濕陷性黃土對工程影響及措施

周高軍ZHOU Gao-jun；趙玉蕊ZHAO Yu-rui；張雷ZHANG Lei；張景銓ZHANG Jing-quan；張闊ZHANG Kuo

（①山東省公路橋梁建設(shè)集團有限公司，濟南 250014；②山東農(nóng)業(yè)大學(xué)，泰安 271018）

1 概述

濕陷性黃土中60%以上為粉土小細顆粒，是一種在第四紀(jì)以來沉積成土壤的地質(zhì)體，為黃色或黃褐色土，顆粒較均勻，具有孔隙率大、結(jié)構(gòu)疏松、壓縮性較低、透水性強、抗水性弱、塑性較弱等物理特征。黃土分布面積廣泛，多集中于西部地區(qū)，山西、西安、陜西、甘肅等省份是典型的黃土分布地區(qū)。濕陷性黃土是受水濕潤形成，所以在我國靠近河流、河谷等多水地形容易發(fā)育濕陷性黃土[1]。

濕陷性水分和一定壓力缺一不可，只有兩者相互作用才會產(chǎn)生濕陷性。當(dāng)沉淀變形時，一部分產(chǎn)生普通擠壓變形，另一部分產(chǎn)生附加沉積變形，而這沉淀變形則被稱為濕陷變形。濕陷變形是在施加特定的荷載以及被水浸濕的共同作用下產(chǎn)生的。

2 濕陷性黃土成因

①黃土濕陷性的根本原因在于濕陷性黃土特殊的粒狀架空結(jié)構(gòu)體系，其骨架顆粒主要由集粒和碎屑顆粒組成，顆粒與顆粒之間有大量的架空孔隙[2]。從其組成狀況分，骨架顆粒是構(gòu)成黃土結(jié)構(gòu)的支柱，起骨架支撐作用，一般由大于0.05mm 的碎屑粉粒以及大于0.01mm 的粗粉砂顆粒構(gòu)成。不同骨料顆粒的形狀不同，如圓潤狀和棱角狀，不同的骨料形狀對于黃土的排列方式和力學(xué)性質(zhì)不同。與細微顆粒之間膠結(jié)狀況也不同。骨料顆粒之間越圓潤，顆粒之間膠結(jié)能力越強，強度越高，濕陷性越差。黃土微觀結(jié)構(gòu)決定了其組成成分之間的空隙大小、骨料之間的接觸面積、顆粒之間結(jié)合程度。

②石英、伊利石、長石是構(gòu)成濕陷性黃土的主要礦物成分。石英、長石結(jié)構(gòu)中起骨架支撐作用，細骨料中伊利石主要影響的是顆粒與顆粒之間的填充情況和膠結(jié)作用，當(dāng)黃土在受水浸濕情況下或受到外界施加較大的荷載時，會破壞其膠結(jié)狀態(tài)。

③黃土被水浸潤后，骨料之間起聯(lián)結(jié)作用的可溶鹽溶于水，可溶鹽被水帶走，使骨料顆粒之間孔隙變大，其連接膠結(jié)能力減弱，黃土結(jié)構(gòu)之間結(jié)合力減少，到達一定程度會使顆粒之間連接部分斷裂，使得黃土強度減少，體積縮小，發(fā)生陷落，表現(xiàn)為濕陷性[3]。

④濕陷性黃土中孔隙率越大，其黃土中含水率越多，孔隙率越小，黃土中含水率越小。但是黃土中含水率與濕陷性并不是成正相關(guān)，恰恰相反，黃土含水率與濕陷性成反相關(guān)。濕陷性黃土聯(lián)結(jié)方式和不同的土體結(jié)構(gòu)受自然降水的影響，當(dāng)降水充足時，土體內(nèi)部很容易滲入水分，在黃土中可溶凝膠物易溶解，土體完整性會受到破壞。黃土的毛細水在水分充足作用下顆粒間大幅度降低，荷載作用隨之加大，因此在眾多因素的影響下，黃土路基的濕陷狀況嚴(yán)重。車輛通行時并伴有降水，車輛荷載震動作用對路基路面的影響很大。大型荷載車輛通行時，水分入侵黃土路基后，土體結(jié)構(gòu)會迅速塌裂破壞，如果仍有超載的車輛繼續(xù)通行，路基達到極限承載后，會明顯加重路基地基沉降情況。

