摘 要

在黄土高原地区的黄土的湿陷性问题一直是各个工程项目中难以解决的为题，在黄土地区的的桥过渡路段由于黄土的失陷问题可能导致的桥头跳车现象，对行使安全造成了严重的威胁也对人民的经历造成了损失。为了缓解这一危害的发生，保证路桥过渡路段的施工质量。本文通过了解甘肃省的一个路桥过渡段的项目，对此项目中的湿陷性黄土的沉降问题将引起的桥头跳车现象进行了黄土的机理研究和桥头跳车出现的原因和处理方案研究，借用该项目的工程地质特征和各种处理湿陷性黄土沉降问题的方案对比，说明了灰土挤密桩复合地基对此项目中的失陷问题有很好的帮助。同时介绍了该方法在实际操作中该注意的问题。

关键词：湿陷性黄土；桥头跳车；灰土挤密桩复合地基

Abstract

The collapsibility of loess in the Loess Plateau area has always been a difficult problem to solve in various engineering projects. In the bridge transition section of the Loess area, the bumping phenomenon at the bridge head may be caused by the collapse of loess, which poses a serious threat to the exercise safety and also causes losses to the people's experience. In order to alleviate the occurrence of this hazard, ensure the construction quality of road and bridge transition section. In this article, through understanding of gansu province a bridge transition section of the project, the problem of the settlement of collapsible loess in this project will cause the phenomenon of vehicle dumpping studied the mechanism of loess and the causes and management of the bridge jumps off a plan research, borrow the engineering geological characteristics of this project, the settlement of collapsible loess is compared with various treatment schemes, which shows that the settlement of lime-soil compacted pile composite foundation is very helpful in this project. At the same time, the problems that should be paid attention to in practical application are introduced.

Key Words：Collapsible loess; Jump off the bridge; Soil-compacted pile composite foundation

目录

第1章 绪论 1

1.1 研究背景和意义 1

1.2 国内外研究现状 1

1.3 本文主要研究内容 2

1.3.1大厚度自重湿陷性黄土沉降变形机理及计算方法 2

1.3.2桥梁跳车的原因、危害及处理 2

1.3.3灰土挤密复合地基处理湿陷性黄土的理论分析及可行性研究 2

第2章 湿陷性黄土的特征 3

2.1 黄土的成因及分布 3

2.2 湿陷性黄土变形的影响因素 3

2.3大厚度自重湿陷性黄土的变形机理及计算原理 4

2.3.1变形机理 4

2.3.2计算原理 5

第3章 桥头跳车 7

3.1 桥头跳车的成因和危害 7

3.2国内外对桥头跳车的研究处理 7

第4章 工程概况 9

4.1地形地貌 9

4.2气象、水文 9

4.3地震 9

4.4设计资料 10

第5章 湿陷性黄土地基处理研究 11

5.1 地基处理目的和措施 11

5.2复合地基的由来和发展 11

第6章 灰土挤密桩复合地基处理湿陷性黄土 13

6.1可行性说明 13

6.2 灰土挤密桩法中应注意的事项 14

第7章 结论及展望 15

7.1结论 15

7.2展望 15

（1）对黄土的失陷变形机理进行研究 15

（2）对大厚度湿陷性黄土复合地基在地震情况下的分析 15

参考文献 16

致谢 17

第1章 绪论

1.1 研究背景和意义

随着我国经济的快速发展，我国对于西部的经济支持开始加重，西部经济发展迅速伴随着交通量的迅速增长，西北湿陷黄土地区的高等级公路的建设与日俱增。而在西北区域地质大部分新近堆积黄土和上更新统新黄土、古土壤等均为湿陷性黄土。局部地区湿陷性黄土的厚度为15.50-16.00m，湿陷等级为Ⅲ～Ⅳ级（严重-很严重）。由于湿陷性黄土地基失陷事故，往往在无预料的情况下发生，对公路工程的危害和破坏性是比较严重的，对人民的生命安全产生了威胁也对社会的经济造成了损失。因此，研究相关的桥台背回填的施工技术在湿陷性黄土地区,减轻应用刚柔桥台结构和回填的突然变化,避免路基沉降,减少桥头高跳,并加强过渡段的施工技术应用程序,以确保过渡段的施工质量,确保高速公路桥梁和涵洞的安全驾驶,推进黄土地区高等级公路建设，服务于“一带一路”战略，因此亦可预见其巨大的社会效益。

