索道基礎(chǔ)工程中濕陷性黃土地基的處理要點

張喻捷 李運生 辛虎君

1北京起重運輸機械設(shè)計研究院有限公司 北京 100007 2山東泰安建筑工程集團有限公司 泰安 271000

0 引言

得益于設(shè)計水平的提高和施工工藝的發(fā)展，客運索道在更為廣泛和復(fù)雜的地形中得到了應(yīng)用[1]。在索道工程的建設(shè)過程中，基礎(chǔ)施工也面臨了更為復(fù)雜的地質(zhì)情況，尤其是在我國濕陷性黃土土層廣泛分布的北方地區(qū)，如果不及時進行有效的處理，將嚴重影響索道基礎(chǔ)及整體線路的安全[2]。同時，索道基礎(chǔ)受力同普通工業(yè)及民用建筑基礎(chǔ)有很大的不同，受到索道建設(shè)地點及環(huán)境的影響，其基礎(chǔ)施工具有一定的特殊性。在索道基礎(chǔ)工程的建設(shè)中，針對工程場地特點，選取合適的濕陷性黃土處理方法、有效規(guī)避對后續(xù)工程的影響，對工程建設(shè)至關(guān)重要。圖1為典型的索道線路基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)。

圖1 常見索道線路基礎(chǔ)

本文針對索道基礎(chǔ)的受力、結(jié)構(gòu)及施工特點，結(jié)合規(guī)范及相關(guān)研究成果，總結(jié)了索道基礎(chǔ)工程中處理濕陷性黃土的常用方法和要點，為后續(xù)相關(guān)工程提供參考。

1 濕陷性黃土特點

濕陷性黃土屬于特殊土，浸水后土層在自重應(yīng)力或自重應(yīng)力和附加應(yīng)力共同作用下會發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞而產(chǎn)生顯著變形，其在我國西北、東北、華中和華東等地區(qū)均有廣泛分布[3]。

濕陷性黃土主要典型特征有[4]：1) 顏色多呈黃色，包括淡黃色、棕黃色、黃褐色、淡灰黃色等顏色；2) 孔隙大，常肉眼可見，孔隙比可至1.0左右；3) 具有垂直節(jié)理，在宏觀上常呈現(xiàn)為垂直邊坡；4) 顆粒組成以粉粒為主，一般可占一半以上(50%～70%)；5) 含鹽量大，尤其是碳酸鹽含量突出，另外也包括硫酸鹽及少量其他易溶鹽；6) 具有濕陷性。

基于上述特點，濕陷性黃土在正常狀態(tài)時，一般會表現(xiàn)出強度較高、壓縮性較小的特點，但若既受水浸濕又承受一定上部壓力，其結(jié)構(gòu)會迅速破壞，強度迅速降低，并有明顯的土體下沉，對上部結(jié)構(gòu)造成嚴重危害。

2 濕陷性黃土常用處理方法

在工程建設(shè)時，通常有2種不同的方式避免濕陷性黃土的危害。一是消除黃土的濕陷性；二是使基礎(chǔ)持力層避開或者穿透黃土層，避免濕陷性黃土同線路基礎(chǔ)的直接接觸。根據(jù)建筑物(構(gòu)筑物)的重要性、地基周圍水文條件及使用期間結(jié)構(gòu)的沉降要求，可采取不同的措施，防止?jié)裣菪援a(chǎn)生的危害。

實際工程中，常見的濕陷性黃土地基處理方法有換填墊層法、樁基礎(chǔ)、灰土樁擠密樁法、重錘夯實法、強夯法、預(yù)浸水法等[5，6]。

2.1 換填墊層法

換填墊層法是淺層地基處理的常用方法，同時也是處理濕陷性黃土地基最常見的工程措施之一。濕陷性黃土地基的換填處理一般采用灰土墊層法，其處理的黃土厚度一般為1～3 m。一般首先將基底以下部分或全部濕陷性黃土層挖出，然后再將一定體積配合比（2:8或3:7）的灰土填料混合均勻，分層鋪設(shè)，回填夯實。換填墊層的厚度一般為0.5～3.0 m，比較適合淺層黃土層的處理[7]。該方法施工成本低、難度較小、對索道安裝隊的人員技術(shù)要求不高，同時具有良好的處理效果。

