濕陷性黃土地基處理淺析

李曉明

（中鐵三局集團(tuán)第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

1 正確認(rèn)識(shí)和評(píng)價(jià)黃土濕陷性

《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（TB10002.5—2005）中明確指出：黃土的濕陷性應(yīng)按濕陷系數(shù)判定。濕陷系數(shù)是根據(jù)室內(nèi)浸水至飽和后進(jìn)行壓縮試驗(yàn)，在一定壓力下的測(cè)定值。當(dāng)濕陷系數(shù)小于0.015時(shí)，定為非濕陷性黃土，當(dāng)濕陷系數(shù)等于或大于0.015時(shí)，定為濕陷性黃土。

濕陷性黃土的濕陷程度根據(jù)濕陷系數(shù)δs的大小分為3種：

（1）當(dāng)0.015≤δs≤0.03時(shí)，濕陷性輕微。

（2）當(dāng)0.03<δs≤0.07時(shí)，濕陷性中等。

（3）δs＞0.07時(shí)，濕陷性強(qiáng)烈。

2 濕陷性黃土地基對(duì)橋涵等建筑物的影響

在濕陷性黃土地區(qū)修建鐵路和公路，主要是穩(wěn)定與沉降變形問題。黃土具有直立性，在沖溝地段，道路填方高度一般都較高（個(gè)別地段填方高達(dá)19 m），不僅要考慮基礎(chǔ)的傾覆穩(wěn)定，還要考慮橋涵連同土坡或路基沿滑動(dòng)弧面滑動(dòng)的穩(wěn)定性。橋涵病害也常常是由沉降引起的。國家鐵路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)高、交通量大、車速高、路基填土高、濕陷性黃土地基的穩(wěn)定與沉降問題就顯的較為突出，這也是《鐵路橋涵地基和基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》中把濕陷性黃土地基作為專門一類特殊地基的原因之一。

3 濕陷性黃土地基處理方法的選擇原則

黃土濕陷的內(nèi)因是土的多孔性及不抗水的顆粒間聯(lián)結(jié)，其外部原因則是水的浸蝕。因此選擇地基處理方法，應(yīng)根據(jù)建筑物的重要性和它對(duì)沉降的敏感程度、地基被浸水的可能性、地基土的濕陷類別和濕陷等級(jí)、土的變形和強(qiáng)度、地下水的可能變化情況和洪水淹沒的可能性，并考慮施工設(shè)備、施工進(jìn)度、材料來源和當(dāng)?shù)丨h(huán)境等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟(jì)綜合分析比較后確定。

4 西安鐵路樞紐改擴(kuò)建工程地基處理方法

西安鐵路樞紐位于渭河一、二級(jí)階地交界處，地形開闊，地勢(shì)略有起伏，地面高程一級(jí)階地一般為366～367.5 m之間，二級(jí)階地一般為370～400 m之間，一、二級(jí)階地相對(duì)高差約14～18 m。地表層多已開墾為農(nóng)田，地表60 m以下范圍內(nèi)出露的地層主要有第四系全新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土（分布于渭河一級(jí)階地表層），第四系上更新統(tǒng)沖積黏質(zhì)黃土（分布于渭河二級(jí)階地表層），其下為中更新沖積砂類土、粉質(zhì)黏土。鍋底狀地貌分布較多，地表土多為黏質(zhì)黃土，土質(zhì)尚均勻，具大孔隙，有蟲孔，含鈣質(zhì)結(jié)核，硬塑為主，Ⅱ級(jí)普通土，具有不同程度的濕陷性；濕陷層厚達(dá)16～18m。因此，在本工程中選用了多種地基處理方法。

