性对公路路基影响较大，处理效果评价为较差。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (5)

1.一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法,其特征在于，包括：

步骤1、对原湿陷性地基试验段采用自重湿陷性试验测定原湿陷性系数δ₀，并对原湿陷性地基不同措施处理；

步骤2、对处理后的原湿陷性地基分别测试地基含水率w、动态变形模量E_d、孔隙率e、以及湿陷性系数δ值，并通过地基含水率w计算湿度偏差w_d；

步骤3、建立黄土地基孔隙率e与湿度偏差w_d、动态变形模量E_d之间的相关性，其关系式为：

e＝k₁w_d+k₂E_d+C (1)

其中：k₁、k₂为试验数据回归分析得到的系数，C为常数项；湿度偏差w_d为实际地基含水率与最佳含水率之差的绝对值；

步骤4、确定基于孔隙比e的湿陷性系数回归公式为：

δ＝A e ^B (2)

其中：δ为湿陷系数；A为试验数据回归分析得到的系数，B为常数项；e为孔隙比；

步骤5、应用与评价：测试地基含水率w和动态变形模量E_d，根据式(1)和式(2)获得当前黄土地基的湿陷性系数δ'，通过与当前黄土地基的湿陷性系数δ'对比获得效果评价。

2.根据权利要求1所述的一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法,其特征在于：所述原湿陷性地基试验段的选择为：湿陷性黄土地区在建公路需要处理的原地基或用黄土作为填料已填筑成型的路堤。

3.根据权利要求1所述的一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法,其特征在于：所述原湿陷性地基处理措施包括：强夯、灰土挤密桩、液压夯、浸水。

4.根据权利要求1所述的一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法,其特征在于：所述湿陷等级状态评价标准为：

当δ'＜δ₀时，证明对公路黄土原地基湿陷性处理效果良好；当δ'≥δ₀时，证明对公路黄土原地基湿陷性处理效果无效，其中δ'为当前黄土地基的湿陷性系数，δ₀为原湿陷性系数。

5.根据权利要求4所述的一种公路黄土原地基湿陷性处理效果快速评价方法,其特征在于：当原湿陷性系数δ₀＞0.07时，湿陷等级状态评价标准为：

当δ'＜0.015，处理后湿陷性状态描述为黄土地基无湿陷性，对公路路基无湿陷性影响，处理效果评价为优秀；

当0.015≤δ'≤0.03，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性轻微，其湿陷性对公路路基影响较弱，处理效果评价为合格；

当果0.03≤δ'≤0.07，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性中等，其湿陷性对公路路基影响一般，处理效果评价为一般；

当δ'＞0.07，处理后湿陷性状态描述为黄土地基湿陷性强烈，其湿陷性对公路路基影响较大，处理效果评价为较差。

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