影響濕陷性黃土的因素及地基處理方法

吳學斌 張效康 韓 磊 周玉葉

中國化學工程第六建設有限公司 湖北襄陽 441100

濕陷性黃土是我國比較普遍的工程地質條件，其土質特點和工程危害表現為遇水浸濕時黃土發生增濕軟化效應，強度顯著降低，在附加壓力或在附加壓力與土的自重壓力下引起濕陷變形，是一種下沉量大、下沉速度快的黃土。有些雜填土也具有濕陷性［1］。研究表明，粗粉粒和砂粒在黃土結構中起骨架作用，由于在濕陷性黃土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接觸，能直接接觸的大多為粗粉粒。細粉粒通常依附在較大顆粒表面，特別是集聚在較大顆粒的接觸點處與膠體物質一起作為填充材料。粘粒和土體中所含的各種化學物質如鋁、鐵、無定型的鹽類等，多集聚在較大顆粒的接觸點起膠結和半膠結作用。在天然狀態下，砂粒和粗粉粒由于上述膠結物的凝聚結晶作用被牢固地粘結著，使濕陷性黃土具有較高的強度。而遇水時，由于水對各種膠結物的軟化作用，使土的強度突然下降從而產生濕陷。我國濕陷性黃土的容重為1.2 ～1.9g/ cm3，天然含水量為7%～23%，孔隙比為0.78～1.50，液限為21.7%～32.5%，塑性指數為6.7～13.1。

1 濕陷性黃土的性質

黃土濕陷性是指天然黃土在一定壓力下受水浸濕，土質結構發生迅速破壞，并發生顯著附加下沉的特性。濕陷性黃土地基分為自重濕陷與非自重濕陷兩種類型。在工程勘察過程中，對黃土的濕陷性，應按室內壓縮試驗在一定壓力下測定的濕陷性系數（δs）來判定。δs的計算式見式（1）。

式中：hp——保持天然濕度和結構的土樣，加壓至一定壓力時，下沉穩定后的高度，cm；

當δs＜0.015 時，定性為非濕陷性黃土；

當δs≥0.015 時，定性為濕陷性黃土。

通常，0.015≤δs≤0.030 時，屬輕微濕陷性；0.030≤δs≤0.070 時，屬中等濕陷性；δs＞0.070 時，屬強烈濕陷性。

在工程中，建筑場地的濕陷類型，應按實測自重濕陷量或室內壓縮試驗計算的自重濕陷量來判定。當實測或計算自重濕陷量≤70mm 時，應定為非自重濕陷性黃土場地；當實測或計算自重濕陷量＞70mm 時，應定為自重濕陷性黃土場地。

濕陷性黃土的力學性質通常用壓縮模量、壓縮系數、凝聚力、內摩擦角和無側限抗壓變形等指標表示。在同一場地里，相關指標有時變化幅度較大，無規律性，造成施工難度較大，地基處理投入較多。我國部分地區濕陷性黃土的力學性能指標見表1。

表1 濕陷性黃土力學性能指標

2 濕陷性的影響因素

影響黃土濕陷性的因素很多，主要包括黃土的形成時代、密度、粘粒含量和空隙性等［2］。

（1）形成時代：總的來說，在完整的黃土地層剖面分布中，從地表向下排列，第一層黃土為中等濕陷性；第二層黃土為輕微濕陷性；第三及以下各層黃土為無濕陷性。以上三層均為不均勻分布。

（2）密度：黃土的密度一般較小。密度越大，土的密實程度越高，孔隙比較小，黃土的濕陷性相應減弱。

（3）粘粒含量：粘粒是指粒徑小于0.005mm 的細粒。黃土的粘粒含量越少，濕陷性越強；反之，濕陷性越弱，黃土中所含的粘粒越少。

（4）空隙性：黃土的空隙包括開空隙和閉空隙。針對黃土空隙性對濕陷性的影響，很多專家學者都有研究，一般來說，黃土的孔隙性越大黃土的濕陷性越強，土質越不穩定。

（5）形成過程：黃土在形成過程中很多因素會對形成后的濕陷性黃土有很大的影響。其中黃土的形成時間、形成過程中滲水的次數多少都有重大影響。因此在研究黃土的濕陷性中，研究黃土的形成過程尤為重要。

（6）含水性：一般來說，黃土的含水較少，含水率一般在10%～30%。飽和黃土一般不具有濕陷性，這是由于隨著黃土中含水越多，黃土的結構強度會降低，在外力的作用下黃土的結構強度不再大幅度下降，因而不繼續產生強濕陷性。