4.1 墊層法

墊層法處理地基是以土治土的一種方法。這種方法在我國已有悠久的歷史，積累了豐富的成功經(jīng)驗(yàn)。墊層法分素土墊層和灰土墊層等。

4.1.1 墊層法的適用條件

（1）僅要求消除基礎(chǔ)底下土層的濕陷性時(shí)。

（2）當(dāng)要求提高土的承載力或同時(shí)要求增強(qiáng)土的水穩(wěn)性時(shí)，宜采用灰土墊層或整片灰土墊層。

（3）地下水位以上。

（4）處理厚度1～8 m。對(duì)于嚴(yán)重和很嚴(yán)重的自重濕陷性黃土，對(duì)重要性建筑物地基宜采用整片處理。

4.1.2 墊層法的技術(shù)要求

（1）墊層法的質(zhì)量用壓實(shí)系數(shù)控制，并應(yīng)符合下列規(guī)定：小于或等于3 m的土（或灰土）墊層，不應(yīng)小于0.95。大于3 m的土（或灰土）墊層，其超過3 m部分不應(yīng)小于0.97。

墊層厚度宜從基礎(chǔ)底面標(biāo)高算起。壓實(shí)系數(shù)λc可按式（1）計(jì)算：

式中：λc：壓實(shí)系數(shù)；

ρd：土（或灰土）墊層的控制（或設(shè)計(jì)）干密度，g/cm3；

ρdmax：標(biāo)準(zhǔn)擊實(shí)試驗(yàn)測(cè)得土（或灰土）的最大干密度，g/cm3。

（2）墊層的承載力特征值。墊層的承載力特征值，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)原位（靜載荷或靜力觸探等）試驗(yàn)結(jié)果確定。當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，對(duì)上墊層不宜超過180 kPa，對(duì)灰土墊層不宜超過250 kPa。

（3）墊層的配合比。施工土（或灰土）墊層，應(yīng)先將基底下擬處理的濕陷性黃土挖出，并利用基坑內(nèi)的黃土或就地挖出的其他黏性土作填料（灰土應(yīng)過篩和拌合均勻），然后根據(jù)所選用的夯（或壓）實(shí)設(shè)備，在最優(yōu)或接近最優(yōu)含水率下分層回填、分層夯（或壓）實(shí)至原地面標(biāo)高以上。

灰土墊層中的消石灰與土的體積配合比，宜為2∶8或3∶7。

當(dāng)無試驗(yàn)資料時(shí)，土（或灰土）的最優(yōu)含水率宜取該場(chǎng)地天然土的塑限含水率為其填料的最優(yōu)含水率。

值得注意的是用黃土作墊層的填料，與用一般黏性土一樣，雖然其他地基參數(shù)都能達(dá)到，但其濕陷性并不是任何ρdmax都能消除的，這是黃土墊層同其他一般土墊層的最大區(qū)別。

另外，灰土中使用的石灰應(yīng)不低于3級(jí)，即生石灰中的活性氧化物（CaO+MgO）不應(yīng)少于60%。當(dāng)石灰級(jí)別偏低，或石灰夾雜物較多時(shí)，應(yīng)適當(dāng)增加石灰劑量。

（4）墊層的處理范圍。整片墊層平面處理范圍，每邊超出建筑物外墻基礎(chǔ)外緣的寬度不應(yīng)小于其厚度，并不應(yīng)小于2.0 m。

4.2 強(qiáng)夯法

本法借助夯錘自由下落的強(qiáng)大沖擊能和所產(chǎn)生的沖擊波反復(fù)夯壓地基土，將夯面以下一定深度內(nèi)的土層夯壓密實(shí)，從而提高地基承載力和穩(wěn)定性（降低壓縮性、消除濕陷性或振動(dòng)液化性），使地基土得以加固處理，以滿足上部建筑物的要求。

關(guān)于強(qiáng)夯法的實(shí)際運(yùn)用問題，我國有一套較好的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)：①夯擊法的布置：一般按方格網(wǎng)或梅花狀布置，夯擊點(diǎn)間距和夯擊遍數(shù)與所需加固土層深度有關(guān)。需加固土層較深時(shí)間距應(yīng)大些，反之應(yīng)小些；第一遍夯擊間距應(yīng)大些，以后幾遍間距應(yīng)小些。夯擊點(diǎn)間距一般為5～15 m。②夯擊點(diǎn)的夯擊擊數(shù)：擊數(shù)與夯擊能大小有關(guān)，但以使土體豎向壓縮最大、側(cè)向位移最小為原則，一般為5～10擊。③夯擊遍數(shù)：一般為1～8遍。含細(xì)顆粒多、透水性弱的地層，加固要求高的工程夯擊遍數(shù)宜多些，反之可少些。兩遍之間的間隔時(shí)間取決于孔隙水壓力的消散情況，一般為2～4周。④強(qiáng)夯加固范圍：一般比擬建建筑物的范圍略大些，通常寬出1/2～1H（H為所需加固土層的深度）。