3 濕陷性黃土對工程的影響

建筑周邊土體可能會出現(xiàn)一些自然災(zāi)害或者工程地質(zhì)的問題。工程建設(shè)不僅包含自然地質(zhì)現(xiàn)象的多個方面，還包含人類工程活動對工程建筑的地質(zhì)現(xiàn)象的多方面。

①對地基承載力的影響。在干燥氣候條件下，黃土具有一定的強度，產(chǎn)生的形變小，承載力較強，作為地基時比較穩(wěn)定。但當(dāng)黃土受水浸濕后，會產(chǎn)生濕陷性，土體結(jié)構(gòu)遭到破壞，土體顆粒間聯(lián)結(jié)作用減弱，會產(chǎn)生下降沉陷，強度降低，承載力減弱，此時作為地基，受到建筑物施加的荷載，通過基礎(chǔ)傳遞給地基，使黃土土層的應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，產(chǎn)生剪切、豎向、側(cè)向變形。

②對房屋建設(shè)的影響。在房屋建造后，土體在水和壓力共同作用下，由于建筑物抗剪能力較弱，在黃土濕陷性作用下，對基礎(chǔ)產(chǎn)生橫向剪應(yīng)力，造成基礎(chǔ)出現(xiàn)細微裂縫，甚至蔓延到建筑主體的薄弱地位。濕陷性發(fā)生突然，沉降量大，不僅造成地基不均勻下沉，甚至造成墻柱裂縫[4]。

4 濕陷性黃土的工程處置措施

4.1 墊層法

墊層法地基處理就是將地面以下一定范圍的軟弱土、不均勻土、濕陷土替換成高強度、高性能、穩(wěn)定性的材料，并夯實擠密，形成墊層的地基處理方法。通過替換高強度的墊層，更能承載上部建筑荷載，提高了地基承載力，避免了濕陷性黃土對建筑物的不均勻沉降。此地基處理方法可以節(jié)省工期，經(jīng)濟效益高且成本較低，適用于處理厚度為6m 的土體，是一種處理淺層濕陷地基的方法。如圖1 所示。

圖1 墊層設(shè)計示意圖

墊層法反鏟挖掘機，土方開挖至留置地下設(shè)計標(biāo)高上15cm~20cm 厚的土層，再由人工開挖至基底設(shè)計標(biāo)高，避免擾動地基土。回填材料，選擇粗骨料、嵌縫料和封面料，保證地基后期承受荷載時均勻受力。

4.2 碾壓夯實法

碾壓夯實的地層處理是一種常用的方法，從高處利用夯錘的重力下落攜帶的勢能，將地基夯實，借助提升機將夯錘提升到一定的高度，循環(huán)往復(fù)，讓夯錘做自由落體，并利用這種沖擊勢能將地基夯實處理。各點位置要保證夯實到設(shè)計的密實度，夯實遍數(shù)達到土層擊實要求，杜絕漏夯、夯實不密實、夯實不充分等不利于施工的疏漏，從而達到濕陷黃土地基處理的標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)沖擊能量的大小，將夯實種類分為強夯和重夯兩類。