灰土換填墊層法是索道基礎(chǔ)工程中處理濕陷性黃土使用最為廣泛的一種方法，在多個索道工程中得到了應(yīng)用，是一種經(jīng)濟安全、切實有效的處理方法。

2.2 樁基礎(chǔ)

除通過消除黃土本身的濕陷性外，還可采用樁基礎(chǔ)，使樁身穿透濕陷性黃土層，將樁端持力層定位于非濕陷性土層（或巖層）中[8，9]，通過該方式實現(xiàn)上部荷載的傳遞。需要注意的是，當(dāng)濕陷性黃土場地中采用樁基礎(chǔ)時，一旦地基土受水浸濕，樁側(cè)的摩阻力將可能由正摩阻力轉(zhuǎn)化為負摩阻力，額外增加樁基受到的豎向荷載。因此，在濕陷性黃土場地，一般不允許采用摩擦型樁，而采用端承型樁。

在濕陷性黃土場地的索道基礎(chǔ)施工中，樁基礎(chǔ)得到了一定的應(yīng)用，但其本身對土層特性的要求較高，如黃土層下的持力層仍為壓縮性較高的土層，則需要進一步加大樁長，無形中提高了施工成本，另外樁基礎(chǔ)本身也具有一定的施工難度。

2.3 灰土擠密樁法

灰土擠密樁通常是利用一定的工藝（一般為錘擊）成孔，然后在樁孔中分層回填體積配合比為2:8(或3:7)的灰土填料并夯實。土體在此過程中被側(cè)向擠密，灰土擠密樁與樁間土共同作用形成復(fù)合地基，可更好地承受上部荷載作用。在普通建筑工程中，灰土擠密樁法處理濕陷性黃土地基無需大面積開挖工作，土方工程量的減少可大大縮短工期。從處理效果上看，灰土擠密樁法可很好地消除黃土的濕陷性，提高土的強度[10]。

灰土擠密樁成樁時為橫向擠密，而索道線路基礎(chǔ)底面尺寸較小(一般為3 m×3 m～5 m×5 m的柱下獨立基礎(chǔ))，基底以下能夠成樁的區(qū)域不大，故在實際索道工程中很少采用該方法進行濕陷性黃土的地基處理。

2.4 重錘夯實法

重錘夯實法使用時使重錘從高空自由下落(夯錘重20～30 kN)，沖擊能可使地面下一定深度內(nèi)的土層達到密實。以最小干密度為控制標(biāo)準，對地基表層的濕陷性黃土在最優(yōu)含水量狀態(tài)下經(jīng)重錘夯打密實，消除有效夯實厚度范圍（110～115 m）內(nèi)土體濕陷性、降低土體壓縮性、減弱表層土透水性[11]。

在索道工程常見施工場地，如高山、峽谷、陡坡等地點，將起重機或吊車、夯錘等大型設(shè)備運至施工場地顯然存在較大的難度，故索道工程中基本不采用該方法進行濕陷性黃土的處理。

2.5 強夯法

強夯法是指利用重錘（重錘為80～400 kN，最大可達2 000 kN）從一定高度下落夯擊土層使軟弱地基迅速固結(jié)的一種方法，強夯法由重錘夯實法發(fā)展而來，但其夯擊能量要顯著大于重錘夯實法。通過對土體進行動力夯擊，土體被強制壓密，壓縮性隨之減小，強度得以提高[12]。這種方法對處理濕陷性黃土具有明顯的加固效果，同時施工費用也較低。

該方法的缺點同重錘夯實法一樣，將施工機械運至施工場地難度較大，故在索道工程中應(yīng)用很少。

2.6 預(yù)浸水法

當(dāng)濕陷性黃土層的厚度較大，且其自重濕陷計算量大于一定數(shù)值時，可以利用黃土遇水產(chǎn)生濕陷的特點。在施工前對土層浸水，使土體首先發(fā)生自重濕陷，從而消除深層黃土的濕陷性。