4.2.1 強(qiáng)夯法的適用條件

（1）地下水位深度應(yīng)低于需處理的深度以下0.5～1.0 m。

（2）處理深度以內(nèi)土的含水率應(yīng)接近土的塑限含水率，飽和度小于60%。

（3）施工時(shí)周圍環(huán)境對(duì)夯擊振動(dòng)無嚴(yán)格限制。

（4）濕陷性黃土厚度3～12 m時(shí)。

（5）在擬夯土層內(nèi)，當(dāng)土的含水率小于10%或大于塑限含水率ωρ+3%時(shí)，對(duì)前者施工前應(yīng)加水增濕至塑限含水率；對(duì)后者應(yīng)采取措施適當(dāng)降低含水率。

4.2.2 強(qiáng)夯法的機(jī)具設(shè)備及參數(shù)的確定

（1）覆帶起重機(jī)穩(wěn)定性好、耐振動(dòng)，要求起重能力不小于夯錘重的1.5倍，吊臂長度應(yīng)保證夯錘起吊高度的要求，吊臂在滿足起重重量下，回轉(zhuǎn)半徑不小于6 m；為防止夯錘在空中脫鉤后仰，在吊臂中段應(yīng)加設(shè)彈性支撐。

（2）夯錘重力為100～200 kN，落距為10～20 m，錘底靜壓力為25～40 kPa，錘底直徑為2.3～3.0 m。

（3）消除濕陷性土層厚度，即按式（2）計(jì)算：

式中：H：消除濕陷性土層厚度（m），從夯擊終止時(shí)的夯面算起，至δs<0.015土層頂止；

Q：夯錘重力，kN；

h：夯錘落距，m；

a：因土質(zhì)而異的修正系數(shù)，一般取0.3～0.5，土的含水率適中時(shí)取大值，其他情況可取小值。

4.2.3 強(qiáng)夯法的效果

濕陷性黃土地基經(jīng)強(qiáng)夯法處理后，一般可轉(zhuǎn)變?yōu)榉菨裣菪缘鼗蛔灾貪裣菪渣S土經(jīng)強(qiáng)夯法的處理，上層有5～8 m厚的土層形成隔水層，對(duì)下部未處理的濕陷性土層起到良好的防水保護(hù)作用。濕陷性黃土地基經(jīng)強(qiáng)夯法處理后，可用來作為荷載大、嚴(yán)格控制不均勻變形的建（構(gòu)）筑物的地基。

實(shí)踐證明，應(yīng)用強(qiáng)夯法處理濕陷性黃土地基，質(zhì)量好、工期短、造價(jià)低，具有顯著的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果。在濕陷性黃土地區(qū)推廣應(yīng)用強(qiáng)夯法，對(duì)改變當(dāng)前處理地基工期長、費(fèi)用高的局面，加快建筑速度，降低工程造價(jià)有現(xiàn)實(shí)意義。

4.3 擠密法

1968年以來，對(duì)濕陷性黃土地基處理，我國開始大量采用擠密樁方法，并取得了良好的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)效果。

4.3.1 灰土擠密樁處理地基的適用條件

（1）地下水位以上。

（2）處理深度以內(nèi)土的飽和度Sr<65%。

（3）濕陷性黃土厚度<20 m。

4.3.2 擠密樁的技術(shù)要求

（1）采用擠密法時(shí)，對(duì)甲、乙類建筑或在缺乏建筑經(jīng)驗(yàn)的地區(qū)，應(yīng)于地基處理施工前，在現(xiàn)場(chǎng)選擇有代表性的地段進(jìn)行試驗(yàn)或試驗(yàn)性施工，試驗(yàn)結(jié)果應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求，并應(yīng)取得必要的參數(shù)再進(jìn)行地基處理施工。

