濕陷性黃土及地基處理新技術

白曉紅

（太原理工大學，山西 太原 030024）

0 引言

黃土是一種特殊的第四紀沉積物，色為灰黃、棕色甚至棕紅色，顆粒組成以粒徑為0.05～0.005 mm的粉粒為主，垂直節理發育[1]。它廣泛分布于干旱、半干旱地區，全球面積約為1 300萬km2，約占地球表面陸地總面積的9.8%；在我國主要涉及華北、西北地區，總面積約為64萬km2，是我國國土面積的6.3%；其中濕陷性黃土面積約為38萬km2，占黃土總面積的60%左右[1]。

《濕陷性黃土地區建筑標準》（GB 50025—2018）[2]（以下簡稱《黃土標準》）將我國濕陷性黃土按工程地質特征分為7個大區，山西地區涉及關中地區（Ⅲ）和山西-冀北地區（Ⅳ），且山西境內的第Ⅳ區進一步分為汾河流域區-冀北區（Ⅳ1）和晉東南地區（Ⅳ2）兩個亞區。山西地區存在有典型的離石黃土和午城黃土，濕陷性黃土厚度一般在5～10 m，甚至大于10 m；低階地新近堆積黃土分布普遍，土體結構松散，壓縮性較高，多具濕陷性，高階地相對天然強度較高，但是一般具有自重濕陷性。

近幾十年來，我國黃土工作者對濕陷性黃土持續開展了大量的科學研究，對其工程特性的認識不斷深入，對其工程問題的處置積累了豐富的經驗，并且創新發展了一系列的新方法和新技術，取得了顯著的社會經濟效益。

1 濕陷性黃土

1.1 基本概念

在一定壓力下受水浸濕，土的結構迅速破壞，并產生顯著附加下沉的黃土，稱為濕陷性黃土。工程中一般采用濕陷系數（δs）評價黃土的濕陷性。

式中：hp為保持天然含水量和結構的黃土試樣，加至壓力p時下沉穩定后的高度，mm；hp′為上述在壓力p作用下沉降穩定的黃土試樣，在浸水作用下，下沉穩定后的試樣高度，mm；h0為黃土試樣的原始高度，mm，一般為20 mm。

當δs≥0.015時定名為濕陷性黃土，否則為非濕陷性黃土。試驗壓力p為土體的飽和上覆重量時所得的濕陷系數用δsz表示，定義為自重濕陷系數。當δsz≥0.015時定名為自重濕陷性黃土；反之，當δsz＜0.015、δs≥0.015時定名為非自重濕陷性黃土。

δs還被用來評價濕陷性的強弱，當δs≤0.03時為弱濕陷性，當0.03＜δs≤0.07時為中等濕陷性，δs≥0.07時為強濕陷性。

hp-hp′叫做濕陷變形，這是黃土浸水飽和后產生的附加變形。黃土在一定壓力作用下，由于土體飽和度增加而產生的附加下沉，叫做增濕變形。可以說濕陷變形是增濕變形的極端狀態。

黃土自身固有的屬性，使得土體可能在飽和度提高的條件下產生顯著附加變形，是內因；而水是土體飽和度提高的條件，外力的作用是使得土體結構可能產生破壞的主導因素，力與水的耦合作用是外因。因此，黃土濕陷變形/增濕變形的產生是內因和外因共同作用的結果。

1.2 濕陷性黃土的特殊性

從力學的角度分析濕陷性黃土的特殊性，主要體現在結構性、欠壓密性和濕陷性3個方面[3]。

1.2.1 結構性

濕陷性黃土具有顯著的結構性，即在一定的條件下，它能夠保持土的原始單元結構形式不被破壞，這種能力就是結構性。濕陷性黃土在其結構強度未被破壞或軟化時，常表現出低壓縮性、高剪切強度的特性，然而，一旦結構強度遭受破壞，則表現出屈服、軟化、濕陷等特性。因此，結構性是濕陷性黃土工程性質最基本的本質。

1.2.2 欠壓密性

由于特殊的地質生成環境，濕陷性黃土的沉積過程一般較為緩慢，上覆壓力的增長速率相對于土顆粒間的固化聯接鍵強度的增長速率要慢許多，所以土體的粒間接觸強度大于上覆壓力，使得濕陷性黃土形成了一種疏松的高孔隙度欠壓密狀態。高孔隙度表現在兩個方面，一是黃土中存在有肉眼可見的大孔隙，而濕陷性黃土中存在有結構穩定性差的架空孔隙，這種孔隙的尺寸大于孔隙周邊的顆粒尺寸，典型結構形式如圖1所示[4]；二是濕陷性黃土的天然孔隙比較大，一般為0.85～1.24，當天然孔隙比小于0.8一般不具濕陷性。

