濕陷性黃土地區地基處理研究

韓 定 杰

(山西四建集團有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

目前我國常用的地基處治方法有強夯置換法、墊層法、樁基礎、擠密樁法等。但由于我國黃土分布廣泛，不同地區黃土性質存在較為明顯的差異[1]，各地區的黃土處治方法也不盡相同，即使是同一種地基處治方法的施工方案也有差異。特別是某些地區存在一些特殊的黃土，現有的處治方案不一定適合，需要先對施工區域進行工程地質勘測，再選擇合適的地基處治方案。本文通過對某工程地質狀況進行分析，研究該地區最合適的處治方法。

2 工程地質概況

2.1 地形地貌

該工程的施工場地為沖洪積平原，地面高程為745.23 m～754.37 m，施工場地地勢開闊，地面坡度約為1.2%，地形相對比較平緩。

2.2 地層結構及巖性特征

1)地層結構。

在勘測深度范圍的結構層內基本上都是第四系統沖洪積層，主要由黃土狀粉土和粉質粘土這兩種土組成，在少數地方夾雜著黃土狀粉質粘土及礫砂。

2)巖性特征。

黃土狀粉土：土壤顏色有灰黃色及褐黃色，以褐黃色為主，土壤密實程度介于中等密實與密實之間，土壤干濕程度介于稍微濕潤與濕潤之間；施工場地地表約5.2 m的土壤內含有較多的植物根莖，多孔洞，排列沒有規律，含有較多的結核。這種結構層在施工場地內廣泛分布，層厚一般為6.00 m～17.00 m，層底埋深6.00 m～17.00 m，相應層底高程為737.37 m～748.37 m。

粉質粘土：土壤顏色以灰黃色為主，塑性狀態介于可塑與硬塑之間，基本沒有鈣質結核。該結構層在工程場地內普遍存在，本次勘探試驗未能穿透此結構層，最大勘測厚度為38.30 m。

2.3 地下水條件

工程施工場地為潛水類型，含水層主要為粉質粘土層和粉土層。地下水穩定水位埋深為9.60 m～11.80 m。

2.4 地基土濕陷性分析

根據相關規范規定，判定工程施工場地的①層為濕陷性黃土狀粉土(水上)，此結構層距離地表深度大概7.6 m以下范圍內的土層具有濕陷性。施工區域的黃土為非自重濕陷性黃土，根據勘測現場的取樣分析，該區域黃土的濕陷量大部分在295 mm～325 mm范圍內，因此判斷該區域濕陷等級為Ⅱ級，最大濕陷厚度為7.93 m。

2.5 地基土主要物理力學性質指標

地基土的主要物理力學性質見表1。

表1 地基土主要物理力學性質指標一覽表

3 選擇地基處理方法的原則

由于工程等級為一級，需要嚴格控制工程的沉降差、沉降量；考慮到上部結構較重的荷載，地基承載力必須大于350 kPa；包括水工建筑物在內的一些建筑物有極大概率出現地基浸水的情況。綜合上述條件，若主要建筑物所處的地基為黃土地基，必須完全消除基礎下黃土的濕陷性[2]，且處治后的地基土必須具有很高的強度，較小的變形。根據相關規范中的要求，甲類建筑需要使用樁基礎完全穿透濕陷性黃土層或者完全消除黃土的濕陷性；乙、丙類建筑也需消除濕陷性黃土地基的部分濕陷量或者穿透全部濕陷性黃土層。

綜合考慮施工區域地基土的地質條件和多種地基處治方案的優缺點及使用限制，從而確定該區域地基土的處治方案，并充分結合當地地基土的成熟處治方法及施工經驗，從經濟性及技術等角度對多種方案進行比選，決定最終的地基土處治方法。常用的處治方法[3]有強夯置換法、墊層法、樁基礎、擠密樁法等。

4 地基處理方案分析

4.1 強夯置換法

強夯置換法是現在處理濕陷性黃土時廣泛使用的一種成熟方案，通過高處落下的重錘，對地基土造成極大的沖擊，多次反復夯擊土基，使得地基中的土體結構產生變化，變得更加密實，當出現夯坑過深導致夯擊較為困難時停止，向坑內填入碎石至與夯坑頂部平齊并記錄填入碎石的數量，然后再對其進行夯擊，直至滿足規范要求，從而極大程度地提高地基土強度和降低其變形的原理，實現加固地基土的目的。到目前為止，國內強夯置換法的最大處治深度已經可以達到12 m的深度。當施工區域地基所處的土層為大厚度濕陷性黃土時，使用強夯置換法時必須完全消除地基的濕陷性或者剩余濕陷量小于150 mm，這種方法操作技術成熟、工序少、施工進度快、周期短及投資較少的優點，但它對地基土層的含水量及飽和度有較高的要求。

1)強夯置換施工步驟。

清理施工場地并按設計標高對該區域進行平整[4]；標記場地夯點位置，測量其高程；使起重機夯錘對準標記的位置；記錄錘頂高程；記錄每次夯擊的深度。當出現夯坑過深導致夯擊較為困難時停止，向坑內填入碎石至與夯坑頂部平齊并記錄填入碎石的數量，然后再對其進行夯擊，直至滿足夯墩的深度大于2 m且停止夯擊前兩次夯擊的平均夯沉量不大于100 mm，對夯坑進行第二次填平后再對夯墩進行夯擊。隔行跳打、由內而外處治夯點。用低能量的滿夯和拍夯平整地基，將表層的松散土層夯實后再記錄此施工區域高程；試夯工作完成后，根據完整的施工記錄，提出地基施工試夯地面的平均夯沉量及主夯點的夯沉量。