（2）擠密孔的孔位宜按正三角形布置。孔心距可按式（3）計(jì)算：

式中：S：孔心距，m；

D：擠密填料孔直徑，m；

d：預(yù)鉆孔直徑，m；

pdo：地基擠密前壓縮層范圍內(nèi)各層土的平均干密度，g/cm3；

pdmax：擠密填孔（達(dá)到D）后，3個(gè)孔之間土的平均擠密系數(shù)，不宜小于0.93。

（3）孔底在填料前必須夯實(shí)。孔內(nèi)填料宜用素土或灰土，必要時(shí)可用強(qiáng)度高的填料如水泥土等。當(dāng)防（隔）水時(shí)，宜填素土；當(dāng)提高承載力或減小處理寬度時(shí)，宜填灰土、水泥土等。填料時(shí)，宜分層回填夯實(shí)，其壓實(shí)系數(shù)不宜小于0.97。

（4）成孔時(shí)可選用沉管（錘擊或振動(dòng)）、爆擴(kuò)、夯擴(kuò)、沖擊等方法。含水率ω<10%或ω>23%的地基土不宜用爆擴(kuò)擠密。

（5）成孔擠密宜由外向里，間隔分批進(jìn)行，并應(yīng)預(yù)留擾動(dòng)層。其厚度當(dāng)機(jī)械孔時(shí)為0.3～0.7 m，爆擴(kuò)成孔時(shí)為1～2 m。

（6）處理范圍：①局部處理的非自重濕陷性黃土地基，每邊應(yīng)超出基礎(chǔ)邊緣0.25 B（B為基礎(chǔ)寬度），不應(yīng)小于0.5 m。②局部處理自重濕陷性黃土地基，每邊宜超出基礎(chǔ)邊緣0.75 B，并不應(yīng)小于1 m。③整片處理，每邊超出建筑外墻外緣的寬度，不宜小于處理厚度的1/2。

4.4 荷載傳遞法-樁基礎(chǔ)

采用樁基礎(chǔ)穿過濕陷性黃土層免受地基濕陷的危害，是很早就應(yīng)用的一種地基處理方法。

濕陷性黃土地基有時(shí)太厚，用其他方法處理難度大、不經(jīng)濟(jì)；或是建筑物很重要，對(duì)地基變形量的控制要求很高，其他處理措施難以達(dá)到，此時(shí)采用荷載傳遞法較好。即將上部結(jié)構(gòu)的荷載通過穿過整個(gè)濕陷性黃土層的樁基礎(chǔ)傳遞給下部堅(jiān)實(shí)的非濕陷性土層。這種方法的特點(diǎn)是具有很高的可靠性，上部土層即使浸水，也可完全避免因上部土層濕陷性而造成的危害。其次，樁基礎(chǔ)承載高、沉降速率慢、沉降量小而均勻。

實(shí)際上，這種方法已超出了濕陷黃土地基的處理范圍，它已不把濕陷性黃土層作地基使用了，而將其下部堅(jiān)實(shí)的非濕陷性土層作為地基，作為荷載的最終承受單元。但可將這種方法視作地基處理的一種極端措施。

5 結(jié)束語

鐵路或公路經(jīng)過濕陷性黃土地區(qū)，對(duì)濕陷性黃土地基處理問題的研究越來越受到有關(guān)方面和科研技術(shù)人員的重視。設(shè)計(jì)人員在掌握了解了詳細(xì)的勘察資料后，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐木唧w情況和積累的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，通過必要的分析和計(jì)算，確定濕陷性黃土地基是否需要處理，采用什么處理方法經(jīng)濟(jì)合理有效。在設(shè)計(jì)和施工中還可以結(jié)合具體工程條件，采用其他（如預(yù)浸水法、碎石樁法等）經(jīng)試驗(yàn)或工程實(shí)踐證明行之有效的方法。

施工人員對(duì)濕陷性黃土地基問題既要十分重視，又不能過于保守，合理選用處理黃土濕陷性方法，這對(duì)加快建筑速度、降低工程造價(jià)具有現(xiàn)實(shí)意義。