圖1 架空孔隙典型SEM圖像[4]

在低飽和度情況下，濕陷性黃土的結構性常表現為較高的似前期固結壓力，超固結比大于1。這種超固結是由于黃土的欠壓密性而表現出的結構性超固結，在黃土工程界一般稱其為似超固結。

1.2.3 濕陷性

在一定上覆壓力作用下，濕陷性黃土的結構由于遇水而軟化甚至遭受破壞，使其強度喪失；而濕陷性黃土的欠壓密性導致存在的大孔隙度和大尺寸孔隙，則為濕陷性黃土遇水浸濕時產生顯著附加變形提供了必要的體積變化條件。沒有欠壓密性和結構性就不可能有黃土的濕陷性。

1.3 濕陷性評價

長期以來，工程界評價黃土的濕陷性都是指在給定壓力作用下，黃土充分浸水飽和情況下的附加下沉，采用濕陷系數或濕陷變形量作為評價指標。然而，濕陷性黃土在一定壓力作用下遇水增濕，但是尚未完全飽和的狀態下也有附加下沉產生，如前所述，這種變形稱為增濕變形。增濕變形隨增濕程度的提高而增大。因此，土體初始飽和度的大小對其是否產生附加變形以及附加變形量的大小有著極為重要的影響。

圖2為某濕陷性黃土在不同初始飽和度條件下的上覆壓力p與濕陷系數δs的關系曲線。由圖可見，不同初始飽和度下，土樣的壓力-濕陷系數曲線形態相似，即濕陷系數隨上覆壓力的提高而先增大后減小；且對于給定初始飽和度的土樣，存在濕陷起始壓力和濕陷終止壓力以及最大濕陷系數。隨著初始飽和度的提高，最大濕陷系數和相應的壓力減小，濕陷起始壓力和濕陷終止壓力亦減小。

圖2 不同飽和度條件下壓力（p）與濕陷系數（δs）的關系曲線

圖3為某濕陷性黃土在不同壓力作用下，濕陷變形量Δs隨初始飽和度sr提高而改變的曲線。圖3表明，同一壓力下，隨著濕陷性黃土土樣初始飽和度的增大，濕陷變形量減小。土樣初始飽和度從30%增加到40%時，濕陷變形量有減小趨勢，但是變化不顯著，飽和度由40%增大到50%或60%時，濕陷變形量顯著降低，曲線出現陡降段；飽和度從50%或60%進一步增加到70%甚至更高時，濕陷變形量基本不變。這意味著存在有對濕陷敏感的初始飽和度范圍，試驗表明為40%～60%。另外，同一初始飽和度條件下，上覆壓力由25 kPa提高到200 kPa時，濕陷變形量隨壓力提高而增大，當壓力由200 kPa提高到1 200 kPa時，濕陷變形量隨壓力提高而降低，壓力為200 kPa時濕陷變形量最大。綜上所述，對于該濕陷性黃土而言，敏感初始飽和度為40%～60%，最大濕陷變形量發生在壓力為200 kPa時。

圖3 不同壓力作用下，初始飽和度（sr）與濕陷變形量（Δs）的關系曲線[5]

鑒于濕陷性黃土對于初始飽和度和壓力的敏感性，在工程中要對土體的濕陷固有本性充分認識，同時要關注工程場地后期可能產生的土體飽和度變化，正確評價增濕可能引起的地基附加變形。

1.4 山西Q3黃土承載力

山西大部分地區存在有濕陷性黃土，對于一般工程建設常常以Q3黃土為持力層，因此很有必要對Q3黃土的承載力進行研究。

統計分析表明，山西Q3黃土狀粉土的承載力與土體的初始含水量或是初始飽和度以及液限與天然孔隙比的比值成正比，不同地區的統計參數不同。經分析將山西境內的汾河流域區Ⅳ1以太原為界進一步分為兩個小區。承載力統計公式如式（2）、式（3）：

式中：fak為地基承載力特征值，kPa；w為土體天然含水量，%；sr為土體天然飽和度，%；wl為土體的液限，%；e為土體天然孔隙比；A、B、C為分區統計參數，可參考表1取值；A′、B′、C′為分區統計參數，可參考表1取值。

