濕陷性黃土地基設計

聶衛(wèi)東 （河北省建筑材料工業(yè)設計研究院，河北 石家莊 050051）

1 黃土成因及分布特點

1.1 黃土特征

黃土是我國地域分布最廣的一種特殊性土類，它是第四紀的一種特殊堆積物。其主要特征為：顏色以黃為主，有灰黃、褐黃等；含有大量粉粒，一般在55%以上；具有肉眼可見的大孔隙，孔隙比在1.0左右；富含碳酸鹽類；無層理，垂直節(jié)理發(fā)育；具有濕陷性和易溶蝕、易沖刷性等；對工程建設有特殊的危害性。

1.2 黃土分布

我國黃土主要分布于北緯34°～45°之間，面積達60×104km2的干旱和半干旱區(qū)內(nèi)，而以黃毒高原的黃土分布最為集中，沉積最為典型。黃土高原的范圍是以太行山以西、日月山以東、秦嶺以北，長城以南。黃土的成因特征主要是以風力搬運堆積為主。黃土的堆積厚度以洛河和涇河流域的中下游地區(qū)為中心，由此向東西兩邊逐漸減薄，濕陷性逐漸降低。濕陷性黃土約占我國黃土分布面積的60%左右，主要分布于黃河中、下游地區(qū)，并具有自東向西、自南向北其濕陷性逐漸加劇的規(guī)律[1]。

1.3 黃土成因

黃土的成因主要以風力搬運堆積為主，從西北黃土高原到華北的山西、河南一帶，黃土厚度逐漸變薄，濕陷性逐漸降低。黃土因沉積的年代不同在性質(zhì)上有很大的差異，晚更新世(Q3)及以后的黃土有因成因不同而有明顯差別。原生黃土具有風沉積的全部特征黃土沉積后，經(jīng)后期其他地質(zhì)作用改造再沉積的類似黃土的沉積物，成為次生黃土。黃土沉積年代越久，大孔結(jié)構(gòu)退化，土質(zhì)越趨密實，強度高壓縮性小，濕陷性減弱，甚至不具濕陷性。反之黃土特征明顯。黃土地層劃分見表1。

黃土地層劃分表 表1

2 濕陷性黃土地基設計要點

2.1 黃土濕陷性判定

黃土濕陷性用濕陷系數(shù)δs判定，即在給定的壓力下，由浸水所造成的相對變形值。土的自重壓力大于起始壓力而產(chǎn)生的濕陷，稱為自重濕陷。土的自重壓力加上建筑物的附加壓力后而產(chǎn)生的濕陷，稱為非自重濕陷。劃分這兩類濕陷性黃土地基，一般采用現(xiàn)場試坑浸水的方法。當實測濕陷量大于7cm時,即定為自重濕陷性黃土地基；在沒有現(xiàn)場試驗條件時，也可根據(jù)室內(nèi)試驗并結(jié)合當?shù)氐慕ㄖ?jīng)驗確定。

2.2 黃土濕陷機理

黃土濕陷的機理通常認為是由于黃土的結(jié)構(gòu)特性和膠結(jié)物質(zhì)的水理特性決定的[1]。黃土的顆粒組成以粉粒為主，達50%以上。黃土中的粘粒部分被膠結(jié)成集?；蚋皆谏傲＜按址哿５谋砻妗｜S土中的粉粒和集粒共同構(gòu)成了支承結(jié)構(gòu)的骨架，較大的砂粒則“浮”在結(jié)構(gòu)體中。由于排列比較疏松，接觸聯(lián)系點較少，構(gòu)成一定數(shù)量的架空孔隙，形成了黃土的高孔隙度，故黃土又稱為“大孔土”。

黃土是在干旱或半干旱的氣候條件下形成的，可溶鹽逐漸濃縮沉淀而成為膠結(jié)物。這些因素增強了土粒間抵抗滑移的能力，阻止了土體的自重壓密。

黃土受水浸濕時，結(jié)合水膜增厚楔入顆粒之間，可溶鹽類溶解和軟化，骨架強度減低，土體在上覆圖層的自重壓力或在附加壓力和自重壓力共同作用下土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，土粒滑向大孔，粒間孔隙減小，迅速形成沉降。這就是黃土濕陷的機理。