（7）壓力：隨著黃土上方施加的壓力越大，黃土的濕陷性越大。但當超過一定濕陷值后，施加的壓力越大，黃土的濕陷性越小。

（8）壓縮性：在濕陷性黃土地區進行工程建設時，必須考慮土質的濕陷性對地基造成的不穩定影響。地基濕陷可能會引發附加沉降應力，從而使地基產生失穩變形，對施工項目造成巨大的危害和安全威脅，所以對濕陷性黃土地區進行地基處理尤為重要［3］。

在我國，濕陷性黃土土質較多，而不同地區的黃土有一定差異，因此對濕陷性黃土地的地基進行處理需要綜合考慮多方面的因素，不同地方的黃土要區別對待。在對濕陷性黃土地區的地基進行處理時，要結合實際情況選擇不同方案，但處理的目的與意義均是消除濕陷性對建筑的影響［4］。

3 濕陷性黃土地基處理的施工工藝

在濕陷性黃土地區，國內外使用較多的地基處理方法有以下幾種：重錘表層夯實、強夯、土（或灰土）墊層、擠密樁復合地基、預浸水、化學加固、爆擴樁等。目前我國重錘表層夯實、土（或灰土）墊層、強夯、深層孔內夯擴、高壓注漿固結土（或灰土）擠密樁復合地基、樁基礎應用較多。重錘表層夯實法和高壓旋噴注漿法處理地基見圖1。

圖1 重錘表層夯實法（a）和高壓旋噴注漿法（b）處理地基

濕陷性黃土地區地基處理的加固機理及方法體現了濕陷性黃土的地域特征，其主要目的均為在提高承載力的同時，對黃土的濕陷性進行消除。

3.1 土（灰土）墊層

灰土（或素土）墊層施工時，先將處理范圍內的濕陷性黃土全部挖出，并對底部進行夯實或壓實；然后將就地挖出的粘土配成相當于最優含水量的土料，根據選用的碾壓（或夯實）機械，按一定厚度分層鋪土、分層碾壓（或夯實），直到設計標高為止。灰土墊層施工示意圖及現場圖見圖2。需要注意的是，施工用土料中不得含有有機雜物，使用前應先過篩，其粒徑不大于15mm，并嚴格按照試驗結果控制含水量。

圖2 灰土墊層施工示意圖（a）和表層土夯實施工圖（b）

3.2 重錘表面夯實及強夯

重錘夯實法是利用重錘從高空自由下落時產生的沖擊能，使地面下一定深度內土層達到密實狀態的地基處理方法。重錘夯實法可分為表層夯實法和強力夯實法：表層夯實法又稱重錘表面夯實法，錘重一般為20k～40kN，落距3～5m；當錘重為80k～300kN，落距為6～25m，單次夯擊能量大于800kN·m，用于處理雜填土、碎石土、砂性土和稍濕的粘性土時稱為“強力夯實法”，簡稱“強夯法”。

強夯施工前應先施工臨時排水溝，及時將地表水引出強夯施工區域，同時應按照設計初步確定的夯實參數在場地區域內進行工藝性試夯。施工過程中每一次夯實前要對夯點進行復核，夯實完畢后檢查夯實位置，一旦發現偏差或漏夯需要及時糾正。強夯法工藝流程見圖3。

圖3 強夯法工藝流程

施工前應檢查夯錘重量、尺寸、落距控制手段、排水設施及被夯地基的土質。施工結束后，檢查被夯地基的強度并進行承載力檢驗。

3.3 灰土（土）擠密樁

在濕陷性黃土地區采用樁基礎的加固機理是將樁穿透濕陷性黃土層，在非自重濕陷性黃土地區，樁底端支承在壓縮性較低的非濕陷性土層中；對自重濕陷性黃土場地，樁底端支承在可靠的持力層中，以達到加固的目的?；彝翑D密樁施工現場圖及深層孔內夯擴樁機理見圖4。

圖4 吊索具設置圖

圖4 灰土擠密樁施工現場圖（a）和機理圖（b）

（1）材料準備：土料可采用粉質黏土，有機質含量不應超過5%，不得含有凍土；石灰可選用新鮮的消石灰或生石灰粉，其顆粒不應大于5mm；對于樁孔內的灰土填料，其消石灰與土的體積配合比宜為2∶8 或3∶7，配合料最優含水率為±2%，灰土拌制應隨拌隨用不能隔夜。