表1 統計常數取值表[6]

1.5 濕陷性黃土地基處理技術

濕陷性黃土地基的變形包括兩部分，即壓縮變形和增濕變形。壓縮變形是土體在天然含水量（或是飽和度）狀態由于上部結構的荷載作用引起的土體變形量，其值隨著荷載作用時間的增長而逐漸減小。增濕變形是由于地基使用過程中由于土體含水量或飽和度增加而引起的附加變形，濕陷變形是這種變形的極端情況，這種變形一般是局部突發的，變形速率可能比較大且分布不均勻，對上部結構的影響可能較嚴重。因此，濕陷性黃土地基的處理往往是將消除濕陷性作為首要因素來考慮。對于交通工程，在對濕陷性黃土路基進行處理時，既要考慮濕陷性的消除，也要結合道路等級要求，優化選取既能達到安全可靠又不造成經濟浪費的地基處理方案。考慮到交通工程的特點，常用的地基處理方法分類有置換法、擠密法和組合法，如表2所示。每種方法的具體設計、施工和檢驗可參考相關規程標準進行。

表2 濕陷性黃土路基常用地基處理方法匯總表

2 濕陷性黃土地基處理新技術

2.1 預拌流態固化土法

在土中加入一定量的固化劑、外加劑和水拌合均勻，形成具有一定流動性，且凝固后能達到一定強度的混合物，稱為預拌流態固化土[7]。將該混合物作為墊層的回填材料，形成墊層的方法就叫做預拌流態固化土換填墊層法。

預拌流態固化土具有一定的強度、流動性和防滲性，可作為換填墊層良好的換填材料。預拌流態固化土具有自密實性，在施工時不需要大型設備進行碾壓處理，節約施工成本，同時不需分層碾壓回填也節省了工期。另外在施工中采用集中攪拌，現場的澆筑材料為液態，施工現場不會產生揚塵，無環境污染，可實現文明施工；且流態固化土中的土可以直接使用工程棄土，也可采用滿足環境要求的固廢材料，從而具有非常好的環境保護效應。路基工程中使用預拌流態固化土的設計指標可參考表3確定。

表3 預拌流態固化土設計指標[7]

2.2 氣泡混合輕質土法

將制備好的氣泡群按一定比例加入到由水泥、水及可選添加材料制成的漿料中，經混合攪拌現澆成型的一種微孔類輕質材料，稱為氣泡混合輕質土[8]。這種混合料具有如下特點[9]：

a）輕質性 因氣泡混合輕質土中均勻充填了氣泡而具有輕質性。根據工程標準及使用部位的需要，可自由調整氣泡摻量，達到調整自重的目的。

b）可調節性 根據不同的材料組成用量、不同的氣泡率，可按工程需要調整密度和強度。

c）良好的施工性 采用泵送現澆，可在狹小空間澆注，也可采用高壓泵送，流動性好強度提升快，無需碾壓或振搗，無需專用車輛水平運輸，無需豎向混凝土吊斗，節省了設備投入。

d）良好的耐久性 氣泡混合輕質土屬水泥類材料，故使用壽命與水泥混凝土同等。

e）良好的環保性 固化劑一般為水泥，起泡劑為中性不含有害物質，對環境無污染，且可利用工程廢棄土、粉煤灰等工業廢渣，同時施工時為液態材料無粉塵，有效避免了環境污染和消防隱患。

f）保溫隔熱性 由于氣泡混合輕質土內部含有大量封閉氣孔而具有良好的保溫、隔熱、隔音性能。

工程中常用的幾種輕質土材料性能的比較如表4，綜合分析可知氣泡混合輕質土具有造價低、施工便捷、環境友好的優勢，可作為換填墊層的填料，減輕墊層底部壓力，還可兼顧保溫隔熱回填材料用途。同時由于該輕質土可垂直填筑且自身具有強度，還可作為橋后填土，有效降低臺背側向土壓力，具有無沉降、長壽命等特點，解決了橋頭跳車，可實現橋梁減跨、降低造價的作用。

表4 幾種常用輕質土材料特性比較表[10]

氣泡混合輕質土作為路基填料的設計指標見表5所示。

表5 氣泡混合輕質土設計指標[8]

2.3 夯實水泥土樁

夯實水泥土樁是將水泥與土在孔外按一定比例充分拌合形成水泥土混合料，通過機械成孔方法在土中成孔后將混合料填入孔中，再在孔內分層夯實形成的樁體[11]。夯實水泥土樁與褥墊層形成復合地基，達到提高地基承載力，減小地基變形的目的，在濕陷性黃土中使用還可以消除濕陷性，屬于擠密法的一種。