2)主夯點夯坑數據及碎石置換量。

挑選具有代表性的夯點，記錄夯坑頂和夯坑底兩個截面的面積，每個截面沿不同的方向取三次直徑，其詳細統計數據見表2。

表2 夯坑坑頂、坑底直徑及夯坑體積

通過此次試驗，采用強夯法進行置換區域的碎石置換用量如下：通過夯擊過程中的總進料量與所有主夯點夯坑體積之和的比值，可以得出此次夯擊的填補系數為1.4。此次夯擊的填補系數受到夯實后碎石填料自身變得更加密實及原夯坑、夯墩體積變大這兩個主要因素影響。施工區域所使用的填料總量1 239 m3，每個夯點置換所使用的碎石料總量平均為39 m3，施工區域單位面積的置換量為1.72 m3。施工區域在使用強夯置換法夯擊前后的地面高程及夯沉量見表3。在施工區域內，單位面積的夯坑內填入1.71 m3碎石料后，強夯置換后累計沉降依然達到0.45 m，表明強夯置換法效果明顯。

表3 夯擊前后地面高程及夯沉量 m

3)地基檢測結果。

在本次強夯置換法的試驗區域內，土體夯擊前后布置探井，采集現場的土樣通過室內試驗進行研究，夯后、夯前土體主要物理力學指標詳細結果見表4。研究表明，使用強夯置換法夯擊后的土體物理力學較夯擊前提升明顯，表明該方法對施工區域內的濕陷性黃土加固效果明顯。

表4 夯后、夯前土體主要物理力學指標比較

采用強夯置換法進行夯擊后的施工區域內設置若干個探井，采集現場的土樣通過室內試驗進行濕陷性分析，發現其濕陷性系數僅有0.002～0.004，因此該試驗方案對消除施工區域內土體的濕陷性效果明顯。在使用強夯置換法進行夯擊后的土體表面設置平板載荷試驗點，確定的夯后土體承載力特征值，其數據結果見表5。

表5 強夯后土體承載力特征值

采用強夯置換法對某地區的濕陷性黃土進行處理，置換填料可以使用當地隨處可見的碎石料，不僅可以消除黃土的全部濕陷性，而且相較于一般強夯法，地基所在土體的承載力能夠提高1.5倍以上，滿足設計時其承載力達到350 kPa的要求。在后續主要建筑物施工過程中對置換的土體進行檢測，一共做了57次試驗，結果顯示施工區域土體的承載力均符合設計大于350 kPa的要求，壓縮模量均大于25 MPa，沉降量介于4.30 mm～9.84 mm之間，P—S曲線沒有出現突然下降的段落，較為平緩主體建筑物所使用的基礎類型為獨立基礎，效果顯著，因此強夯置換法值得推廣應用。

4.2 樁基方案

采用機械鉆孔或者人工的方式進行灌注樁作業。采用此方案可將濕陷性黃土層完全貫穿，相比較而言安全系數較高，因此普遍使用在工程等級比較高的建筑物地基處理中。使用這種施工方案樁體必須完全貫穿濕陷性黃土層，通過持力土層承受上部結構荷載。考慮到大厚度濕陷量大的黃土層，在進行樁基設計時需要從負摩阻力對樁體的影響等方面進行分析，較長的樁體會導致細長比過大，影響樁體的整體剛度，若土體由于水的浸泡局部區域發生濕陷導致土體的側移，這時樁體在受到水平荷載時作用等同于壓桿，進而使得樁頂大幅度位移造成建筑物的損壞。因此采用提升樁體直徑的方法增加樁基的整體剛度，必然導致樁基直徑過大，使得樁基礎的造價高昂。

4.3 擠密地基處理方法

1)利用夯擴、沖擊、沉管等方式在施工區域的土體內通過擠壓的方式成孔，從而使得施工區域周圍的土體變得更加密實，并向其中分層填土夯實形成地基。在對土體進行夯擊和填料的過程中，原位置的土體全部被壓進孔體內的周圍土體中，這種方法能夠處理5 m～10 m深度范圍內的濕陷性黃土，一般適用于處理剩余濕陷量小于150 mm的乙級以下建筑物的濕陷性。地下水位以上土體含水量介于12%～24%之間的濕陷性黃土可以考慮采用此方法進行地基處理，當含水量過小時，需考慮增加施工區域土體的濕度，使土層達到最優含水量提高地基土處理效果。

2)采用DDC工法進行地基擠密處理，該方法又被稱作孔內深層強夯法，這種方案通過提高土體的抗剪強度和密實度，減少土體變形量的方式有效降低施工區域土體的滲透能力，消除土體濕陷性，從而達到提升土體承載力的效果。這種方式處理后的地基承載力相較于一般擠密地基處理方法提升更加顯著。可以處治20 m～30 m深度的濕陷性黃土，適合那些施工區域土體處在大厚度濕陷性黃土地基的建筑物施工。但是就干硬黃土而言，當土體的含水量過小時，必須增加土體的濕度才能獲得理想的效果。

5 結語

采用強夯置換法對濕陷性黃土進行處治，置換填料可以使用當地隨處可見的碎石料，不僅可以消除黃土的全部濕陷性，而且承載力能夠提高1.5倍以上，滿足設計時承載力要求。在后續主要建筑物置換土體的檢測結果顯示施工區域土體的承載力均符合設計大于350 kPa的要求，壓縮模量均大于25 MPa，沉降量介于4.30 m～9.84 mm之間，P—S曲線沒有出現突然下降的段落，較為平緩。主體建筑物所使用的基礎類型為獨立基礎，效果顯著，因此強夯置換法值得在我國失陷性黃土地區推廣應用。