濕陷性黃土地基處理淺析

李曉明

（中鐵三局集團第六工程有限公司，山西 晉中 030600）

1 正確認識和評價黃土濕陷性

《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》（TB10002.5—2005）中明確指出：黃土的濕陷性應按濕陷系數判定。濕陷系數是根據室內浸水至飽和后進行壓縮試驗，在一定壓力下的測定值。當濕陷系數小于0.015時，定為非濕陷性黃土，當濕陷系數等于或大于0.015時，定為濕陷性黃土。

濕陷性黃土的濕陷程度根據濕陷系數δs的大小分為3種：

（1）當0.015≤δs≤0.03時，濕陷性輕微。

（2）當0.03<δs≤0.07時，濕陷性中等。

（3）δs＞0.07時，濕陷性強烈。

2 濕陷性黃土地基對橋涵等建筑物的影響

在濕陷性黃土地區修建鐵路和公路，主要是穩定與沉降變形問題。黃土具有直立性，在沖溝地段，道路填方高度一般都較高（個別地段填方高達19 m），不僅要考慮基礎的傾覆穩定，還要考慮橋涵連同土坡或路基沿滑動弧面滑動的穩定性。橋涵病害也常常是由沉降引起的。國家鐵路設計標準高、交通量大、車速高、路基填土高、濕陷性黃土地基的穩定與沉降問題就顯的較為突出，這也是《鐵路橋涵地基和基礎設計規范》中把濕陷性黃土地基作為專門一類特殊地基的原因之一。

3 濕陷性黃土地基處理方法的選擇原則

黃土濕陷的內因是土的多孔性及不抗水的顆粒間聯結，其外部原因則是水的浸蝕。因此選擇地基處理方法，應根據建筑物的重要性和它對沉降的敏感程度、地基被浸水的可能性、地基土的濕陷類別和濕陷等級、土的變形和強度、地下水的可能變化情況和洪水淹沒的可能性，并考慮施工設備、施工進度、材料來源和當地環境等因素，經技術經濟綜合分析比較后確定。

4 西安鐵路樞紐改擴建工程地基處理方法

西安鐵路樞紐位于渭河一、二級階地交界處，地形開闊，地勢略有起伏，地面高程一級階地一般為366～367.5 m之間，二級階地一般為370～400 m之間，一、二級階地相對高差約14～18 m。地表層多已開墾為農田，地表60 m以下范圍內出露的地層主要有第四系全新統沖積黏質黃土（分布于渭河一級階地表層），第四系上更新統沖積黏質黃土（分布于渭河二級階地表層），其下為中更新沖積砂類土、粉質黏土。鍋底狀地貌分布較多，地表土多為黏質黃土，土質尚均勻，具大孔隙，有蟲孔，含鈣質結核，硬塑為主，Ⅱ級普通土，具有不同程度的濕陷性；濕陷層厚達16～18m。因此，在本工程中選用了多種地基處理方法。

4.1 墊層法

墊層法處理地基是以土治土的一種方法。這種方法在我國已有悠久的歷史，積累了豐富的成功經驗。墊層法分素土墊層和灰土墊層等。

4.1.1 墊層法的適用條件

（1）僅要求消除基礎底下土層的濕陷性時。

（2）當要求提高土的承載力或同時要求增強土的水穩性時，宜采用灰土墊層或整片灰土墊層。

（3）地下水位以上。

（4）處理厚度1～8 m。對于嚴重和很嚴重的自重濕陷性黃土，對重要性建筑物地基宜采用整片處理。

4.1.2 墊層法的技術要求

（1）墊層法的質量用壓實系數控制，并應符合下列規定：小于或等于3 m的土（或灰土）墊層，不應小于0.95。大于3 m的土（或灰土）墊層，其超過3 m部分不應小于0.97。

墊層厚度宜從基礎底面標高算起。壓實系數λc可按式（1）計算：

式中：λc：壓實系數；

ρd：土（或灰土）墊層的控制（或設計）干密度，g/cm3；

ρdmax：標準擊實試驗測得土（或灰土）的最大干密度，g/cm3。

（2）墊層的承載力特征值。墊層的承載力特征值，應根據現場原位（靜載荷或靜力觸探等）試驗結果確定。當無試驗資料時，對上墊層不宜超過180 kPa，對灰土墊層不宜超過250 kPa。

