黑燕調蓄水池地基濕陷變形研究及工程地質評價

朱全海，許春娟，曹 睿，王新海，楊耀峰，丁建興，張多宏，邵顯顯，賈生海

(1.甘肅水利機械化工程有限責任公司，甘肅 蘭州 730070；2.甘肅農業大學水利水電工程學院，甘肅 蘭州 730070)

1 概述

1.1 工程概況

黑燕調蓄水池池容30萬m3，日處理能力1.2萬m3，隴西黃土高原西部整體屬黃土地貌，是工程的主要分布區，其中分布最多的地層為第四系馬蘭黃土、黃土狀土和新近系(N)泥質砂巖。區內除山區以外，以黃土分布最為廣泛。黑燕調蓄水池場地濕陷等級為Ⅳ級，地下水位埋深較大。

1.2 氣象、水文

黑燕調蓄水池所在區屬渭河流域，多年平均降水量400～450mm，占全年的55%以上，年內降水分布不均衡以7—9月為主。降水為地表水資源的補給主源，河川徑流的洪水期主要集中在7—10月，占全年徑流量的70%。由于大面積廣泛發布的黃土造成植被稀疏，基本上無自然涵蓄能力。河流基本沒有地下補給，缺乏調節能力，徑流極不穩定。區內河流大多以季節性洪流為主，洪水泥沙大，枯水期基本斷流，黃土丘陵區主要為苦咸水，水質較差，大部分河水礦化度達3g/L以上。

2 地基濕陷變形實驗研究

2.1 實驗材料

試驗所用的黃土取自通渭縣馬營鎮黑燕村東側地表2～4m深處，所用儀器設備為三軸壓力室、軸向加荷、壓力量測和變形量測系統等，用計算機采集數據[1]。

2.2 實驗方法

試驗土的制樣：裝好三瓣膜，先在膜桶1/3高度的內壁上涂上凡士林。根據土樣的干密度及試樣體積稱取所需的土樣質量，對未裝入土樣的三瓣膜和底座稱重記錄。首先將1/3土樣倒入膜桶內，擊實到1/3高度，并將土樣表面刮毛。接著再涂抹1/3高度的凡士林，繼續倒入土樣并擊實。待3層全部擊實完成，稱取總重量，看是否達到計算值。將不足的土樣補齊并擊實，制樣完成。采用厚度為1mm的橡皮膜，把土樣裝入橡皮膜中。

2.3 結果分析

不固結不排水和固結排水2種實驗方法下不同圍壓下的應力-應變曲線分別如圖1—2所示，由應力應變曲線圖得出不同圍壓下的剪切峰值及對應的軸向應變最大值見表1—2。根據原始實驗數據繪制5個圍壓下的5個應力圓，繪制出庫侖強度包線，確定土樣的c、φ值，由不固結不排水剪強度包線圖，如圖3所示，確定出土樣的Duncan模型參數c=3252kPa，φ=2213°。由固結排水剪強度包線圖，如圖4所示，確定出土樣的Duncan模型參數c=236kPa，φ=2987°。

圖1 不固結不排水應力-應變曲線

圖2 固結排水應力-應變曲線

表1 不同圍壓下的剪切峰值及對應的軸向應變

表2 不同圍壓下的剪切峰值及對應的軸向應變

圖3 不固結不排水強度包線

圖4 固結排水強度包線

在不固結不排水和固結排水2種實驗方法下，隨著圍壓的增加剪切峰值不斷增大，所對應的軸向應變也在增大后又出現減小的情況[4]，不固結不排水下的軸向應變在圍壓250kPa時減小隨后在圍壓400kPa時又增大，固結排水下的軸向應變在圍壓400kPa時減小為最小值。

3 黑燕調蓄水池工程地質條件及評價

3.1 場地基本地質條件

3.2 主要工程地質問題及評價

由于地下水有較大的埋深，基本不會對工程造成影響，所以蓄水池的場地相對穩定，經過一些簡單處理可修建水池。但水池主要坐落于馬蘭黃土及黃土狀土層中，所以地基土的濕陷變形問題是主要的工程地質問題。黑燕調蓄水池以半挖半填為主，根據GB 50025—2004《濕陷性黃土地區建筑規范》中濕陷量等的計算和規定，黑燕調蓄水池總濕陷量Δs為830～835mm，屬于濕陷等級Ⅳ級的自重濕陷性場地[6]，所以地基土的濕陷變形問題應是非常重要的工程地質問題。

在布置蓄水池時宜將長軸布置在東西向，以北側挖方南側挖填的半挖半填式施工，在不影響順利取水的前提下，上部有較強濕陷性的黃土應該全部挖去[7]，未處理濕陷黃土層剩余濕陷量應小于等于150mm[6]，處理地基時應該分層夯實并且做好防滲。

3.3 地質參數建議

經過不斷勘測和試驗，并參照有關規程、規范，提出各類土物理力學參數建議值[8]。馬蘭黃土可以用做防滲填筑土料，最優含水率和最大干密度為17.3%、1.71g/cm3。通過0.96壓實度壓實后，重度和飽和重度為19.5、20.6N/cm3。抗剪強度和飽和抗剪強度的C、φ值分別為50～60kPa、26°～28°和15～19kPa、22°～24°。水平和垂直滲透系數分別為(1.1～2.3)×10-6、(1.3～2.8)×10-6cm/s。