2.3 濕陷性黃土地基評價

濕陷性黃土地基的濕陷性等級，應根據(jù)濕陷量的計算值和自重濕陷量的計算值等因素，按表2分級，作為地基設計及處理的依據(jù)。

濕陷性黃土地基的濕陷性等級 表2

2.4 黃土地基設計基本措施

在濕陷性黃土場地上的建筑物，應根據(jù)其重要性、地基受水浸濕可能性的大小和使用期間對不均勻沉降的限制程度，分為甲、乙、丙、丁四類，并采取相應的防止或減小建筑物地基浸水濕陷的設計措施。

設計時可將建筑物的荷載與上覆土重之和控制在濕陷起始壓力以內(nèi)，這樣可以使建筑物地基遇水時不致產(chǎn)生濕陷。當濕陷起始壓力過小而難以滿足上述要求時，或者在自重濕陷性黃土地基上進行建筑時，則要根據(jù)建筑物的重要性和地基的濕陷等級采取相應的地基處理、防水和結(jié)構(gòu)等措施。

地基處理措施：處理全部濕陷性土層或采用樁基將建筑物的荷重支撐在下部非濕陷性土層的地基上；處理一定深度內(nèi)濕陷性土層，使剩余的濕陷量達到不致危害建筑物安全使用的程度。

防水措施：防止或減少建筑物地基受水浸濕的防護措施。貯水構(gòu)筑物和輸水管道離開建筑物一定距離，以免漏水殃及建筑物地基；或增設防止漏水和檢查漏水的專門設施等。

結(jié)構(gòu)措施：減少建筑物不均勻沉降和使建筑物能適應地基局部濕陷變形的措施，選用適宜的上部結(jié)構(gòu)和基礎型式，以加強結(jié)構(gòu)的整體性和空間剛度；使構(gòu)件連接處有足夠的支承長度；以及使建筑物預留適應地基變形的凈空以減少局部濕陷所造成的危害等。

2.5 樁基工程設計重點

在濕陷性黃土層厚度大于或等于10m的場地，對采用樁基礎的建筑，應按規(guī)范附錄H的試驗要點確定單樁豎向承載力特征值。當現(xiàn)場浸水載荷試驗有困難時，可按有關經(jīng)驗公式進行估算。

在非自重濕陷性黃土場地，當自重濕陷量的計算值小于70mm時，單樁豎向承載力的計算應計入濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力。在自重濕陷性黃土場地，除不計自重濕陷性黃土層內(nèi)的樁長按飽和狀態(tài)下的正側(cè)阻力外，尚應扣除樁的負摩阻力。對樁負摩阻力進行現(xiàn)場式樣確有困難時，可按表3的數(shù)值估算。

樁側(cè)平均負摩阻力特征值（kPa） 表3

為提高樁基的豎向承載力，在自重濕陷性黃土場地，可采用減小樁基負摩阻力的措施。如盡量采用非擠土樁或?qū)ξ挥谥行渣c以上部位的樁側(cè)表面進行處理，以減小樁側(cè)負摩阻；樁基施工前可采用強夯、擠土樁等進行處理，減小或消除濕陷。

3 濕陷性黃土地基處理方法

濕陷性黃土地基處理原理，主要是破壞濕陷性黃土的大孔結(jié)構(gòu)，以便全部或部分消除地基的濕陷性，以下為幾種工程常用的處理方法[3,4]。

3.1 換填法

換填法是一種淺層處理濕陷性黃土地基的傳統(tǒng)方法，在濕陷性黃土地區(qū)廣泛應用，具有因地制宜、就地取材和施工方便等特點。根據(jù)工程實際情況可局部換填和整片換填，以便消除地基的部分或全部濕陷量。

換填設計主要包括墊層的厚度、寬度、夯實后的壓實系數(shù)和承載力設計值的確定等方面。墊層設計的原則是既要滿足建筑物對地基變形及穩(wěn)定的要求，又要符合經(jīng)濟合理的要求。

3.2 夯實法

夯實法包括重錘表層夯實和強夯法兩種。重錘夯實是在夯實層范圍內(nèi)，土的物理、力學性質(zhì)獲得顯著改善，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。強夯法是將一定重量的重錘以一定落距給予地基以沖擊和振動，從而使一定范圍內(nèi)的地基強度提高、孔隙擠密，達到增大壓實度、改善土的振動液化條件、消除濕陷性黃土的濕陷性等目的。