預(yù)浸水法在施工前需要通過現(xiàn)場試驗確定包括浸水時間和耗水量等在內(nèi)的各種參數(shù)。在施工結(jié)束后還需要進行進一步的補充勘察校核工作，以此重新判定地基土的濕陷性是否被消除，對上部濕陷性未消除的黃土層，仍需采用用墊層換填或其他方法進行地基處理[13]。該方法操作簡便、處理范圍廣，但耗水量大、施工工期長，浸水后表層地基土的強度較低，其前期和后續(xù)措施均較為繁瑣，故在索道基礎(chǔ)工程中采用很少。

3 索道基礎(chǔ)濕陷黃土地基處理方法

3.1 索道基礎(chǔ)特點

在索道工程中，常采用的基礎(chǔ)形式主要有柱下獨立基礎(chǔ)、樁基礎(chǔ)、巖石錨桿基礎(chǔ)等3種[14]，這3種基礎(chǔ)各有其特點及適用環(huán)境。

柱下獨立基礎(chǔ)形式簡單、施工便捷，對安裝施工隊的技術(shù)要求較低；樁基礎(chǔ)的適用范圍較廣，既可用于普通濕陷性黃土地基，也可用于其他類型的軟土地基場地，尤其在淤泥土、回填土等土層厚度較大的場地，樁基礎(chǔ)可以很好地保證基礎(chǔ)的安全性。樁基礎(chǔ)的施工難度和造價要高于相應(yīng)的柱下獨立基礎(chǔ)；巖石錨桿基礎(chǔ)是以上3種基礎(chǔ)形式中對地質(zhì)條件要求最嚴苛的一種基礎(chǔ)，一般適用于基礎(chǔ)持力層為承載力較高、完整性較好的巖石層，施工難度大并且對人員專業(yè)性要求較高，無法用于軟弱地基場地。綜合索道基礎(chǔ)的各類工況以及施工環(huán)境，柱下獨立基礎(chǔ)在索道工程中應(yīng)用最為普遍。

索道工程中的基礎(chǔ)主要分為線路支架基礎(chǔ)和站內(nèi)設(shè)備基礎(chǔ)，而無論是哪一種基礎(chǔ)，主要受力都包括設(shè)備（支架）自重產(chǎn)生的豎向力N，以及由作用在上部結(jié)構(gòu)中的鋼絲繩水平力引起的傳遞至基礎(chǔ)頂面的彎矩M和水平力F，圖2為索道基礎(chǔ)受力示意圖。相對于工業(yè)或民用建筑，索道上部結(jié)構(gòu)的自重不大，其受到的豎向作用一般遠小于其受到的水平作用，故索道基礎(chǔ)是一類由水平荷載起控制作用的結(jié)構(gòu)。此外，索道基礎(chǔ)的建設(shè)地點一般都處于高海拔、陡地形的山區(qū)，而滑雪索道等具有顯著季節(jié)性要求的項目對工期的要求非常嚴格，往往需要更為高效的施工方式。

圖2 索道基礎(chǔ)受力示意圖

3.2 灰土換填法在索道工程中的應(yīng)用

索道基礎(chǔ)主要受到水平力，而樁基礎(chǔ)對豎向承載力的提升較大，對于提高水平承載力幫助較小。同時，對地形復(fù)雜、環(huán)境惡劣的場地，往往需要采用人工挖孔的方式進行樁基成孔，造成安全隱患的同時也耽誤了工期。因此在處理濕陷性黃土地基時，樁基礎(chǔ)雖偶有采用，但應(yīng)用不多。

而對于灰土擠密樁法、重錘夯實法、強夯法等需要大型機械設(shè)備進場的處理措施，這些方法相對費時費力，基本不予采用。同樣的，預(yù)浸水法同上述方法比不僅經(jīng)濟性更差，而且施工流程更為繁瑣。

