濕陷性黃土地區高層建筑地基基礎設計分析

辛愛華（甘肅建苑建筑設計院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

一般情況下，黃土在內部附加應力和其上部覆蓋層的重力作用下，水會破壞黃土內部的機構，導致下沉現象，減少黃土強度。并不是所有的黃土都具備濕陷性的特征，具有濕陷性的黃土一般都是距離地表較近的黃土土質類型，大約為幾十米。同時黃土的濕陷性特征是導致其發生變形的重要原因，很容易造成地基沉降和變形、地面開裂等嚴重問題，在上部建造的建筑物安全也會受到影響。由此在濕陷性黃土地質區域建設高層建筑期間，一定要嚴格勘測當地的地基特征，分析黃土的類型和強度，選擇合適的地基處理方法，進而減少黃土濕陷性特征，提升建筑物建設的穩定性。

1 影響黃土濕陷性的相關因素

1.1 黃土微粒的影響

在黃土微粒中，其所含有的微粒含量和膠結作用呈現的是正比關系。黃土表現出濕陷性特征主要是微粒含量少，粒徑在2μm以下顆粒含量少就可導致濕陷性黃土的出現，并且如果微粒數量少，其內部也不能產生立體鑲嵌的形式，整個結構膠結強度也會隨之降低，造成較為嚴重的濕陷性狀況。

1.2 可溶鹽的影響

目前所了解的黃土地質類型中，易溶鹽和難溶鹽屬于其熔鹽的主要成分，二者和黃土內部水分量存在著直接的關系。如果黃土內部水分含量少，那么此時易溶鹽會以固態的形式呈現，以骨架支撐的形式提升黃土內部的強度。此時的黃土強度也會隨之提升[2]。隨著黃土內部水分含量的提升，表現出極強的濕陷性特征，此時難溶鹽會增強膠結的作用，以骨架支撐的方式提升黃土強度。如果難溶鹽在黃土內部的含量較高，那么黃土則不會出現十分明顯的濕陷性特征。

1.3 含水率的影響

在黃土地質情況下，如果其本身天然的含水量較低，在吸水之后就會產生較大的形變，此時黃土濕陷性較弱[3]。在天然狀態下如果黃土含水量高，此時其內部應力會保持長期平衡的狀態，降低濕陷性。如果其含水量超出25%，并且黃土高度低于地下水位，也不會出現十分明顯的濕陷性特征。

1.4 干重度的影響

黃土孔隙狀況可被表示為干重度。干重度與黃土濕陷性程度成反比，即干重度越大，孔隙越小，黃土吸水性弱，其本身的濕陷性也不會十分明顯[4]。

2 工程概況

A市人民醫院拆遷改建項目，其中住院部共設計地上14層，地下1層，總高度為54.95m，建筑面積為48620m2，整體結構選擇框架--剪力墻。本建筑設計抗震防裂度為8度，基本地震加速度值為0.20g，場地為Ⅱ類，特征周期為0.40s。該建筑地基的基礎設計等級為乙級，建筑物設計標高±0.000表示黃海高程系統的絕對標高，具體數值為1810.00m。

3 施工區域地層勘測描述

該工程建設區域為人民醫院的南側，場地地貌的單元屬于清水河三級階地。擬建場地本身具有較大的起伏，中部具有沖溝，方向為西南→東北，寬度為35.0m～55.0m，底部的標高為1800.08m～1801.45m，深度為6.0m～10.0m，長度為300m。在沖溝的兩側存在多個窯洞，目前還沒有發現存有地下空洞等不良的工程地質狀態。在溝內含有直徑為10cm～12cm的樹木幾百顆。

