太原東山地區濕陷性黃土處理方法的探討

趙永偉

（山西省建筑設計研究院，山西 太原 030013）

1 場地概況

太原東山地區地形復雜，經長年累月的雨水沖刷，多為黃土臺地和沖溝結合的地貌特征，高差可達20 m或者更多。濕陷土層大多為Q3紀馬蘭黃土，隨地勢變化濕陷等級變化較大，沖溝內多以Ⅰ級非自重濕陷為主，濕陷土層1~5 m；臺地部分較低的部位（高差10 m左右）多Ⅱ級自重濕陷，濕陷土層7~15 m；高臺部分以Ⅲ級、Ⅳ級自重濕陷居多，濕陷土層數10 m不等。

2 濕陷性黃土的形成

太原地區年平均降雨量在250~600 mm之間，屬干旱氣候、半干旱氣候條件。在這樣的條件下，太原東山地區的濕陷土層天然含水量較低，土體本身的結構性很強，從而形成了很多土體直立達十幾米的自然景觀。

3 濕陷性黃土地基處理方法的選擇

基于這樣的濕陷性黃土場地，建筑物的地基處理有以下幾種常用的方法：墊層法、強夯法、預浸水法、灰土(土)擠密樁法、樁法、孔內深層強夯法（近幾年太原東山地區使用較多），化學加固法、雙復合樁法等方法。處理的目的都是消除濕陷性，也可用于提高地基土的承載力。

3.1 墊層法

包括素土墊層和灰土墊層。處理深度一般1~3 m，當處理厚度超過3 m時，挖、填土方量大，施工質量不易保證（目前也有6 m以上換填，主要做法是下部用素土換填，分層碾壓，上部采用灰土墊層）。《濕陷性黃土地區建筑規范》GB50025—2004中注明承載力特征值素土墊層不宜超過180kPa，灰土墊層不宜超過250kPa。優點：工期短，施工工藝簡單；缺點：局限于低層建筑或多層建筑。

3.2 強夯法

強夯法處理濕陷性黃土地基，是在重錘夯實的基礎上發展起來的一種地基處理方法，通過夯錘對地基土反復沖擊和振動，從而提高地基土的承載力并降低其壓縮性，改善地基性能，地基處理有效深度預估值最大12 m。優點：工期短、效率高、施工工藝簡單；缺點：振動和噪聲較大，場地要求高，場地附近不能有已建建筑物。

3.3 預浸水法

此方法一般適用于濕陷性黃土土層較厚、濕陷性強的自重濕陷性黃土場地。是在修建建筑物之前，預先對濕陷性黃土場地大面積浸水，使土體在飽和自重壓力作用下發生濕陷產生壓密，以消除全部黃土層的自重濕陷性和深部土層的外荷濕陷性。由于浸水時場地周圍地表下沉開裂，并容易造成“跑水”穿洞，影響附近建筑物的安全，所以在空曠的新建地區較為適用。優點：處理濕陷性效果較好；缺點：必須保證水量充足，臨近沒有建筑物。此法工期較長，一般在1年左右，還要注意場地附近邊坡穩定問題。另外，地基預浸水結束后，在基礎施工前應進行補充勘查工作，重新評定地基土的濕陷性。

3.4 灰土（土）擠密樁法

這是一種比較成熟的處理濕陷性黃土場地的方法，原理是通過成孔過程中的橫向擠壓作用，樁孔內的土被擠向周圍，使樁間土得以擠密以達到處理濕陷的目的。適用于加固地下水位以上的濕陷性黃土地基，它是利用打入鋼套管或振動沉管或爆擴等方法，在土中成樁孔，然后在孔中分層填入素土（或灰土）并夯實而成。其上部荷載由樁和樁間土共同承擔，擠密后的地基為復合地基，上部荷載通過地基往下傳遞時應力要擴散，而且比天然地基擴散的更快，在加固深度以下，附加應力將大大減少，灰土（土）擠密樁對地基的加固處理效果不僅與樁距有關，還與所處理的厚度與寬度有關。優點：能夠很好地消除處理范圍內土層的濕陷性，加強土體后承載力有明顯提升。缺點：同灰土墊層法類似，處理后的復合地基承載力250 kPa左右，不適用于高層建筑的地基處理。《建筑地基處理技術規范》JGJ 79—2002中明確指出，處理深度5~15 m。由于設備限制，一般設計過程中，用此方法處理濕陷土層在10 m范圍內比較常見。

3.5 樁法

原理為采用樁基礎穿透全部濕陷性黃土層，使上部荷載通過樁基礎直接傳遞至壓縮性低或較低的非濕陷性黃土（巖）層上，當地基受水浸濕后完全能保證建筑物的安全。濕陷性黃土地區樁基礎一般采用打入樁、靜壓樁、鉆孔或人工挖孔灌注樁以及沉管灌注樁等，近年來，使用較多的為鉆孔（或人工挖孔）灌注樁、靜壓樁以及沉管灌注樁。在濕陷性黃土場地使用樁基礎與其他地區最大的區別在于，設計計算時，在濕陷土層范圍內不但不能考慮樁身的側摩擦力，還應在樁的承載能力上減去樁的負摩擦力。優點：直接穿透濕陷土層，完全不考慮濕陷土層對建筑物的影響；缺點：設計樁長較長，經濟性方面較差。

3.6 孔內深層強夯法

原理為預先擠密成孔，對土體進行擠密，至設計標高后自下而上分層填料強夯并夯擴，第二次對土體進行擠密，形成高承載力的密實狀體和強力擠密的樁間土相結合的加強體。通過對土體的擠密消除濕陷性并提高地基承載力，此方法遇到含水夾層或地下水位較高時無法成孔。采用整片地基處理時，自基礎側邊外延寬度可采用地基處理深度的1/3，同時不小于2 m或外擴3排樁。當樁體填料為活性膠結性材料時可適當減少外擴尺寸。優點：工期短，經濟性較好；缺點：當場地土含水量小于14%時，施工難度較大。建議施工前對場地土進行含水量試驗，當含水量較小時，可以采取增濕措施。