（3）墊層的配合比。施工土（或灰土）墊層，應先將基底下擬處理的濕陷性黃土挖出，并利用基坑內的黃土或就地挖出的其他黏性土作填料（灰土應過篩和拌合均勻），然后根據所選用的夯（或壓）實設備，在最優或接近最優含水率下分層回填、分層夯（或壓）實至原地面標高以上。

灰土墊層中的消石灰與土的體積配合比，宜為2∶8或3∶7。

當無試驗資料時，土（或灰土）的最優含水率宜取該場地天然土的塑限含水率為其填料的最優含水率。

值得注意的是用黃土作墊層的填料，與用一般黏性土一樣，雖然其他地基參數都能達到，但其濕陷性并不是任何ρdmax都能消除的，這是黃土墊層同其他一般土墊層的最大區別。

另外，灰土中使用的石灰應不低于3級，即生石灰中的活性氧化物（CaO+MgO）不應少于60%。當石灰級別偏低，或石灰夾雜物較多時，應適當增加石灰劑量。

（4）墊層的處理范圍。整片墊層平面處理范圍，每邊超出建筑物外墻基礎外緣的寬度不應小于其厚度，并不應小于2.0 m。

4.2 強夯法

本法借助夯錘自由下落的強大沖擊能和所產生的沖擊波反復夯壓地基土，將夯面以下一定深度內的土層夯壓密實，從而提高地基承載力和穩定性（降低壓縮性、消除濕陷性或振動液化性），使地基土得以加固處理，以滿足上部建筑物的要求。

關于強夯法的實際運用問題，我國有一套較好的實踐經驗：①夯擊法的布置：一般按方格網或梅花狀布置，夯擊點間距和夯擊遍數與所需加固土層深度有關。需加固土層較深時間距應大些，反之應小些；第一遍夯擊間距應大些，以后幾遍間距應小些。夯擊點間距一般為5～15 m。②夯擊點的夯擊擊數：擊數與夯擊能大小有關，但以使土體豎向壓縮最大、側向位移最小為原則，一般為5～10擊。③夯擊遍數：一般為1～8遍。含細顆粒多、透水性弱的地層，加固要求高的工程夯擊遍數宜多些，反之可少些。兩遍之間的間隔時間取決于孔隙水壓力的消散情況，一般為2～4周。④強夯加固范圍：一般比擬建建筑物的范圍略大些，通常寬出1/2～1H（H為所需加固土層的深度）。

4.2.1 強夯法的適用條件

（1）地下水位深度應低于需處理的深度以下0.5～1.0 m。

（2）處理深度以內土的含水率應接近土的塑限含水率，飽和度小于60%。

（3）施工時周圍環境對夯擊振動無嚴格限制。

（4）濕陷性黃土厚度3～12 m時。

（5）在擬夯土層內，當土的含水率小于10%或大于塑限含水率ωρ+3%時，對前者施工前應加水增濕至塑限含水率；對后者應采取措施適當降低含水率。

4.2.2 強夯法的機具設備及參數的確定

（1）覆帶起重機穩定性好、耐振動，要求起重能力不小于夯錘重的1.5倍，吊臂長度應保證夯錘起吊高度的要求，吊臂在滿足起重重量下，回轉半徑不小于6 m；為防止夯錘在空中脫鉤后仰，在吊臂中段應加設彈性支撐。

（2）夯錘重力為100～200 kN，落距為10～20 m，錘底靜壓力為25～40 kPa，錘底直徑為2.3～3.0 m。

（3）消除濕陷性土層厚度，即按式（2）計算：

式中：H：消除濕陷性土層厚度（m），從夯擊終止時的夯面算起，至δs<0.015土層頂止；

Q：夯錘重力，kN；

h：夯錘落距，m；

a：因土質而異的修正系數，一般取0.3～0.5，土的含水率適中時取大值，其他情況可取小值。

4.2.3 強夯法的效果

濕陷性黃土地基經強夯法處理后，一般可轉變為非濕陷性地基；自重濕陷性黃土經強夯法的處理，上層有5～8 m厚的土層形成隔水層，對下部未處理的濕陷性土層起到良好的防水保護作用。濕陷性黃土地基經強夯法處理后，可用來作為荷載大、嚴格控制不均勻變形的建（構）筑物的地基。

