談蘭州地區(qū)濕陷性黃土的孔隙率對(duì)濕陷性的影響

曹程明 胡殿杰 張森安 郭志元

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

談蘭州地區(qū)濕陷性黃土的孔隙率對(duì)濕陷性的影響

曹程明 胡殿杰 張森安 郭志元

(甘肅中建市政工程勘察設(shè)計(jì)研究院，甘肅 蘭州 730000)

依據(jù)蘭州地區(qū)濕陷性黃土場(chǎng)地的實(shí)際資料，對(duì)比分析了孔隙率在沉管擠密樁處理后與天然狀態(tài)下的變化情況，并探討了孔隙率和濕陷系數(shù)在沉管擠密樁處理后與天然狀態(tài)下的規(guī)律性，對(duì)今后黃土地區(qū)采用沉管擠密樁地基處理施工提供參考。

沉管擠密樁，濕陷性黃土，地基處理，孔隙率，濕陷系數(shù)

0 引言

隨著蘭州市黃土梁卯區(qū)域的不斷建設(shè)，外部所傳遞的荷載與地下水位變化、地表雨水的入滲或城市用水等原因引起的含水量，外部荷載與含水量二者的相互結(jié)合，將會(huì)造成濕陷性黃土的承載力降低、壓縮性能增大，這種壓密變形和濕陷變形必將造成更多工程不良的后果，如城市基坑邊坡滑塌、高層建筑物的沉降開(kāi)裂，影響諸多工程的正常使用。這里的濕陷變形與孔隙率的變化密切相關(guān)。在具體巖土工程參數(shù)評(píng)價(jià)的基礎(chǔ)上，采用非常適宜的地基處理方案，對(duì)此類(lèi)工程的建設(shè)及安全使用具有重要意義。本文以蘭州地區(qū)近年來(lái)我單位進(jìn)行工程為例，就蘭州自重濕陷性黃土沉管擠密樁法處理后濕陷性黃土復(fù)合地基孔隙率與濕陷系數(shù)的關(guān)系進(jìn)行了探討。

1 試驗(yàn)土樣的來(lái)源

試驗(yàn)所用天然狀態(tài)和沉管擠密樁地基處理后的黃土土樣分別取自蘭州市的彭家坪區(qū)域、青白石區(qū)域、和平區(qū)域以及秦王川區(qū)域。由于取樣的各方面技術(shù)問(wèn)題，尤其對(duì)于沉管擠密樁地基處理后的樁體樣和樁間樣，將會(huì)對(duì)原狀樣的物理力學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生一定的影響，因此要從特定規(guī)范要求的規(guī)定取樣。此次采用機(jī)械洛陽(yáng)鏟成孔后在探井中人工取樣，取土深度為20 m左右，土樣為Q3濕陷性黃土，上部針狀孔隙發(fā)育，下部孔隙不發(fā)育，局部夾有粉質(zhì)粘土及粉砂團(tuán)狀塊體。在現(xiàn)場(chǎng)把土樣削成20 cm～30 cm的圓柱體，注明土樣上下方向，并用鐵皮桶和膠帶包好，在運(yùn)輸過(guò)程中要避免對(duì)土樣的擾動(dòng)。所取原狀黃土的主要物理指標(biāo)的平均值如表1，表2所示。

表1 天然狀態(tài)下黃土的主要物理指標(biāo)平均值

表2 沉管擠密樁地基處理后黃土的主要物理指標(biāo)平均值

從表1可以看出，四個(gè)地區(qū)的濕陷性黃土狀粉土的天然含水量的平均值介于10.02%～13.42%，孔隙比指標(biāo)平均值介于0.917～0.996。物理狀態(tài)表現(xiàn)為：稍濕、稍密。αν平均值介于0.32 MPa-1～0.54 MPa-1之間，Es平均值介于8.90 MPa～12.34 MPa之間，屬中～高壓縮性土。均為Ⅲ級(jí)～Ⅳ級(jí)自重濕陷性場(chǎng)地。

2 沉管擠密樁處理后孔隙率與天然狀態(tài)下孔隙率的對(duì)比

在濕陷性黃土中有兩種變形，其一是由于附加荷載變化而產(chǎn)生的壓密變形，其二是由于含水量變化而產(chǎn)生的濕陷變形，這兩種變形相互影響。而此兩種變形與濕陷性黃土的孔隙率密切相關(guān)。

蘭州市不同地區(qū)經(jīng)沉管擠密樁處理后的孔隙率與天然狀態(tài)下孔隙率隨深度變化的對(duì)比曲線(xiàn)如圖1～圖4所示。

1)對(duì)于不同地區(qū)的濕陷性黃土，經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，樁體和樁間的孔隙率較天然狀態(tài)下的孔隙率皆降低，且樁體的孔隙率較樁間的孔隙率小，說(shuō)明經(jīng)素土回填形成的沉管擠密樁樁體的密實(shí)度比樁間的密實(shí)度大；