1.2 国内外研究现状

关于国外的学者会黄土的研究，根据所能查阅到的文献，所了解到是前苏联、美国等虽然岁黄土的性质的研究相对于我国来说更早，但是他们更侧向于岁黄土的湿陷性和对土壤侵蚀的研究，他们对于黄土的工程性质研究的较少。

关于我国对于黄土的研究，我国在几千年前已经对于广泛分布于我国的黄土有了一定的认识，我们的祖先发现了黄土地区的土质与其他良性土之间有着很大的区别，他们对黄土的分类和形成的原因进行了一定的研究，但是出于当时科学技术和认知面的局限性，并没有得出特别突出的结论，但是这为我们这些后人作出了很好的铺垫。

在我国改革开放之后，随着我国和其他国家的交流变得更多，我们国家的科学技术也随之进步，响应科技兴国的号召，我们国家的学者对于黄土的研究也变得更加积极和便捷，在80年代，结合当时的土木工程的基础设施建设作出了实验研究和理论分析，对黄土的成因，基本性质，特别是变形特征方面作出了更加深入的了解，取得了卓越的成果。进一步，在我国技术的发展下，我们对于黄土的微结构方面下足了功夫，对于黄土骨架的组成、形态、排列、孔隙特征作出了解释，这对于研究黄土的受力原理和变形原理起着至关重要的理论基础。对于后面的工程项目的加多，也出现了各种各样的问题，有了这些理论基础，后人更加方便的处理了各种问题，同时在这些问题的基础上，发展了各种处理黄土的实践方法:如深基坑开挖和支护;大厚度湿陷性黄土地基处理;高陡黄土坡面塌方机理及稳定措施。

1.3 本文主要研究内容

1.3.1大厚度自重湿陷性黄土沉降变形机理及计算方法

对大厚度自重湿陷性黄土进行了说明，论述了黄土的成因、分布以及影响黄土湿陷的因素，对黄土失陷变形的计算的原理进行了说明。

1.3.2桥梁跳车的原因、危害及处理

对湿陷性黄土在路桥过渡地段引起的桥头跳车进行分析，通过对国内外的研究资料得到处理方法。

1.3.3灰土挤密复合地基处理湿陷性黄土的理论分析及可行性研究

关于处理黄土的各种方法中，挤密桩是现在比较实用而且成熟的一种处理方法，它被广泛的应用于各种工程之中，主要是因为它具有成本低、施工简单而且施工速度快等优点，但是挤密桩只是一种在实践中得到证明了方法，其理论的研究远远落后于实践，改善这种方法，建立了一种灰土挤密桩复合地基处理湿陷性黄土，可降低黄土的沉降值。通过各种对比表明其可行性。

第2章 湿陷性黄土的特征

2.1 黄土的成因及分布

土壤的任何性质都和他的起源有些不可分割的联系，对于黄土成因的研究对于研究黄土的湿陷性问题有着一定的推进作用。到目前为止，黄土的成因有着以下的几种解说：风成说、水成说、土壤说和多成因说。黄土的成因是一个特别复杂的问题，目前这几种解说都有一定的道理但是并没有让人完全信服的地点。风成说主要表示黄土是在一定的干旱的大陆性气候下，某些物质被吹到了沙漠的边缘，当这些物质遇到少许的雨水，就会被风化为黄土。但是这并没有说明那些不在沙漠地区同样出现了黄土的问题。水成说对黄土的成因理解为黄土是由于在暴雨导致的水流进行冲刷导致形成了黄土，由此可看出黄土并不会出现在任何地地形中，只有特殊的地形下才能形成黄土。土壤说的普通之处也正是和其他学说不同的特别之处，它表示黄土的形成和其他种类土的原因相差无几，都是经过了各种天然因素导致的形成的植物、水、空气的残积物品。然后这部分土质经过复杂的风化和成壤过程最终变成了黄土。多成因学说对上述的几种学说进行了总结和概括，表示黄土的形成是一个复杂的过程，同时伴随了各种综合因素，各种气候条件、地理区域地形、沉积物的类型都对黄土的形成有着至关重要的联系。