夯錘重量、落距、錘底面積、錘底靜壓力等夯實設計參數(shù)以及夯擊次數(shù)與夯實效果，均可在現(xiàn)場通過試夯確定，也可根據(jù)土性指標和設計要求的有效夯實厚度確定。

3.3 擠密樁法

擠密樁法包括灰土擠密樁和土樁，適用于地下水位以上稍濕的濕陷性黃土和人工填土等地基，通過成孔設備或爆炸能量所產(chǎn)生的橫向擠壓作用形成樁孔，孔內(nèi)的土被擠向周圍，使樁間土得以擠密，然后將素土或灰土分層填入樁孔內(nèi)，并分層夯實至設計標高，從而徹底改變土層的濕陷性質(zhì)并提高其承載力。

對重要的建筑物和缺乏工程經(jīng)驗的地區(qū)，須在工程施工前，選擇有代表性的場地進行試驗或試驗性施工，必要時應按實際的測試結(jié)果，對設計和施工參數(shù)進行調(diào)整。

擠密樁設計參數(shù)包括樁孔的深度、間距、數(shù)量和平面布置等內(nèi)容。

3.4 樁基礎

樁基礎是將上部荷載傳遞給樁側(cè)和樁底端以下的土（或巖）層，采用挖、鉆孔等非擠土方法而成的樁，在成孔過程中將土排出孔外，樁孔周圍土的性質(zhì)并無改善。但設置在濕陷性黃土場地上的樁基礎，樁周土受水浸濕后，樁側(cè)阻力大幅度減小，甚至消失，當樁周土產(chǎn)生自重濕陷時，樁側(cè)的正摩阻力迅速轉(zhuǎn)化為負摩阻力。設計樁基礎除樁身強度必須滿足要求外，還應根據(jù)場地工程地質(zhì)條件，采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁（包括端承樁和摩擦端承樁），其樁底端以下的受力層:在非自重濕陷性黃土場地，必須是壓縮性較低的非濕陷性土（巖）層;在自重濕陷性黃土場地，必須是可靠的持力層。

樁基礎設計的重點在樁側(cè)負摩阻，其影響因素主要有負摩阻發(fā)生的位置即中性點位置和負摩阻數(shù)值的大小。

3.5 化學加固法

常用化學加固法有硅化加固法和堿液加固法。硅化加固是一種快速改造不良地基土的方法，包括單液硅化和雙液硅化，利用帶孔眼的花管將硅酸鈉溶液或硅酸鈉和氯化鈣兩種溶液注入土中。根據(jù)溶液注入方式可分為壓力單液硅化、壓力雙液硅化和電動雙液硅化。地下水位以上的濕陷性黃土一般采用單液硅化，地下水位以下的飽和黃土一般采用雙液硅化比較合適。硅化加固的優(yōu)點是能較快的制止欲加固的地基不產(chǎn)生有害變形，對已有建筑物的地基加固有獨到之處，不受季節(jié)氣候影響。

堿液加固也分單液和雙液兩種。當土中可溶性和交換性的鈣、鎂離子含量較高時，以氫氧化鈉一種溶液注入土中可獲得較好的加固效果；反之，當土中鈣、鎂離子含量較高低時，應采用以氫氧化鈉和氯化鈣兩種溶液先后分別注入土中可獲得較好的加固效果。

設計參數(shù)主要是灌注孔的布置和溶液用量的計算。灌注孔的距離與土的滲透系數(shù)、灌注溶液的壓力、時間以及溶液的粘滯度等因素有關，可通過單孔灌注試驗確定。

4 結(jié) 語

濕陷性黃土在黃土地區(qū)分布較廣，近年來大量的工程建造于這一特殊土上，積累了豐富的經(jīng)驗，以上的分析和總結(jié)可方便設計和施工應用，對工程實際運用有一定的指導意義。

[1]高大釗.土力學與基礎工程[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012.

[2]GB50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2004.

[3]羅宇生.濕陷性黃土地基處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2008.

[4]王軍平.對深厚濕陷性黃土地基處理的探討[J].西北水電,2004(2).