在本次工程建設中，最大的勘測深度為30.5m，自上而下分為四層，每一層的物理力學指標如表1所示，其中該場地屬于非液化場地的形式。

表1 地基土層結構和承載力標準值等指標統計

4 施工區域土層濕陷性評價

結合《濕陷性黃土地區建筑規范》（GB50025-2004）中國濕陷性黃土工程地質分區略圖可以明確，該地質屬于Ⅱ區，場地內的第①層素填土和第②層黃土狀粉土在自然地面以下到0.0～17.5m的范圍內具備一定的濕陷性，濕陷系數δs=0.015～0.150，濕陷性表現為輕微→強烈，中等為主。自重的實現系數為δs=0.016～0.112，最大的濕陷深度為17.5m，經過相關計算，可得出總濕 陷 量 為：Δs=24.0mm～846.0mm，自 重 的 濕 陷 量Δzs=26.4mm～666.5mm。濕陷等級總體為Ⅰ級非自重濕陷→Ⅳ級自重濕陷，結合綜合判斷，該場地為Ⅳ級自重濕陷性場地特征。結合建筑規范可將擬建的住院部建筑歸結為乙類建筑形式。

5 地基基礎方案的選擇與設計

5.1 廠區的中部沖溝處理

擬建場地的沖溝方向為西南→東北，且擬建的住院部、培訓中心和單身樓等均部分建設在沖溝之上。根據相關規范要求，建筑物不適宜在溝坎上建設，而這種部分建設在溝里會導致不均勻沉降的發生，建筑物容易發生開裂的現象。該施工場地所在區域屬于濕陷性黃土地區，住院部設計為高層建筑，該建筑形式本身荷載較大，且重要性等級較高。另外，醫院用水量較大，如果在醫院運行期間發生管道或者是管溝漏水等問題，會加劇裂縫裂開的速度。為避免建筑物不均勻沉降所造成的裂縫形式，保障建筑物的穩定與安全，需要對沖溝實施科學處理。另一方面，地基處理周期相對較長，具有較大的安全隱患，所投入的資金量較多，因此需要制定切實可行且經濟性較高的處理方案。

經過相關專家組討論，最終決定：

（1）先遷移溝內的樹木，并全面挖除溝內存在的雜填土和素填土以及存留的樹根，并挖除沖溝側壁的窯洞。在對窯洞進行開挖期間，需要采取放坡等形式，利用素土分層進行沖擊和碾壓，直到基底標高的1.5m以上位置。隨后利用沖擊碾壓的方法進行填土作業，沖擊勢能保持在15kJ～25kJ之間，每一層所鋪筑的填土不可高于600mm的厚度，每一層壓實的次數不可少于20次。且保障回填土能夠搭接周邊的原土層，最大厚度為9.1m，隨后對整片區域進行強夯處理。

（2）整片區域的強夯作業范圍包含沖溝兩邊的建筑物基礎下的濕陷性黃土和沖溝內部，在此期間，需要保障處理面積和寬度高于建筑物底層與外墻的范圍和寬度，且被處理的土層厚度需要高于每一遍處理的厚度。

（3）使用強夯法進行地基基礎施工作業期間，黃土含水量是其重點關注的內容。如果黃土自身天然的含水量低于10%，那么根據地區和工程經驗，這種情況下不可能出現極佳的夯實效果，同時有效消除濕陷性的深度也會隨之減小。經過勘察本次擬建的廠區內上部濕陷性黃土含水量為12%，已經接近10%的臨界值，因此采取強夯法來對其有效深度進行處理，結合預估值給出其范圍值的最小值8.0m～8.5m。在此期間需要注意的是，強夯工作流程和夯擊能量傳遞會受到夯點布置的影響。因此，在實際施工前需要在施工區域選擇一塊代表性的地方進行強夯作業的試驗工作，結合結果來選擇合適的強夯方案。隨后試驗完畢后，需取出土樣將其拿到實驗室再次進行試驗，土樣的選擇需要在夯擊終止區域面下面的8.5m深度部位，且土樣取出的間距需保持在0.5m～1.0m之間。實驗的目標就是了解土體的各項指標，如干密度、濕陷系數或者是壓縮系數等。

（4）最終的強夯作業方案需要在所有試驗結束之后確定。在第一遍夯擊期間，夯擊點需選擇在夯錘直徑2.5倍的位置，以后的每一遍夯擊間距都可適當縮小。次數暫定為5遍點夯（夯擊能為：8000kN·m），隨后利用2遍滿夯（夯擊能為：4000kN·m）進行施工，滿夯一般都會采用輕錘或者是低落距錘的方式實施，保持錘印的搭接。