4 地基處理措施

地基是工程建筑的基礎，直接影響著上層建筑的穩定性。地基的濕化變形對工程有重大影響和危害，因此地基的處理具有重要意義。地基的合理處理對于濕陷變形問題的發生有抑制作用，也可以改善土的性質和結構，減小土的滲水性[9]。地基處理的方法是否得當，不僅直接影響著工程的安危，而且對工程的質量、進度和造價等都有很重要的影響。對于地基處理的重要性已經被越來越多的人所認識，下面對其中3種地基處理方法的優缺點和適用范圍進行總結，推薦適合黑燕調蓄水池地基處理的方法。

4.1 灰土擠密樁法

灰土擠密樁法是目前處理濕陷性黃土地基比較熱門有效的方法之一，其在建筑行業的運用也越來越多。針對濕陷性黃土地基在遇水(降雨、地下水位上升、滲漏等)時結構強度迅速下降、土體變形、塌陷等被嚴重破壞現象，造成重大工程事故發生，濕陷性黃土地基的有效處理措施越來越多也越來越被重視。灰土擠密樁法在應用時要根據工程實際情況對土和消石灰進行科學配比，且將土料和灰土進行組合的穩定性較理想。設備可以采用錘擊成孔方式，但要注意周圍地面的隆起，施工中最好利用三遍成孔技術，特別注意擠密不實問題。

灰土擠密樁法適用于深層次濕陷性黃土層地基的處理，地基的平穩特性明顯提升，把握好樁孔洞密度時可以完全去除黃土的濕陷性，效果較為理想，并且提升地基的承壓能力。

4.2 換填墊層法

換填墊層法在考慮地質條件的情況下，處理中小型混凝土工程的地基問題時更加有效徹底。對于具有濕陷性的黃土淤泥質土和地基比較軟弱的不均勻土層也采用換填墊層法，將建筑物原地基土根據實際工程要求挖除一定深度，然后用大密度、高強度、較好穩定性的混凝土材料如砂土、礦渣、粉煤灰或者石灰代替回填的一種地基處理方法。換填墊層法能夠有效消除一定深度內土體濕化變形和濕陷性，并且能顯著改善土體的工程特性，且造價相對較低。目前換填墊層法在處理地下水位以上的局部或整片地基土方面運用較多[10]。

換填墊層法可以就地取材，施工簡單，對施工機械要求低，既能有效縮短施工期，又能有效降低施工造價。因此，得到較為普遍的推廣和應用。對于不能承受較大震動的地基一般避免使用換填墊層法。

4.3 強夯法

強夯法(動力固結法)最初是在20世紀60年代末期被法國應用逐漸發展起來的，目前在國內也得到了廣泛的應用。強夯法主要用于地基的沉降處理中，其原理是在強夯的過程中將機械能轉化為勢能再轉化為動能。強夯法在應用的過程中對重錘有一定的要求，重錘的重量要在100～1000kN之間。正常情況下強夯法所能達到的最大加固深度為15m，運用重錘落下時的沖擊能量震動和壓實地基，使地基的強度有一定的提高，地基的承載力也會明顯改善。強夯法主要適用于碎石土砂土以及濕陷性黃土等[11]。孫政等[12]用強夯法對Ⅱ級非自重濕陷性黃土地基進行處理，得出強夯地基承載力的特征值建議使用180kPa，且5m以上地基土的濕陷性完全可以消除，強夯效果較理想。陳秋平[13]推薦濕陷性黃土地基用灰土擠密樁技術較為理想，并且適用于復合地基，且復合地基承載值大于等于200kPa才能符合設計要求。耿秋生[14]提出在處理濕陷性黃土層地基的工程措施中，強夯法是支出損耗最小經濟效益最高的，但在使用過程中要注意黃土層中含水量的控制范圍才能使夯實效果最好。

強夯法的優點：①施工快工期短，節約時間效益相對較高。②可以獲得更好的效果，與其他措施相比地基承載力、壓縮模量、強度等更高。③運用的范圍廣，一般類型的土和碎石等都可以采用強夯法。④只需要簡單的機械配備就可以實現，方便快捷。⑤節約材料、工程造價低，就地取材施工，減少建材的消耗；缺點：有較大的噪音和振動，在人口較多的地區不宜使用。注意在使用強夯法時必須經過現場試驗，不可直接采用相似工程處理過程。

5 結論

濕陷性黃土是一種結構松散、孔隙率高、低濕性土質[15]，如果不對濕陷性黃土層進行特殊處理，將會產生非常嚴重的后果，比如管道滲漏、地面坍塌等[16]。因此黑燕調蓄水池的工程建設中對濕陷性黃土地基的處理至關重要，關系到工程建設的安全穩定。結合黑燕調蓄水池濕陷性黃土地基特征和工程實際情況(地質條件、工程時間、工程投資、環境等因素)，建議黑燕調蓄水池地基處理采用強夯法比較適宜，并做好防滲處理。結合工程實際處理地基問題時還應該增加壓實度[17]，并且重視防水問題，做好防水處理，避免水分的入侵對工程產生危害。