2)對(duì)于青白石地區(qū)和和平地區(qū)，經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，由于天然狀態(tài)下的黃土層的含水量接近于最優(yōu)含水量，使得樁體和樁間的孔隙率較天然狀態(tài)下降低明顯；

3)根據(jù)GB 50025—2004濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范表6.1.10和JGJ 79—2012建筑地基處理技術(shù)規(guī)范7.5.1，經(jīng)沉管擠密樁地基處理的深度宜為3 m～15 m，從圖1～圖4也可以看出，當(dāng)深度大于15 m時(shí)，沉管擠密樁地基處理的效果并不明顯，處理后樁體和樁間的孔隙率較天然狀態(tài)下孔隙率降低幅度不大，尤其對(duì)于彭家坪地區(qū)和秦王川地區(qū)，說(shuō)明沉管擠密樁法地基處理的深度具有一定的局限性；

4)從圖1～圖4可以看出，由于黃土的結(jié)構(gòu)性綜合反映著黃土含水量、天然重度和相互粘結(jié)的影響，外部荷載的作用使得黃土的結(jié)構(gòu)性發(fā)生相應(yīng)的變化，而這種黃土的結(jié)構(gòu)與自身的孔隙率密切相關(guān)，因此經(jīng)沉管擠密處理后不同深度處的孔隙率也表現(xiàn)出不均勻性。

3 沉管擠密樁處理后孔隙率和濕陷系數(shù)與天然狀態(tài)下孔隙率和濕陷系數(shù)的規(guī)律性

對(duì)于濕陷性黃土的濕陷變形，主要有兩大原因，其一是內(nèi)聚力降低，當(dāng)外部荷載和含水量同時(shí)作用下，內(nèi)聚力遭到破壞，同時(shí)黃土的結(jié)構(gòu)性也遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致孔隙率變大；其二是內(nèi)摩擦角減小，當(dāng)黃土表面吸附自由水的水膜增厚使得黃土自身發(fā)生膨脹，必然導(dǎo)致濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)在一定程度上遭到破壞，從而發(fā)生黃土的濕陷。從這兩個(gè)原因可以看出，濕陷性黃土產(chǎn)生濕陷的原因是黃土體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和外部荷載相互影響而發(fā)生的。內(nèi)部的結(jié)構(gòu)主要指黃土體的圍觀結(jié)構(gòu)和宏觀結(jié)構(gòu)共同所表現(xiàn)出來(lái)的，外部荷載是指永久荷載、活荷載及偶然荷載。

濕陷性黃土的增濕變形，主要是由于地下水的升降和地表水的入滲而產(chǎn)生的。其一，當(dāng)前城市人口的劇增及氣候的變化影響，使得城市生活用水、污水排量迅速增長(zhǎng)，這就造成地表水的入滲在濕陷性黃土地區(qū)必然造成濕陷變形發(fā)生，而且是小范圍的發(fā)展，自上而下，發(fā)生濕陷變形的過(guò)程較快；其二，由于近幾年蘭州市降雨量變大，使得地下水位不斷上升，而且是自下而上發(fā)展，影響的范圍較大，濕陷變形的發(fā)展較地表水慢，而且兩方面的形成過(guò)程對(duì)于上部建筑物的弊端是不同的。

國(guó)內(nèi)外已經(jīng)通過(guò)一些儀器設(shè)備研究了濕陷性黃土的微觀結(jié)構(gòu)，譬如用壓汞法定量研究黃土體顆粒的大小，孔隙的分布規(guī)律以及結(jié)構(gòu)性的破壞過(guò)程。同時(shí)也研究了濕陷性黃土的孔隙如何隨著外部荷載和含水量的變化而變化，進(jìn)而影響黃土體結(jié)構(gòu)的變化。再者利用顯微鏡下對(duì)濕陷性黃土在濕陷前期和后期進(jìn)行了大量的觀察，查明在外部荷載和含水量同時(shí)變化時(shí)濕陷變形是如何發(fā)展的，可以看出濕陷性黃土的壓密變形和濕陷變形與孔隙率的變化密切相關(guān)。

蘭州市不同地區(qū)經(jīng)沉管擠密樁處理后的孔隙率和濕陷系數(shù)與天然狀態(tài)下孔隙率和濕陷系數(shù)對(duì)比的變化曲線(xiàn)如圖5～圖8所示。

