濕陷性黃土地區地基處理方法研究

盧培剛　盛　誼

摘要 本文總結了濕陷性黃土的工程特性和產生濕陷性的原因,提出了濕陷性評價應注意的問題;并重點研究了幾種常用濕陷性黃土地基處理方法,分析了其適用條件和施工中應注意的問題,為解決此類巖土工程問題提供了方法和思路。

關鍵詞 濕陷性黃土;工程特性;評價;地基處理

中圖分類號 TU444 文獻標識碼 A文章編號 1674-6708(2009)05-0081-02

0 引言

隨著西部開發和能源基地建設,中西部地區大、中型工程不斷增多,要求地基具有較高的承載力與較小的變形,尤其對差異變形有著較高的要求。而中西部地區黃土或濕陷性黃土分布廣泛,黃土在浸水情況下極易產生大幅沉降或不均勻沉降,導致建(構)筑物地基變形,基礎拉裂,給工程帶來不可估量的損失。另外,地基處理的費用一般占工程總造價的8%左右,甚至更高,工期為總工期的1/4左右,因此,地基處理方案的優化對保證工程質量和控制工程造價起著重要作用。因而,當前在分析濕陷性黃土工程特性的基礎上,研究濕陷性評價中需注意的問題,總結探索濕陷性黃土地區地基處理方法就有著十分重要的意義。

1 濕陷性黃土的工程特性

濕陷性黃土主要為新近堆積黃土,多為風積和沖積的粉粒土與碳酸鹽等易溶鹽類膠結體,以粉土顆粒為主,占總重量約50%~70%,塑性指數一般為7~13。天然狀態下,濕陷性黃土多呈非飽和狀態,含水率為10%~20%;剖面上具有垂直解理,多蟲孔,有植物根,孔隙比一般在1.0左右或更大;顆粒間具有較大的結構強度,屬中、高壓縮性土,壓縮系數α為0.2~0.6,承載力較高,變形量較小。而一旦受水浸濕后,在自重或一定荷載作用下,土的結構迅速破壞,土體的抗剪強度、承載力都顯著降低,產生顯著的附加下沉。

黃土濕陷性的原因一直是國內外巖土工程界探求的重要課題,歸納起來主要是內外兩方面的因素——黃土受水浸濕和荷載作用是濕陷發生的外因,黃土的結構特征及物質成分是產生濕陷性的內在原因。

黃土中含有大量的可溶鹽,如以較難溶解的碳酸鈣含量為主,則濕陷性減弱,而其他碳酸鹽、硫酸鹽和氯化物等易溶鹽含量越多,則濕陷性越強;粘粒的含量增多時,特別是當粒徑小于0.001mm的土粒含量大于20%,骨架顆粒之間又具有較大的膠結作用時,則土的濕陷性降低。當液限在30%以上時,黃土的濕陷性較弱,且多為非自重濕陷性黃土,當液限小于30%時,則濕陷性一般較強;當黃土的含水量低于塑限時,水分變化對強度的影響最大,隨含水量增加土的強度降低較多,但當含水量大于塑限時,含水量對抗剪強度的影響減小,而超過飽和含水量時,抗剪強度的變化就不大。黃土的濕陷性還與外加壓力有關,外加壓力大濕陷量也顯著增加,但當壓力超過某一數值時,再增加壓力,濕陷量反而減少。

2 黃土濕陷性評價中應注意的問題

在黃土地基的濕陷性評價中,包括三個方面的內容:判定黃土是濕陷性的還是非濕陷性的;如果濕陷性的,還要進一步判定濕陷黃土場地的濕陷性類型,是自重濕陷性的還是非自重濕陷性的;判定濕陷性黃土地基的濕陷性等級。在場地濕陷性評價中應注意以下幾個方面的問題:

1)自重濕陷量的起算地面

黃土規范中規定自重濕陷量△zs的計算值,應自天然地面算起,至其以下非濕陷性黃土層頂面止。自重濕陷量的計算值與起算地面有較大的關系,起算地面標高不同,往往導致場地濕陷類型不同。如某場地在勘察期間判定為非自重濕陷性黃土場地,而在整平場地時部分地段填方厚度達3m～4m,對下部土層的壓力增大,超過了場地的濕陷起始壓力值,變成了自重濕陷性黃土場地。由此可見,當場地的挖方和填方的厚度和面積較大時,測定自重濕陷系數的試驗壓力和自重濕陷量的計算值,均應自整平后的(或設計)地面算起,否則,計算和判定結果不符合現場實際情況。