（5）在強夯結束之后需要進行三次檢測，每次平均布置人工探井3個，探井的深度為10m。本次實驗結果顯示出：第一次有兩個探井濕陷性系數小于0.015，這表示這兩個區域內8.5m以上的土層濕陷性已經被消除；1個探井6.5m以上的濕陷性系數小于0.015，表示為非濕陷性黃土，這表示在6.5m以上的土層濕陷性已經被消除。其中6.5m～8.5m的濕陷性系數大于0.015，為Ⅰ級非自重濕陷性的黃土地質，也表示該范圍內的土層并未消除濕陷性。第二次3個探井的濕陷性系數均小于0.015，表示為非濕陷性黃土，也就是8.5m以上的土層濕陷性已經完全被消除。第三次和第二次的結果相同。

5.2 住院部地基基礎方案實施

對廠區內的沖溝按照上述方法來進行回填，并且在強夯作業之后考慮到部分基礎位于原來的土層之上，部分位于沖溝的位置，本身沖溝內有著較厚的填土，在施工處理之后填土和原土部分承載力和濕陷性的差異都相對較大，并且在地基以下的“臥層”都出現不均勻的情況，這樣的問題很容易使建筑物在使用期間發生開裂的問題。所以結合該現狀分析，最終選擇樁筏基礎來設計該工程地基。而樁筏基礎的施工方法主要包含人工挖孔和旋挖法設計。但是由于人工挖孔本身存在一定的危險性，因此決定選擇旋挖鉆機的機械成孔形式作為本次設計基本方法。

（1）鉆機進場前認真清除地表植被、雜物、積水、更換淤泥，夯填密實，在樁位位置鋪設一層碎石，保證鉆機停位水平、穩定，以免產生不均勻沉陷。

（2）護筒采用10mm厚鋼板卷制，內徑1.4m（樁徑1.2m），內徑1.7m（樁徑1.5m），內徑2.0m（樁徑1.8m），每節高2.0m。埋設時護筒高出原地面30cm，要求鋼護筒能耐拉、耐壓、不漏水，灌注混凝土后立刻拆除。護筒埋設時要準確、穩定，護筒平面位置偏差不得大于50mm，護筒的傾偏差不得大于1%。

（3）制備泥漿的基本原料是優質膨土。其配制比例是水100%。膨潤土6%～8%，5%碳酸鈉（純堿），0.3的纖維素,調制化學泥漿。泥漿相對密度g/cm3：1.03～1.08；粘度（Pa.s）：19～28；含砂率：無；膠體率≥96%；失水率（m1/30min）：≤15：泥土厚（mm/30min）：≤2；靜切力（pa）：3～5；酸堿率（pH）：8～10。制漿前，應先把膨潤土塊盡量打碎，使其在攪拌中易于成漿，縮短攪拌時間，提高泥漿質量。

（4）首先進行鉆頭對中孔位，人工依據樁位十字線，使鉆頭尖與十字線中心對中，調整桅桿豎直度及鉆機機身水平。在鉆進過程，對于砂性土層及砂層，直接用旋挖筒鉆進、取渣，遇到石層及卵礫層時，先用螺旋鉆頭將其攪拌，再用旋挖筒取渣。由于鉆渣可直接用旋挖筒提取，所以僅用靜態泥漿護壁，這樣大大減少了泥漿用量，鉆渣可用裝載機車外運。旋挖鉆機操作室中有深度顯示儀，達到設計深度后，用測繩復測，這樣可以控制孔深。另外,旋挖筒取渣干凈，如果控制好泥漿比例與黏度，在灌注混凝土前可將沉淀厚度控制在15cm以內。在鉆進過程中若遇跑漿，可直接加膨潤土于孔內，用旋挖機旋挖筒下入孔內跑漿位置反轉不進尺，邊加邊攪直到不漏漿為止。

6 結語

綜上所述，基于本案例的探究與分析，可以明確的是，濕陷性黃土本身缺乏一定的強度，因此在建筑建設期間需要選擇合適的方法消除黃土地區的濕陷性，進而保持建筑物的穩定性。