對于普通索道基礎(chǔ)，如果遇到濕陷性黃土地基，灰土墊層換填法是應(yīng)用最為廣泛的一種工程方法?；彝翂|層法施工簡單、工期可控、材料易取，但其施工過程也存在諸多注意事項：1) 施工前需要對基坑（基槽）進行清理，清除虛土及雜物，然后再開始換填灰土，分層夯實，同時保證夯實系數(shù)不得小于0.95；2) 如遇地下水位超過基坑底部，則需要先進行排水與降水，再進行換填施工，將地下水位降至基底以下，避免地下水浸泡基底；3) 索道基礎(chǔ)工程中，材料的選擇要嚴格控制。填料性質(zhì)、配合比、粒徑要求等需嚴格遵守JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[15]的要求；4) 索道下站基礎(chǔ)，尤其是滑雪索道，在夏季到來時，積雪融化將產(chǎn)生大量的地表水流入下站場地。因此，換填完成后應(yīng)在基礎(chǔ)或地基周圍采取有效的防水或者排水措施，防止地表水、地下水對地基的影響。同時，基礎(chǔ)施工應(yīng)盡量避開雨季，避免突發(fā)降雨等給施工造成的額外損失。

4 工程實例

以某脫掛索道站內(nèi)基礎(chǔ)為例，對其場地濕陷性黃土處理工作進行分析。該工程位于張家口崇禮區(qū)，運載工具采用6人吊椅，水平距離886.450 m，垂直高差140.700 m，是典型的滑雪索道。線路下站區(qū)域存在黃土狀粉土，具有濕陷性，厚度為10～12 m?？紤]到大面積開挖將全部黃土清理的工作量較大，故采用灰土換填法對場地地基進行處理。圖3為該基礎(chǔ)基坑濕陷性黃土層現(xiàn)場圖。

圖3 某索道站內(nèi)基礎(chǔ)黃土地基現(xiàn)場圖

該索道下站為索道驅(qū)動基礎(chǔ)，基底尺寸為9 m×7.4 m，基礎(chǔ)埋深6.7 m，基頂受力標(biāo)準值為垂直力700 kN，水平力為500 kN，彎矩為500 kN·m，基礎(chǔ)高度為10 m，土層重度均取18 kN/m3。黃土層地基承載力特征值為120 kPa，灰土墊層的承載力特征值取200 kPa，換填厚度初步取1 m。經(jīng)計算，經(jīng)過深度修正的基底處灰土承載力完全符合受力要求。主要需要驗算下層軟弱下臥層(黃土層)的承載力，確定換填厚度是否滿足要求。

根據(jù)JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》，軟弱下臥層的承載力應(yīng)符合

通過計算，墊層底面處土的自重應(yīng)力值為

墊層底面處的附加壓力值為

經(jīng)深度修正的下層軟弱黃土的地基承載力特征值為

因此，對該濕陷性黃土層，將基底以下1 m厚，基礎(chǔ)邊緣外擴1×tan28°＝0.53 m的區(qū)域進行灰土換填處理，滿足要求。

通過計算可以發(fā)現(xiàn)，因索道基礎(chǔ)具有主要受水平力而豎向荷載較小的特點，其相應(yīng)產(chǎn)生的附加應(yīng)力較小。索道基礎(chǔ)地基處理中灰土對附加應(yīng)力的擴散作用未得到充分利用，換填層厚度甚至還可以進一步縮小，實際上該工程主要利用了灰土的隔水特性。在索道工程中利用灰土換填進行濕陷性黃土的處理時，因為這個特點而對換填層的厚度和地基處理范圍要求都不高，進一步減小了換填的工作量，提高了經(jīng)濟性。

5 結(jié)語

處理濕陷性黃土地基的工程措施多種多樣，根據(jù)不同的工程特點及施工環(huán)境選擇合適的處理方法至關(guān)重要。索道基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)受力、施工環(huán)境及工期要求具有其特殊性。綜合分析，對索道工程中的濕陷性黃土地基，采用灰土墊層換填進行處理是最為簡單有效的方法，不僅施工方便、快捷而且具有很好的經(jīng)濟性。目前灰土墊層換填法已在多處索道項目中得到應(yīng)用，為后續(xù)索道工程處理濕陷性黃土地基提供參考，也對其他特種設(shè)備基礎(chǔ)工程的建設(shè)提供一定的借鑒。