實踐證明，應用強夯法處理濕陷性黃土地基，質量好、工期短、造價低，具有顯著的技術經濟效果。在濕陷性黃土地區推廣應用強夯法，對改變當前處理地基工期長、費用高的局面，加快建筑速度，降低工程造價有現實意義。

4.3 擠密法

1968年以來，對濕陷性黃土地基處理，我國開始大量采用擠密樁方法，并取得了良好的技術、經濟效果。

4.3.1 灰土擠密樁處理地基的適用條件

（1）地下水位以上。

（2）處理深度以內土的飽和度Sr<65%。

（3）濕陷性黃土厚度<20 m。

4.3.2 擠密樁的技術要求

（1）采用擠密法時，對甲、乙類建筑或在缺乏建筑經驗的地區，應于地基處理施工前，在現場選擇有代表性的地段進行試驗或試驗性施工，試驗結果應滿足設計要求，并應取得必要的參數再進行地基處理施工。

（2）擠密孔的孔位宜按正三角形布置。孔心距可按式（3）計算：

式中：S：孔心距，m；

D：擠密填料孔直徑，m；

d：預鉆孔直徑，m；

pdo：地基擠密前壓縮層范圍內各層土的平均干密度，g/cm3；

pdmax：擠密填孔（達到D）后，3個孔之間土的平均擠密系數，不宜小于0.93。

（3）孔底在填料前必須夯實。孔內填料宜用素土或灰土，必要時可用強度高的填料如水泥土等。當防（隔）水時，宜填素土；當提高承載力或減小處理寬度時，宜填灰土、水泥土等。填料時，宜分層回填夯實，其壓實系數不宜小于0.97。

（4）成孔時可選用沉管（錘擊或振動）、爆擴、夯擴、沖擊等方法。含水率ω<10%或ω>23%的地基土不宜用爆擴擠密。

（5）成孔擠密宜由外向里，間隔分批進行，并應預留擾動層。其厚度當機械孔時為0.3～0.7 m，爆擴成孔時為1～2 m。

（6）處理范圍：①局部處理的非自重濕陷性黃土地基，每邊應超出基礎邊緣0.25 B（B為基礎寬度），不應小于0.5 m。②局部處理自重濕陷性黃土地基，每邊宜超出基礎邊緣0.75 B，并不應小于1 m。③整片處理，每邊超出建筑外墻外緣的寬度，不宜小于處理厚度的1/2。

4.4 荷載傳遞法-樁基礎

采用樁基礎穿過濕陷性黃土層免受地基濕陷的危害，是很早就應用的一種地基處理方法。

濕陷性黃土地基有時太厚，用其他方法處理難度大、不經濟；或是建筑物很重要，對地基變形量的控制要求很高，其他處理措施難以達到，此時采用荷載傳遞法較好。即將上部結構的荷載通過穿過整個濕陷性黃土層的樁基礎傳遞給下部堅實的非濕陷性土層。這種方法的特點是具有很高的可靠性，上部土層即使浸水，也可完全避免因上部土層濕陷性而造成的危害。其次，樁基礎承載高、沉降速率慢、沉降量小而均勻。

實際上，這種方法已超出了濕陷黃土地基的處理范圍，它已不把濕陷性黃土層作地基使用了，而將其下部堅實的非濕陷性土層作為地基，作為荷載的最終承受單元。但可將這種方法視作地基處理的一種極端措施。

5 結束語

鐵路或公路經過濕陷性黃土地區，對濕陷性黃土地基處理問題的研究越來越受到有關方面和科研技術人員的重視。設計人員在掌握了解了詳細的勘察資料后，應根據當地的具體情況和積累的實踐經驗，通過必要的分析和計算，確定濕陷性黃土地基是否需要處理，采用什么處理方法經濟合理有效。在設計和施工中還可以結合具體工程條件，采用其他（如預浸水法、碎石樁法等）經試驗或工程實踐證明行之有效的方法。

施工人員對濕陷性黃土地基問題既要十分重視，又不能過于保守，合理選用處理黃土濕陷性方法，這對加快建筑速度、降低工程造價具有現實意義。