工程實例：太原東山某住宅小區，場地為Ⅱ級自重濕陷，基礎底以下濕陷土層10~13 m不等，基底下場地土含水量最小為16%，建筑物為地上28層，地下1層。設計樁長18 m，正三角形布置，樁間距1.0 m，擠密成孔400 mm，填料為1∶4水泥土，夯擴后直徑不小于600 mm，樁頂鋪設300 mm厚3∶7灰土，復合地基承載力不小于400kPa。檢測要求，復合樁基檢測加載為1000kPa（2.5倍），樁體范圍內濕陷性全部消除，填料壓實系數不小于0.96，樁間土擠密系數不小于0.88，樁身強度不小于4.0 MPa。該工程現已竣工，檢測結果均滿足設計要求。

樁體軸心受壓承載力Q：

式中：Q：相應于荷載效應基本組合時，單樁所受軸向壓力設計值（kN）；

fcu：樁體試塊抗壓強度設計值，kPa；

φc：系數，取 0.6~0.7；

Apm：樁身平均橫截面面積，m2。

復合地基承載力特征值：

式中：fspk：復合地基承載力特征值，kPa；

m：樁土面積置換率；

d：夯后樁身平均直徑，m；

de：一根樁分擔的處理地基面積的等效圓直徑，m。等邊三角形布樁de=1.05 s，正方形布樁de=1.13 s，s為樁間距，m；

fpk：處理后樁體單位截面積承載力特征值，kPa；

fsk：樁間土的承載力特征值，kPa。當場地土質為黃土、非飽和性粉土和砂土時，宜按1.5~2.5倍天然地基承載力特征值取值；對淤泥、淤泥質土按經驗確定。

3.7 化學加固法

化學加固方法包括硅化加固法和堿液加固法，硅化加固濕陷性黃土的物理化學過程，一方面基于濃度不大的、黏滯度很小的硅酸鈉溶液順利地滲入黃土的孔隙中，另一方面溶液與土的互相凝結，土起著凝結劑的作用。硅化加固中，由于黃土中鈣、鎂離子參加反應，生成硅酸凝膠，當土體達到一定強度，為了提高加固土體的早期強度，以減少加固過程中附加下沉，可采用加氣硅化法，加氣硅化一般用CO2和氨氣，一般使用CO2較多。堿液法在自重濕陷性黃土地區使用較少，而且加固深度不足5 m，堿液加固原理為NaOH的溶液注入黃土后，首先與土中可溶性和交換性堿土金屬陽離子發生置換反應，反應結果使土顆粒表面生成堿土金屬氫氧化物，土粒（鋁硅酸鹽）表面會逐漸發生膨脹和軟化，相鄰土粒在這一過程中更緊密地相互接觸，并發生表面的相互溶合。這些混合物的生成，使土粒相互牢固地膠結在一起，強度大大提高，并且有充分的水穩性。常溫下反應速率較慢，而提高溫度則能大大加快反應的進行。優點：處理濕陷性效果較好，現在一般僅用于已建建筑物的濕陷事故處理。缺點：造價太高。

3.8 雙復合樁法

用兩種復合樁對地基土進行地基處理，其中第一種復合樁可處理地基土濕陷并能提高一定的地基承載力，第二種復合樁在已經消除濕陷性的前提下可提高地基承載力，通過這兩種方法共同作用來進行達到地基處理的目的。消除濕陷性的復合樁可以用灰土（土）擠密樁或者孔內深層強夯法等方法，一般只穿透濕陷土層（濕陷土層厚度較薄在5~10 m左右），這種樁施工完之后進行檢測，檢測的復合地基承載力作為第二種樁的計算承載力（本來計算這里用天然土的承載力），對第二種復合樁進行設計，第二種樁可以用水泥粉煤灰碎石樁、預制管樁、灌注樁等，當然如果在承載力滿足要求的前提下水泥粉煤灰碎石樁更經濟，而且水泥粉煤灰碎石樁屬于復合樁的范疇。這種方法布樁可以采用正方形或者正三角形，第二種樁布置在第一種樁的心形位置。一般使用較多的為正方形布置，一是有利于施工放線，二是可適當放大樁間距，不至于布樁太密集。設計進行建筑物沉降計算時，在第一種樁樁長范圍內可以進行壓縮模量的修正，修正系數根據勘察單位提供的經驗系數或重新試驗確定。當場地土復雜，濕陷土層之下有含水夾層時，多用此方法處理。優點：施工工藝簡單，濕陷性處理效果較好，當第一種樁在處理濕陷效果欠佳的情況下，第二種復合樁還可以選擇擠密樁對地基土進行二次擠密。缺點：工期較長，第一種樁檢測之后才能進行第二種樁的設計調整及施工。

4 結束語

上述濕陷性黃土地基的處理方法，近年來在太原東山地區被廣泛應用，都取得了良好的效果。隨著社會經濟的迅速發展,高層建筑也越來越多，濕陷性黃土地區的地基濕陷處理已經引起了各方的高度關注，同時也會有更多、更好的處理濕陷的方法出現。但在經濟性比較的同時，不管是采用哪種地基處理方法，都要有嚴密的質量控制手段,才能更有效地獲得預期的效果。

[1]GB50025-2004濕陷性黃土地區建筑規范.

[2]CECS197：2006孔內深層強夯法技術規程.