1)對(duì)于不同地區(qū)的濕陷性黃土，經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，樁體和樁間的濕陷性幾乎已全部消除，僅有極個(gè)別點(diǎn)未消除，這是由于黃土結(jié)構(gòu)的不均勻，孔隙率較大，使得局部的濕陷性并未消除，但濕陷系數(shù)δ介于0.015～0.030之間，濕陷性屬于輕微，對(duì)整體地基影響不大。

2)從圖5～圖8也可以看出，經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，局部樁體和樁間的濕陷性并未消除，這是由于受機(jī)械設(shè)備的限制，使得地基處理后深部影響不大，導(dǎo)致黃土中的孔隙率并沒(méi)有減少，進(jìn)而深部土層中的濕陷性難以消除。

3)經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，各個(gè)地區(qū)皆表現(xiàn)出孔隙率與濕陷系數(shù)的變化并沒(méi)有一定的規(guī)律性，就是由于濕陷性黃土結(jié)構(gòu)的不均勻性，導(dǎo)致處理后孔隙率無(wú)規(guī)律性，但孔隙率在一定程度上也已降低，使得濕陷性幾乎已全部消除，同時(shí)也達(dá)到地基處理的目的，承載力和密實(shí)程度都已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4)從圖5～圖8還可以看出，當(dāng)土層中的含水量接近最優(yōu)含水量時(shí)，復(fù)合地基中的樁體和樁間的孔隙率及濕陷系數(shù)有較好的規(guī)律性，且濕陷性可以完全消除。

4 結(jié)語(yǔ)

沉管擠密樁的地基處理范圍由機(jī)械能力的大小而控制，對(duì)于蘭州地區(qū)的濕陷性黃土場(chǎng)地，當(dāng)處理了一定深度后，某一深部的黃土層的濕陷變形對(duì)于外部荷載產(chǎn)生的附加應(yīng)力已不是主導(dǎo)因素，但深部發(fā)生側(cè)向浸水，有可能會(huì)發(fā)生濕陷變形，最終取決于產(chǎn)生濕陷的壓力是否與飽和自重壓力相當(dāng)。在具有濕陷性場(chǎng)地的地基土如果進(jìn)行了地基處理后，應(yīng)按照有關(guān)規(guī)范對(duì)處理后的地基進(jìn)行效果檢測(cè)，并重新評(píng)價(jià)場(chǎng)地的濕陷等級(jí)，以減少工程的投資。

1)對(duì)于具有濕陷性黃土場(chǎng)地，經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，樁體和樁間的孔隙率較天然狀態(tài)下的孔隙率皆降低，且樁體的孔隙率較樁間的孔隙率小。

2)經(jīng)沉管擠密樁法地基處理后，孔隙率與濕陷系數(shù)的變化并沒(méi)有一定的規(guī)律性，就是由于濕陷性黃土結(jié)構(gòu)的不均勻性，導(dǎo)致處理后孔隙率無(wú)規(guī)律性，但孔隙率在一定程度上也已降低，使得濕陷性幾乎已全部消除，同時(shí)也達(dá)到地基處理的目的，承載力和密實(shí)程度都已經(jīng)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3)通過(guò)蘭州市四個(gè)地區(qū)的分析可知，沉管擠密樁地基處理方法在一定的深度內(nèi)可以達(dá)到消除濕陷性、提高承載力、降低壓縮性的目的。此種地基處理方法，對(duì)于黃土地區(qū)的工程建設(shè)具有較好的實(shí)用價(jià)值。

[1] GB 50025—2004，濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].

[2] JGJ 79—2012，建筑地基處理技術(shù)規(guī)范[S].

[3] 龔曉楠.地基處理手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[4] 羅宇生，汪國(guó)烈.《濕陷性黃土研究與工程》論文集[C].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2016.

[5] 錢(qián)鴻縉，王繼唐.濕陷性黃土地基[M].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，1985.

Discussion on the influence of the porosity of collapsible loess to collapsibility in Lanzhou area

Cao Chengming Hu Dianjie Zhang Sen’an Guo Zhiyuan

(GansuZhongjianMunicipalEngineeringSurveyandDesignInstitute,Lanzhou730000,China)

Based on the actual data of collapsible loess site in Lanzhou area, this paper analyzed the variation situation of porosity after immersed tube compaction pile treatment and in natural state, and discussed the regularity of porosity and collapsibility coefficient after immersed tube compaction pile treatment and in natural state, provided reference for future loess area using immersed tube compaction pile construction.

immersed tube compaction pile, collapsible loess, foundation treatment, porosity, collapsibility coefficient

2016-12-04

曹程明(1982- )，男，碩士，工程師

1009-6825(2017)05-0103-03

TU475.3

A