夯實水泥土樁是在孔外將水泥與土進行拌合，因此拌合均勻性好，不受土層變化影響，水泥土強度能夠很好地得到保證。夯實水泥土樁的成孔工藝可以是擠土成孔，也可以是部分擠土或不擠土成孔，因此適用場地類型較為豐富。對于濕陷性黃土一般采用擠土成孔或部分擠土成孔工藝，對消除濕陷性有好處。成孔后將拌合均勻的水泥土填入孔內強力夯實，這個過程一是將水泥土夯打密實，從而提高了水泥土的強度；二是夯實產生了擠擴作用，對樁間土產生二次擠密，進一步提高了樁間土的密實性；同時還形成了樁體與土的鑲嵌作用，進一步提高了樁側摩阻力，從而提高了復合地基的承載力。工程中為了加大夯錘夯實時產生的水平擠土力，一般采用尖形錘并且錘重大于2 kN，錘孔比（錘徑與孔徑的比值）為0.78～0.9，錘孔比越大，側向擠擴作用越顯著，夯實效果越佳。

2.4 柱錘沖擴樁

用柱錘沖擊的方法成孔并分層夯實填料形成的豎向增強體稱為柱錘沖擴樁[12]。柱錘沖擴樁的加固作用體現在以下方面：

a）柱錘沖擊成孔過程對樁間土的擠密作用；

b）填料夯實過程中對樁間土的二次擠密作用和填料與樁間土的鑲嵌作用；

c）孔內夯實對填料的動力擠密和動力固結作用；d）柱錘沖擴樁的樁體效應。

柱錘沖擴樁的樁身填料可使用水泥土、灰土、土夾石，也可使用混凝土和磚石的碎塊等建筑垃圾、滿足環境要求的工業固廢，低碳減污，保護環境，具有積極的社會效益。

對于非飽和松散土，柱錘沖擴樁的沖擊夯擴作用可以有效地提高土體密實性，特別是濕陷性黃土，可有效消除濕陷性。因此柱錘夯擴樁也屬于擠密法的一種。需要注意的是當濕陷性土體飽和度較低時，一般呈堅硬狀態，采用柱錘沖擴成孔時的有效擠密區可能減小，需要采取減小樁間距或增濕措施以達到有效消除濕陷性的目的。

2.5 組合法

將兩種或兩種以上的地基處理方法聯合使用就形成了地基處理的組合處理法。地基處理方法與樁基礎聯合使用也是組合處理法的一種形式。

對于濕陷性黃土場地，首先采用合適的地基處理方法消除場地淺層的濕陷性，處理后的地基承載力同時得到一定提高，壓縮性得到改善，然后再采用剛性樁或樁基礎方法提供更大的承載力，以補償地基承載力的不足，這樣充分發揮每一種處理方法的優勢，在達到設計要求的前提下，減小了地基處理費用，實現了經濟性。由于浸水法耗時長，處理深度較淺且為自重濕陷性黃土，同時大量使用水，不符合節水的國策，因此在道路工程中很少使用。擠密法包括有強夯法和各種擠密樁，可與剛性樁或樁基礎聯合使用，也可以與置換法聯合使用，常見的組合處理法見表2所示。

3 結語

黃土的結構性和欠壓密性是其在增濕和浸水條件下產生永久塑性變形的內在因素，而力的作用與水的耦合是其產生這種塑性變形的外界因素。對于給定的黃土而言，其變形是應力水平和土體飽和度變化的函數。因此，在實際工程中，不僅要掌握黃土的濕陷變形能力，還應了解工程運營過程中可能產生的土體飽和度變化趨勢，以正確評價黃土的濕陷變形和預估增濕可能引起的地基附加變形。

山西大部分地區都存在有濕陷性黃土。當黃土作為路基時，首先要判斷是否具有濕陷性，然后再考慮是否需要進行處理以及如何處理。消除濕陷性是濕陷性黃土地基處理首要解決的問題。

近年來地基處理方法快速發展，老方法不斷改進，新方法不斷涌現。但是沒有一種地基處理方法是萬能的，對于具體的一個工程，必須根據工程的具體特點，從土體條件、處理要求、工程費用、材料和施工機具以及工程經驗等方面綜合考量后，確定適宜的地基處理方法，努力做到安全適用、技術先進、經濟合理、確保質量、保護環境。