黄土在地球上分布广泛，散布于世界各地，其占地面积达到了1300万平方千米，主要分布于地球上的中纬度地区，在这些地区的气候大多数都是干旱或者半干旱气候，这也侧面的表明了黄土的形成在一定程度上和气候有关系。

我国黄土的问题相对于他国是比较严重的，占地面积达到64万平方千米左右，其中既有湿陷性的黄土大约占有一半，我国的湿陷性黄土主要分布在北纬33°-47°之间。在我们国家的黄土高原地区的沉积现象严重并且其分布非常的集中。黄土高原地区的黄土问题一直以来都是值得去关注的问题。

对于黄土的沉积厚度问题，我国的堆积厚度是最大的。下面介绍几个地区的黄土沉积的厚度来进行说明：巨可查资料的了解，黄土的厚度较浅的应该是欧洲的中部地区了，该地区的黄土的厚度只有几米而已，很少能有超过10米的区域，稍微厚一点的地方例如莱茵河谷地区的厚层黄土也只有２０～３０米。其中了解的厚度稍厚的地区或许是俄罗斯和东欧地区了，这些地区的部分地方的厚度可能达到40-50米。但是这些相对于我国黄河中游地区的黄土高原部分的确是小巫见大巫了，我们的黄土高原地区的黄土堆积厚度值达到了400米以上，这里应该是世界上黄土的沉积厚度最大的地方了。

2.2 湿陷性黄土变形的影响因素

经过各国学者的研究，发现黄土的含水量低，孔隙大。这些条件让黄土对于水分的吸收特别有利。但是由于黄土吸收了水分之后，经过化学和物理作用之后，黄土的内部耦合力将会降低，这也导致黄土地基的强度降低，进一步发生地基的沉降问题。从力学角度进行分析黄土地基的沉降崩坏问题，当黄土地基所承受的剪切应力超过黄土的极限承受剪切应力时，黄土地基就将会发生崩坏现象。那么，影响黄土的可承受应力的因素就间接的边城了影响黄土地基崩坏的因素。

影响黄土崩塌的因素可归结为两个方面：内部和外部。内因主要是由于土壤本身（参照粒子组合物，矿物组成和化学成分），结构和水含量，也就是黄土对于水分的吸入潜力，外因则是水和压力作用。

从黄土的微结构来看，黄土由许多单一的颗粒和团聚体组成，粘土、腐殖质、可溶性盐和水形成的“溶液”与沉积在其中的碳酸钙和硫酸钙形成水泥。骨架颗粒的形态分为粒状和凝块状两种。其颗粒形态在不同的区域的聚集的方式有很大的差异，在我国的西北地区主要以粒装的形式分布，由于黄土中含有大量的碳酸盐，碳酸盐拥有比较大的刚度并且有很好的粘结性，但是由于我国的西北地区的气候原因，这部分地区属于长期干燥的情况，长期的受热蒸发将会时黄土中的碳酸盐达到饱和度而析出，一旦出现降水，则黄土会以很快的速度粘聚，过分的粘聚将会导致这部分的地基在工程的压实中出现欠压实的情形，这有很大的工程隐患，可能出现无预料的危害。相反的，我国的东南区域的降水量高且气候潮湿，黄土中的集粒会出现外包在外层的情形，刚性很差，柔软性高，这些集粒经过环境影响不断地进行软化，软化到一定的程度就会成为凝块，凝块的刚度同样很差，当黄土中的凝块得数目到达一定的值时，作为黄土中的典型特点之一的湿陷性将不复存在。