2)黃土地基承載力特征值修正

黃土規范中規定當基礎寬度b>3.0m或基礎埋深d>1.5m時,地基承載力特征值應進行修正,而《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2002)規定當基礎寬度b>3.0m或基礎埋深d>0.5m時,地基承載力特征值應進行修正,應注意這兩個規范的差異,這可能是d=1.5m范圍內的濕陷性黃土易受水浸濕,強度易受擾動而降低,側限作用不明顯,同時也考慮了濕陷性黃土地基的承載力要有一定的安全儲備而使設計保守些。

3)濕陷性地區的地下水上升問題

陜西關中地區、河南三門峽水庫附近和山西某些地區由于降雨量較大、城市大量污水滲入地下、灌溉和污水渠道以及蓄水庫的不滲漏等原因,地下水位普遍上升。這應該引起相當的注意,查清當地地下水的上升情況和原因;盡可能避免在地下水位劇烈上升地區建筑;地下水位上升地區黃土的承載力和壓縮性指標應按地下水位上升后的情況考慮采用;在自重濕陷性黃土地區,主要還是采取措施以防止地下水位上升。對有可能上升的III、IV級濕陷性黃土地基上的建筑,應消除地基的全部濕陷性或采取深基礎或樁基礎直接支承在堅實的非濕陷性土層或巖層上。

3 濕陷性黃土地區地基處理方法研究

濕陷性黃土地基的主要工程問題是在上部荷載、浸水作用下產生大幅度的不均勻沉降變形,地基承載力大幅度降低,從而導致地基破壞。目前,主要從以下幾方面進行處理:

1)消除基礎下地基土的濕陷性

常用的方法有換土墊層、重錘夯實、強夯、擠密樁等。

(1)墊層法是一種處理淺層濕陷性黃土地基的傳統方法,適用于地下水位以上,局部或整片處理的濕陷性黃土地基。當僅要求消除基底以下1m~3m濕陷性黃土的濕陷量時,宜采用局部土墊層進行處理,如需提高墊層土的承載力及增強水穩性時,宜采用整片灰土墊層進行處理。這種方法具有較好的抗滲性,抗凍性,而且可以就地取材,造價低,施工方便,技術性不強,易于保證質量,經處理地基承載力可達250kPa,土墊層可達180kPa。需注意的是,不論地基的濕陷等級如何,都不能采用砂土這樣的透水性材料做墊層,以免地基被水浸濕。

(2)重錘表面夯實適用于處理飽和度不大于60%的濕陷性黃土地基可以消除基底以下1.2 m~1.8m濕陷性黃土層。在夯實層的范圍內,土的物理、力學性質顯著改善,平均干密度明顯增大,壓縮性降低,濕陷性消除,透水性減弱,承載力提高。非自重濕陷性黃土地基,其濕陷起始壓力較大,當用重錘處理部分濕陷性黃土層后,可減少甚至消除黃土地基的濕陷變形。因此在非自重濕陷性黃土場地采用重錘夯實的優越性較為明顯。

(3) 強夯法是在重錘夯實的基礎上發展起來,工藝和設備基本類似,但強夯法的夯擊功能較重錘表層夯實法的夯擊功能大得多,因此,地基的夯沉量和有效夯實厚度亦大得多。強夯法還可將預留夯實的表層土直接夯成基坑或基槽,從而大大減少地基土方的開挖。采用強夯法處理時,應注意兩個問題:

① 在擬夯實的土層內,土的天然含水量宜低于塑限含水量1%~3%。不然應采用晾干或增濕等手段,接近最優含水量。

② 注意上下土層的均勻性問題。如中間存在粘粒含量較高的夾層,極易產生局部含水量富集.雖經大能量夯擊.但土中不易產生裂隙.產生的超孔隙水壓力不易消散.造成夯擊能量不能向下傳遞.影響強夯的加固效果。這時應考慮選擇強夯法處理黃土濕陷性是否合適。