（2）機具準備：成孔設備采用0.6t 或1.2t 柴油打樁機或自制錘擊式打樁機，亦可采用沖擊鉆或洛陽鏟；夯實設備采用卷揚機、提升式夯機或偏心輪夾桿式夯實機及梨形錘。

（3）灰土（土）擠密樁操作方法：樁施工前需先將基坑挖好，樁頂設計標高以上預留覆蓋土層厚度，沉管成孔不宜小于0.5m，沖擊成孔或鉆孔夯擴法成孔不宜小于1.2m，然后在坑內施工灰土樁。樁的成孔可根據現場機具條件選用洛陽鏟、沉管(振動、錘擊)法、沖擊或鉆孔等方法。灰土擠密樁施工工藝流程見圖5。

圖5 溜尾索具設置圖

圖5 灰土擠密樁施工工藝流程圖

灰土擠密樁的樁數、排列尺寸、孔徑、深度、填料質量及配合比，必須符合設計要求或施工規范的規定。施工結束后，應檢查成樁的質量及地基承載力。

3.4 預浸水法

預浸水法是在修建建筑物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濕陷性。

預浸水法適用于處理自重濕陷性黃土層厚度大于10m、自重濕陷量計算值不小于500mm 的場地。施工前應通過現場的試坑進行浸水試驗，來確定浸水時間、耗水量及濕陷量。

當需要加快自重濕陷性發生速度時，可以在水坑內打滲水孔，間距＜3m，深淺間隔布置。預浸水施工時坑內水位高度＞300mm，浸水過程應連續進行，濕陷變形穩定標準為最后5d 的平均濕陷量＜1mm/ d；當處理的黃土層厚度＞20m 時，最后5d 的平均濕陷量＜2mm/ d。預浸水法施工工藝流程見圖6。

圖6 預浸水法施工工藝流程圖

施工完畢后，應分析地基土浸水前、后的干密度、濕陷變形特性，以及地基承載能力的變化。重點檢查與評價濕陷性黃土場地在浸水后濕陷處理深度、剩余濕陷量和浸水后的地基處理等問題。

3.5 化學加固法

在我國濕陷性黃土地區地基處理應用較多，取得實踐經驗的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，是基于濃度不大、粘滯度很小的硅酸鈉溶液順利地滲入黃土的孔隙中產生與土的互相凝結效應。堿液加固法是利用NaOH 溶液注入黃土后，與土中可溶性和交換性堿土金屬陽離子發生置換反應，使土顆粒表面生成堿土金屬氫氧化物。

硅化加固濕陷性黃土地基的施工主要分為三個步驟：成孔打入注漿管；加水稀釋；往地基內注漿。砂土硅化加固后，取試塊作無側限抗壓試驗，其值不得低于設計強度的90%，變形指標應符合設計要求。

堿液加固設備和工藝均較為簡單，首先用洛陽鏟或鋼管打到預定的加固深度，插入孔徑為5～7cm 的注漿管，孔中填入2～4cm 粒徑的小石子，直至注漿管下端的標高處。堿液加固地基的竣工驗收，應在加固施工完畢28d 后進行?？赏ㄟ^開挖或鉆孔取樣，對加固土體進行無側限抗壓強度試驗和水穩性試驗。

3.6 其他加固方法

另外，還有高壓注漿固結法、CFG 法等。在飽和的黃土地區，近幾年來也采用粉噴樁法和深層攪拌法等。

CFG 法是同時完成高壓砼護壁成孔與灌注砼，其砼連續性好、樁底無沉渣、單樁承載力較高。

以上各種處理方式的適用范圍及處理土層厚度見表2。

表2 各種處理方式的適用范圍及處理土層厚度

4 結論

我國濕陷性黃土地區最常見的地基處理方法主要包括土（灰土）墊層、重錘夯實和強夯、土（灰土）擠密樁和化學加固法等。其中化學加固法是一種非常高效的方法，但是造價較高，所以一般僅用于濕陷事故類的處理。此外，預浸水、熱加固等方法也廣泛應用于濕陷性黃土的地基處理，其中預浸水法是消除大厚度黃土地基自重濕陷性的有效方法，但是此方法對水量的需求量大，在水源充足的前提下可以適當實施，但工期較長，浸水后還需要利用其他地基處理方法處理上層土。由于施工方法較為復雜，所以預浸水使用受到了限制，沒有得到推廣應用。熱加固法可以完全消除部分黃土的濕陷性，大大提高處理后黃土的承載能力，但加固土體的設備較為復雜，加固后土體的強度不夠均勻，局部強度很高，這種方法在我國20 世紀五六十年代應用較為廣泛，并且取得了較好的加固效果。