黄土的物质成分也同样影响着黄土的失陷效果。黄土中的黏土越多，则黄土的湿陷性就会随之变弱，但是其中黄土的颗粒若是小于0.001mm，小于0.001mm的这一部分颗粒对黄土的可收缩性有着很大的影响。影响黄土的湿陷性的主要化学成分是碳酸钙、石膏的含量，这些可溶性盐的含量和存在的形式对是否起着胶结作用有着很大的关系，从而进一步影响着黄土的可湿陷性。

孔隙比一般来说，在一定压力作用下，孔隙比的大小会影响其湿陷系数，孔隙的增加会导致其湿陷系数也随之增加。但是，黄土的孔隙比和其湿陷性的定量关系还是一个未知数，需要我们对此进行研究。一方面是因为黄土的工程性质不仅与孔隙的总体积有关，而且与孔隙的大小和形状密切相关。另一方面，黄土的湿陷性也由土体的微观结构和物质条件决定。这些必须在一定的压力下测量和比较。

含水量对于黄土来说是一个至关重要的问题，含水量的不同会导致黄土的孔隙水压力不同，含水量和孔隙水压力存在着一定的规律，黄土中的含水量越低，可能出出现负孔隙水压力效应。这将会导致这些黄土遇到水之后瞬间解体。

2.3大厚度自重湿陷性黄土的变形机理及计算原理

2.3.1变形机理

关于黄土的湿陷性变形的机理，国内外存在着非常多的解释，其中欠压密理论是目前对于黄土的湿陷性变形的最让他人认可的一种学说。该假说同样表示了黄土在干旱和半干旱的气候下形成。在干旱降水量低的地区，由于这些地区的日照充足，蒸发量会比较大，水分在不断地减少，然后就会导致其中的盐成分达到水分的饱和，就会出现析出，出现胶体的凝结，这对于这种含水量的黄土来说，压实后悔出现欠压密状态，一旦这些黄土地基遇水之后，这些盐类就重新进入水中，由于析出的盐形成的粘聚力将会消失，就可能发生失陷现象。但是这种假说同样还有很多地方不被他人接受，但是人们的观点主要还是下面的两种类型。

其中之一是假设凝聚力减弱或者消失导致黄土失陷，上述的欠压密理论就是这一方面的介绍，另一种假设就是当黏土颗粒膨胀时，土壤的颗粒之间的剪切强度就会变低，这一学说是从黄土的微结构出发，同样也是一种新的学说流派，假设吸附在黏土表面的水分子增加，就将会导致黄土的颗粒骨架崩坏，结构的强度就会受到了影响。黄土就将出现突然坍塌的现象。

当然黄土的坍塌变形机理依然是一个复杂的学问，我们只能对其受力的方面进行说明其坍塌的原理，下面对黄土的结构方面进行一定的说明。

从黄土结构来看，黄土的结构框架的强度取决于黄土中土体集粒的强度和刚度。这些因素和黄土的含水量又有着紧密的联系，含水量直接或者间接的影响着这些强度或者数目的变化。含水量的增加将导致整个黄土地基系统失去稳定性，其实黄土湿陷性不是是化学方面的原因，同样是一个复杂的物理变化过程。

前面已经阐明现在的众多黄土失陷机理的学说并没有一个可以让所有人信服的，也正是因为其变化的复杂性，这种多可能性的也让处理黄土遇到了很多的难题。只有越来越多的经验和实践才能证明操作的可能性。

2.3.2计算原理

黄土的“水力等效” 原理：

此原理发生在浸水实验的基础上，我们发现，在一定的应力状态下，具有稳定变形状态的湿陷性黄土，如果我们只增加其中的应力水平、黄土的厚度或者含水量的增加，都能让黄土的结构增加更多的沉降变形值。也就是说浸水起着与附加荷载等效的作用。其原理可在下图说明

天然含水量为w0的黄土在力p0作用下产生稳定变形s0，然后增加含水量至Ｗ1，产生附加变形为△s。对于初始应力状态风，起始含水量w0下增加一个附加力荷载△ｐ，同样可以大小为△s的附加变形。二者的区别仅在于前者为力荷载未变，只有增湿，后者湿度未变，只有荷载，这个△p就称之为增湿△ｗ时的等效力。

