大厚度濕陷性黃土地基樁基方案及基樁檢測探討

劉 金，門青波，拓佳勝，鄧軍濤

1.機械工業勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710043

2.信息產業部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054

關中渭北地區處于黃土高原與渭河盆地的接觸地帶，地貌單元由北向南依次為山地、山前洪積扇（群）、黃土臺塬和渭河階地，其中黃土臺塬區分布面積廣闊，上覆厚度數十米至百余米的第四系中～上更新統風積黃土，上部黃土具有濕陷性，厚度大于20m，為大厚度濕陷性黃土。建造在大厚度濕陷性黃土區的構筑物必須選用合適的地基處理方案，全部或者部分消除黃土的濕陷性，當采用樁基礎時，樁的設計參數取值和基樁豎向承載力檢測對工程質量和安全至關重要，需要在實踐中探討總結積累經驗。

1 工程概況

某工程場地位于西安市北部某區的一黃土臺塬上，建設工程為2座高聳構筑物，高度為30～40m，建筑類別為乙類，工程重要性等級為一般[1]。

2 場地地形與地層情況

場地地勢由北向南微傾，地形開闊平坦，地面高程在470m左右。場地勘探深度范圍內（50m）的地層為第四系中～上更新統風積黃土和古土壤層，從上往下共分為11層，黃土層層號為①、③、⑤、⑦、⑨和，古土壤層層號為②、④、⑥、⑧和⑩。黃土呈黃褐色，針狀孔隙發育，含白色鈣質條紋或鈣質結核，偶見蝸牛殼；古土壤呈棕褐色、褐紅色或淺棕紅色，局部鈣質結核富集，其中第④和⑩層的俗稱分別為“紅二條”和“紅三條”。各層分布連續，層位穩定，其層底深度和厚度如表1所示。

表1 各層土層底深度和厚度統計表 單位：m

3 黃土的物理力學性質

3.1 黃土的物理性質

（1）含水率、重度和飽和度：第①層黃土的指標最小，黃土和古土壤層的指標分別自上而下逐漸增大，古土壤層的指標大于上部相鄰黃土層的指標。第④層及以上各層的指標較小但變化率大，第④層以下各層的指標較大但變化率小。

（2）孔隙比：黃土和古土壤層的指標分別自上而下逐漸減小，黃土層的指標大于下部相鄰古土壤層的指標。第④層古土壤（紅二條）層頂往下孔隙比降至1.0以下，第⑦層黃土層底往下孔隙比降至0.8以下，第⑩層古土壤（紅三條）層頂往下孔隙比降至0.75以下。

（3）液限、塑限和液性指數：整個場地各層土指標變化不大，土的狀態為堅硬～硬塑。各層土物理性質統計結果如表2所示。

表2 黃土物理性質指標統計表

3.2 黃土的力學性質

主要探討各層土的壓縮性，其統計結果如表3所示。

表3 黃土壓縮性指標統計表

除第①層黃土外，其余各層的指標變化不大，各層土均為中壓縮性。

4 黃土的濕陷性及單樁承載力

4.1 濕陷程度

（1）該場地第⑦層黃土及以上各層的濕陷系數和自重濕陷系數均大于0.015，為濕陷性黃土，第⑦層以下各層為非濕陷性黃土。

（2）第①層黃土濕陷系數介于0.035～0.148，平均值為0.093，濕陷性強烈；第③層黃土濕陷系數介于0.017～0.077，平均值為0.046，濕陷性中等；第④層至第⑦層濕陷系數介于0.016～0.028，濕陷性輕微。

4.2 濕陷性黃土厚度

濕陷性黃土總厚度最大為34.7m，其中濕陷性強烈的土層層底深度為8.80～10.10m，平均厚度約10m，濕陷性中等的土層層底深度為19.40～20.90m，平均厚度約10m，濕陷性輕微的土層層底深度為32.80～34.70m，平均厚度約13m。

4.3 濕陷類型及等級

該場地自重濕陷量的計算值介于423～987mm，大于350mm，為自重濕陷性黃土場地；總濕陷量的計算值介于1145～1742mm，遠大于700mm，濕陷等級為Ⅳ級（很嚴重）。

4.4 單樁承載力

由于第①～⑦層具有濕陷性，不能作為樁端持力層，另外，在消除濕陷性時樁周土對樁身存在負摩阻力，結合該項目實際，對各土層提出了單樁承載力標準值。該場地黃土濕陷性和單樁承載力指標結果如表4所示。