強夯法是處理濕陷性黃土地基最經濟的一種方法,施工簡單、效率高、工期短、對濕陷性黃土濕陷性消除的深度較大,一般可達8m~10m;缺點是振動和噪聲較大。

(4) 灰土擠密樁復合地基?；彝翑D密樁的適用于地下水位以上,含水量為14%~22%左右濕陷性黃土。在成孔和夯實過程中,原處于樁孔部位的土全部擠入周圍土層中,使距樁周一定距離內的天然土得到擠密,從而消除樁間土的濕陷性并提高承載力。樁底穿過濕陷性黃土層,傳力于其下的持力層上?；彝翑D密樁地基其上部荷載由樁和樁間土共同承擔,擠密后的地基為復合地基,上部荷載通過它往下傳遞時應力要擴散,而且比天然地基擴散的更快,在加固深度以下,附加應力將大大減小?；彝翑D密樁對地基的加固處理效果,不僅與樁距有關,還與所處理的厚度和寬度有關,擠密孔的孔位宜按正三角形布置。擠密法技術可靠,施工簡便,工期短,不用或少用機械設備及熟練工人,適應性強,且就地取材,費用較低,施工質量易于控制及檢測,處理深度5m~l5m。

(5)孔內深層夯擴樁亦稱渣土樁,近年在濕陷性黃土地區也開始應用,它充分利用建筑垃圾,變廢為寶,施工現場干凈無污染?？變忍盍弦话銥樗赝粱蚧彝?或建筑物垃圾和廢料。成孔后,孔內分層夯填時,對孔周圍土體進行擠密,其擠密的影響范圍與夯錘的夯擊能量有關,在消除孔周圍土體濕陷性的同時提高地基土的承載力,在成孔過程中對樁間土的擠密已完成絕大部分,而孔內夯擴樁對樁間土的擠密則在孔內充填土料的過程中完成。其對地基的處理深度較深,可達20m左右,而且無地下水的限制。

(6)預浸水法適用于處理濕陷性黃土層厚度大于10m的自重濕陷性黃土場地,地基濕陷等級為Ⅲ級或Ⅳ級,可消除地面下6m以下土層的全部濕陷性,6m以上土層的濕陷性也可大幅度減小。浸水前應通過現場試坑浸水試驗確定浸水時間、耗水量和濕陷量等。為防止在浸水過程中影響周邊鄰近建筑物或其他工程的安全使用以及場地邊坡的穩定,要求浸水坑邊緣至鄰近建筑物的距離不宜小于50m,浸水坑的邊長不得小于濕陷性黃土層的厚度,當浸水坑的面積較大時,可分段進行浸水;浸水坑內的水頭高度不宜小于300mm,連續浸水時間以濕陷變形穩定為準,其穩定標準為最后5d的平均濕陷量小于lmm/d。地基預浸水結束后,在基礎施工前應進行補充勘察工作,重新評定地基土的濕陷性,并應采用墊層或其他方法處理上部濕陷性黃土層。但是預浸水后基礎下土層含水量過高,接近于飽和狀態致使后續工作無法正常進行,這也正是預浸水處理的弊端。

2)建筑物基礎穿透濕陷性黃土層

將上部結構的荷載通過樁尖直接傳遞于濕陷土層以下的持力層上。在非自重濕陷性黃土地區,樁底端應支承在壓縮性較低的非濕陷性土層(巖層)中。對自重濕陷性黃土場地,樁底端應支承在可靠的持力層中。濕陷性黃土地區樁基礎一般采用打入樁、靜壓樁、鉆孔或人工挖孔灌注樁以及沉管灌注樁等,近年來使用較多的為鉆孔(或人工挖孔)灌注樁、靜壓樁以及沉管灌注樁。與其他地區所用樁基礎不同的是,當濕陷性黃土浸水后,樁身與樁間土之間的摩擦力大大降低,還會產生負摩擦力,因而應在樁的承載能力上減去樁的負摩擦力。正負摩擦力的大小,應通過現場試驗確定。

4 結論

濕陷性黃土在全國分布較廣,各地區積累的工程經驗也不盡相同,在具體選用濕陷性黃土的處理方法時,應根據建筑場地的濕陷性類別、濕陷等級以及土體厚度等特點,遵循技術先進、經濟合理、安全適用、確保質量的原則,首先考慮因地制宜和就地取材等原則,并根據施工技術可能達到的條件,經過技術經濟對比予以選用,必要時也可以幾種方法綜合考慮來使用。

參考文獻

[1]高偉,袁翠平.濕陷性黃土地基的常用處理方法[J].江蘇建材,2008(2):51—52.