第3章 桥头跳车

3.1 桥头跳车的成因和危害

湿陷性黄土发生在黄土高原公路和桥梁的过渡段。由于不同材料在不同载荷下塑性变形和亚固结沉降不同，材料的塑性变形和二次固结沉降强度低，刚度低，压缩性大。随着时间的推移软化回填填充物的基础和相邻的路基的强度降低并且变形增加。由于平台背面基础强度低而跳跃。桥梁和涵洞以及路基大多是同时建造的。桥梁和涵洞是刚体，它们的基础强度通常要求很高，并且得到加强和稳定。然而，后段填料部分的基础没有被加强，因此基台和回填物不同地变形，从而形成台阶，会有桥头跳跃现象。高速车辆通过桥头时产生的跳跃和冲击会加速桥头，支撑和伸缩缝的损坏，以及车辆部件的损坏，这对道路桥梁和车辆的使用期都造成了严重的威胁，而且这也可能由此引发一系列的交通安全事件的发生，这对高速公路的使用的安全性和舒适性都产生了影响。目前，桥头跳车的现象无法消除，只能通过对路桥过渡段的处理减轻其影响及危害。因此路桥过度段处理方案及施工工艺至关重要。对其沉降分析就显得尤为重要。

在路基连接到支座的位置，路基和支座之间的不平坦很容易由桥的两侧之间的刚度差异引起。由于刚度差导致的路桥过渡处产生不均匀沉降，当沉降值累积达到一定的数值时，车辆在此高级公路上的这一路段的行使将产生额外的应力。额外的应力反而会继续加速地基的沉降，从而导致桥梁和桥梁过渡段的路基。轨道结构的严重变形和破坏，这些问题引起的桥梁在桥梁和桥梁过渡处跳跃的现象，对公路的舒适性构成严重威胁，增加了维护成本，甚至危及公路的安全交通，影响高速公路的现状效益。路桥过渡段的差异沉降问题一直是公路路基研究和治理的重点。过渡部分不均匀结算的主要原因包括以下几点通过现有研究和实际工程总结：(1)地基的沉降变形(2)路基压缩变形过渡段产生了沉降差(3)过渡段设计与施工难控制，导致工程的最后结果情况和预期中有一些区别。

3.2国内外对桥头跳车的研究处理

公路设施这些基础设施往往伴随着经济在不断地发展，随着发展的余姚，国外的很多国家早已对这些过渡段的不均匀沉降问题进行了分析和研究。法国在路基和桥梁的过渡路段通过修建桥台的方式，这一过渡的方式经过实践证明可以实现路基和桥的逐渐刚度，以达到消除桥头跳车的现象。日本在路基和桥梁过渡段设置了砾石充填段以降低危害的发生几率。

国内许多专家学者进行了相关研究，取得了显著的成果结论。李然等结合天津某高速公路连接段水泥搅拌桩地基处理方案，研究了水泥搅拌桩法对软土中桥头跳变现象的影响因素。结果表明，水泥搅拌桩法处理软土地基是可行的。中桥跳头非常有效。胡友常等人对双向土工格栅与平板组合进行了中试研究。结果表明，双向土工格栅加固和短圈圈数的组合可以消除桥头跳车的目的。李辉等人对有关跳桥的研究结果和资料进行了回顾和整理，并从六个角度阐述了跳桥预防病害的新技术。潘晓东等对桥头跳车对交通行使的安全问题进行了分析，他们发现，桥头跳车将导致驾驶员的心理产生很大的负担性心理，这将对驾驶过程产生很大的影响，甚至由此将出现交通安全方面的问题。张耀明等研究了上海内环高架匝道桥头的现状。对产生桥头跳车的原因进行了调查分析，并对此调查研究提出了解决的方案。季晓丽等研究了地聚合物灌浆材料在桥头跳变疾病治疗中的具体应用。结果表明，地聚合物灌浆材料能显著提高回填土的密实度和承载力。