表4 黃土濕陷性和單樁承載力指標統計表

5 樁基方案論證

該場地為大厚度濕陷性黃土場地，建筑類別為乙類，采用消除地基部分濕陷量的措施時，基礎底面下具有自重濕陷性的黃土層應全部處理[2]，該項目采用樁基礎穿透全部濕陷性黃土層，即樁端持力層選擇第⑦層黃土層以下地層。

該項目設計采用鉆孔灌注樁，樁徑800mm，樁長37m，設計單樁豎向極限承載力為2600N。在進行單樁豎向承載力驗算時，結合該場地實際情況，對樁側摩阻力和樁端阻力取值進行了探討。一方面，場地地下水位埋深大（大于50m），所在黃土臺塬為旱塬，地表水入滲深度有限，同時擬建構筑物為無水構筑物，場地內的濕陷性黃土尤其是深部的濕陷性黃土不具備濕陷條件；另一方面，濕陷性土層最大下限深度為34.7m，樁身穿越自重濕陷性黃土層，中性點深度比按0.6考慮且在此基礎上中性點深度增大10%[3]，中性點深度為22.8m。基于這兩方面的考慮，經過反復論證，形成如下意見：

（1）對濕陷性中等～強烈的區段（0～20m），樁側極限摩阻力取負值（可取-30kPa）；對濕陷性輕微的區段（20～33m），樁側極限摩阻力取正值（可取50kPa）；對非濕陷性樁側極限摩阻力可按90kPa取值，樁端極限端阻力可按3000kPa取值。

（2）單樁承載力值以試樁的載荷試驗結果為依據，必要時進行設計調整。

6 基樁檢測

6.1 檢測方案選擇

一般而言，在濕陷性黃土場地測試單樁豎向承載力采用單樁豎向靜載荷浸水試驗，但對于該場地的構筑物，采用天然狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗。這主要基于以下方面進行考慮：

（1）場地內古墓葬分布密集，需確保文物安全，不適宜做試坑浸水試驗。

（2）場地處于旱塬上，年降水量較小，即使在暴雨或連陰雨下，入滲深度也很有限，另外該構筑物屬無水構筑物，建成后地基浸水可能性小。

（3）建筑規模較小，總樁數不足100根，但試坑浸水試驗用水量大，場地位于塬上，缺乏水源，供水代價大，耗費財力和時間進行試驗不夠經濟。

（4）試坑浸水試驗周期長，要使超過30m厚的濕陷性黃土浸水達到飽和狀態且保證樁頂沉降達到穩定，在實踐中很難做到，成功率低，達不到試驗目的。

（5）場地為天然場地，試坑浸水試驗后變為飽和場地，導致場地的原始設計條件發生變化。

（6）天然狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗，方法簡單、可行且符合實際條件，對試驗結果進行折減亦可達到確定單樁承載力的目的。

6.2 單樁豎向承載力確定

采用天然狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗結果扣除濕陷土層的側摩阻力和負摩阻力，確定單樁豎向承載力。單樁靜載試驗應加至極限或接近極限荷載，試驗結果中濕陷性中等～強烈的區段（0～20m）扣除負摩阻力和正側阻力，其下濕陷性土層扣除正側阻力，其側阻力可參考單樁承載力指標的建議值。

7 結論

（1）該場地地基土為黃土和古土壤，其物理力學性質指標以標志層（第①層黃土和第④層古土壤）為分界，存在很強的規律性。

（2）該場地為大厚度自重濕陷性黃土場地，濕陷性黃土最大厚度為34.7m，濕陷等級為Ⅳ級（很嚴重）。

（3）濕陷性黃土的濕陷程度，第①～③層為中等～強烈，厚度約20m，第④～⑦層為輕微，厚度約13m。基于此，根據場地涉水條件，經論證，對濕陷性中等～強烈的區段，樁側極限摩阻力取負值（可取-30kPa），對濕陷性輕微的區段，樁側極限摩阻力取正值（可取50kPa），解決了單樁豎向承載力驗算時樁側摩阻力的取值問題。

（4）基樁檢測時，考慮到在該場地進行試坑浸水試驗的必要性、經濟性和實施難度，用天然狀態下單樁豎向抗壓靜載試驗折減的方案代替單樁豎向靜載荷浸水試驗確定單樁豎向承載力。

（5）基樁的端阻力具有很重要的作用，施工時應對沉渣厚度進行重點控制。場地應采取嚴格防水措施，做到雨水的有序排放，應適當加寬構筑物周邊硬化地面。