濕陷性黃土地基處理方法進展與實踐

張 茹

我國地域遼闊,地質條件復雜,土的類別繁多,有些土由于不同的地理環境、氣候條件、地質成因及物質成分等原因,具有與一般土類顯著不同的特殊工程性質。濕陷性黃土就是其中一種,當其作為建筑地基時,浸水后在自重及外荷載作用下易發生顯著沉陷,從而引起建筑物不均勻沉降,是造成黃土地區地基發生事故的主要原因,如果不根據其特點采取相應的治理措施,就會造成工程事故。本文針對濕陷性黃土的工程特性,從實踐中加以總結,指出地基處理的相應方法,以供參考。

1 黃土地基濕陷性原因分析及類型判別

1.1 黃土地基濕陷性原因分析

黃土廣泛分布于我國西北及華北地區,是第四紀干旱及半干旱氣候條件下形成的特殊沉積物。黃土中粉粒含量可達60%～70%,其中含有大量的碳酸鹽、硫酸鹽及氯化物等可溶鹽類,具有肉眼可見的大孔隙,豎直節理發育,能保持直立的邊坡。在黃土形成的過程中,季節性的短期降雨把松散的粉粒粘結起來,而長期干旱的氣候又使土中的水分不斷蒸發,于是少量的水分連同溶于其中的鹽分便集中在粗粉粒的接觸點處,可溶性鹽類逐漸沉淀而成為膠結物。隨著含水量的減少,土粒彼此靠近,顆粒間的分子引力以及結合水和毛細水的聯結力也逐漸增大,這些因素都增強了土粒間的抵抗力,阻止了土粒間的自重壓密,形成了以粗粉粒為主體骨架的多孔隙結構。黃土的結構特征及其物質組成是產生濕陷的內在因素,而水的浸潤和壓力作用是產生濕陷的外部條件。當黃土受水浸濕時,土粒間的可溶鹽類被水溶解或軟化,骨架強度隨之降低,土體在上覆土重或在自重壓力與附加壓力的共同作用下,其結構迅速破壞,土粒向大孔滑移,從而導致大量的附加沉陷,這種黃土稱為濕陷性黃土。

1.2 濕陷性黃土地基類型判別

當黃土的濕陷系數δs≥0.015時即為濕陷性黃土,濕陷性黃土又可分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土兩種類型。濕陷性黃土受水浸濕后,在其自重壓力下發生濕陷的,稱為自重濕陷性黃土,而在自重壓力和附加壓力共同作用下才發生濕陷的,稱為非自重濕陷性黃土。對于這兩種類型,可用室內壓縮試驗測定的自重濕陷系數來判斷,當δzs＜0.015時為非自重濕陷性黃土,δzs≥0.015時為自重濕陷性黃土,也可在地基勘察中進行現場試坑浸水試驗,按實測自重濕陷量來判定。

2 濕陷性黃土地基處理方法

2.1 灰土墊層法

灰土墊層是先將需要處理的濕陷性黃土挖除,換之以消石灰和粉質黏土的混合體,經摻水拌和后分層壓實。灰土具有一定的膠凝強度和水穩定性,質量合格的灰土墊層本身承載力標準值可達到 fk=200 kPa～250 kPa,壓縮模量 Es=20 MPa～40 MPa,具有較好的承載力、較低的壓縮性和良好的耐久性、水穩性及不透水性。灰土的這種特性取決于灰土的壓實度和摻灰量。摻灰量用消石灰和土料的體積配合比表示,一般為2∶8或3∶7等,根據設計要求確定。

2.2 強夯法

強夯法是將重錘(一般100 kN～400 kN)以8 m～20 m落距(最高可達40 m)下落,在巨大的沖擊能作用下,進行地基深層夯實加固的方法。強夯在土體中產生縱波(壓縮波)和橫波(剪切波),縱波破壞土體骨架結構,使土粒間產生位移,而橫波破壞土粒間的聯結,使土體骨架產生新的沉降和壓密。

強夯法施工設計參數主要有有效加固深度、夯擊能、夯擊遍數、間歇時間、夯點布置及間距等。強夯法有效加固深度是指夯后地基承載力達到設計要求或濕陷性消除的土層厚度,是強夯法應用的核心問題,過去實際應用中多用Menard公式來計算:

其中,W為錘重,kN;H為落距,m;a為系數,取0.3～1.0。

但由于式中a值變化范圍較大,量綱也不相符,近幾年來國內外大量試驗研究及工程實測資料表明:采用Menard公式估算有效加固深度將會得到偏大的結果。實際上影響有效加固深度的因素很多,除了錘重和落距以外,地基土的性質、不同土層的厚度及其他強夯設計參數等都與有效加固深度有著密切的關系。因此,在強夯加固地基的實踐中,許多學者從各方面提出了各種不同的計算公式。如李學亮提出:,S為錘底面積,其余同前;h0為夯坑深度,m;ρd為夯前土體干密度,t/(s2·m3)。

強夯是處理濕陷性黃土地基的一種行之有效的方法,具有適用范圍廣,土方開挖少,施工簡便,工期短,費用低等優點,經強夯處理后的濕陷性黃土地基,不但能基本消除濕陷性,而且還能提高承載力。

其中,E為單位面積夯擊能,kJ/m2

2.3 灰土擠密樁法

灰土擠密樁法屬于一種柔性樁復合地基,它是通過夯實的樁身和擠密的樁間土提高地基強度,又通過樁間土的擠密達到消除濕陷性的目的,是濕陷性黃土地區重要的地基處理方法之一。灰土擠密樁一般適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土,處理深度5 m～15 m。施工時,先利用沉管、沖擊或爆擴等方法在地基中擠土成孔,然后向孔內夯填灰土成樁。成樁時,通過成孔過程中的橫向擠壓作用,樁孔內的土被擠向周圍,使樁間土得以擠密,然后將備好的灰土分層填入樁孔內,并分層搗實至設計標高,二者分別與擠密的樁間土組成復合地基,共同承受基礎的上部荷載。灰土通常采用3∶7灰土或2∶8灰土(石灰與土的體積比),在最優含水量狀態下進行分層夯實,其壓實系數不宜小于0.97。樁徑一般采用300 mm～600 mm,樁距控制在2倍～2.5倍樁徑比較合理,樁孔按正三角形布置,樁間土擠密后3個孔之間土的平均擠密系數不宜小于0.93。樁孔深度應根據建筑物的分類情況、濕陷類型、濕陷等級、濕陷土層厚度綜合確定。

甘肅慶陽某綜合樓位于嚴重自重濕陷性黃土地區,地基處理時采用灰土擠密樁法,檢測結果表明,壓實系數平均達到0.98,干密度由原來的1.21 g/cm3～1.55 g/cm3提高到1.57 g/cm3～1.67 g/cm3,濕陷系數由最大0.116降為最大0.014,濕陷性消除,壓縮性由高壓縮性降低為中低壓縮性,經靜載荷試驗確定的復合地基承載力達250 kPa。

2.4 預浸水法

對于自重濕陷性黃土,可在施工前在建筑場地構筑小埝,圍成淺塘,向塘中注水并保持一定的水深,讓水充分浸入土中,使土產生自重濕陷。若土層很厚,可先在土層中鉆孔,填以粗砂和碎石形成砂井,然后在塘內放水浸泡,水深保持0.3 m～0.5 m。預浸水法要注意濕陷觀測,包括地層濕陷、地表變形觀測和耗水量變化觀測等內容。預浸水前,在遠離浸水范圍外的位置埋設一永久性水準點,先觀測一次,浸水開始后,每天定時觀測一次,同時每天記錄注水時間、水量并及時整理觀測資料,當最后5 d平均濕陷量小于5 mm時,即可認為濕陷變形完成,浸水及觀測可停止。預浸水法處理地基方法簡單、投資低,但需要一定的浸水時間才能施工,而且因上部4 m～5 m土體的自重小,不足以消除濕陷性,需采取其他處理措施。

3 結語

濕陷性黃土地基的處理,應針對不同的自然條件和工程特點,本著“因地制宜、經濟合理”的原則,采取適當的處理措施,必要時考慮綜合處置方案,以達到消除或降低濕陷性的目的。

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