采用重錘處理地基的方法挖、填土方少，成本較低，機械化程度高，施工周期較短，但缺點是不能夯實含水率高的地層（如圖2）。沖壓法的優(yōu)勢在于：成本低、人工操作簡單、施工時間短、夯實度良好，具有高效的技術(shù)保證快速的施工進度。借夯錘從高處下落時攜帶的強大沖擊力和接觸地面產(chǎn)生的震動，將夯面以下的地基土夯壓密實，從而消除地基土的濕陷性，改善地基土的工程性能。強夯法處理地基噪音較大，且施工機械大而復(fù)雜，在施工過程中會產(chǎn)生大量塵土，污染生活環(huán)境，靠近市區(qū)周邊住房會嚴(yán)重影響居民生活。所以應(yīng)該應(yīng)用于遠離居民生活社區(qū)、機場、高速公路、鐵路及高鐵等方面。通過強夯法夯實地基達到密實狀態(tài)，提高地基土承載力，以降低濕陷性的發(fā)生，保證建筑的安全穩(wěn)定，維護人民財產(chǎn)安全。

圖2 重錘夯實法

4.3 擠密樁法

利用錘擊打入、爆破或振動沉管將樁打入土層，使地基土體在樁或者沉管作用下擠密土，將準(zhǔn)備好的渣土或灰土等回填料在最佳含水率分層填入。施工前應(yīng)夯實地基，確定填料量和夯擊次數(shù)。擠密樁法適合解決地下水位線以上的濕陷性黃土，處理深度可達0~10m，從樁的角度擠密改變土層的濕陷性，提高地基承載力。常用的是DDC 樁擠密法，采用DDC 法灰土來進行夯實工作，采用鉆孔機打樁成孔，將2:8 或3:7 灰土混合填料回填孔內(nèi)，樁孔的直徑一般在350～450mm 之間，樁孔布置位置不應(yīng)太稀疏也不應(yīng)太緊湊。采用強夯法，使得填料與周圍土層壓縮擠密形成新的加固體，從而提高地基現(xiàn)有的承載力。該方法成本較低，加固效果好，適用能力強。

4.4 排水固結(jié)法

排水固結(jié)法是在黃土地基中預(yù)先設(shè)置排水帶等，預(yù)先在建筑施工前施加壓力，使土體中的孔隙水排出，土層發(fā)生沉降，待剩下土體慢慢密實固結(jié)，同時強度慢慢提高的方法。

排水固結(jié)法主要用于解決地基的不均勻沉降和穩(wěn)定問題。其已經(jīng)運用了十幾年了，有相當(dāng)成熟的經(jīng)驗。在建設(shè)過程中，為提高排水整合，縮短排水距離，加速基礎(chǔ)土壤全段強度增長，保證基礎(chǔ)承載容量始終保持基礎(chǔ)穩(wěn)定性，高于建筑荷載增長率。排水整合的方法適合于飽和和弱土層的處理，但要注意處理通透性很低的泥炭土壤。按照采用的各種排水技術(shù)措施的不同，排水固結(jié)法可分為堆載預(yù)壓法、真空預(yù)壓法、降水預(yù)壓法、電滲排水法。排水固結(jié)法的優(yōu)點有經(jīng)濟效益高、成本低、工期時間短等。

4.5 樁基礎(chǔ)分為端承樁和摩擦樁

由于摩擦樁是利用樁側(cè)摩阻力與土體之間摩擦來承載上部附加荷載。當(dāng)黃土出現(xiàn)濕陷性，受水侵蝕后，土體膠結(jié)能力變差，土壤結(jié)構(gòu)發(fā)生改變，土體流失，則樁身與土體之間摩阻力減少，危害上部結(jié)構(gòu)的安全。因此，濕陷性黃土地區(qū)不能使用摩擦樁。當(dāng)采用端承樁時，上部建筑荷載由堅硬巖層承擔(dān)，直接由樁尖的向上支持力分擔(dān)。但是缺點是施工周期長、地層情況復(fù)雜，樁的質(zhì)量無法保證。

5 工程案例

5.1 概況

規(guī)劃工程場地為典型的濕陷性黃土場。前期經(jīng)過改造后，最初的地形環(huán)境和地質(zhì)條件和之前大為不同，擬建住宅區(qū)，建筑結(jié)構(gòu)為框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地面以上18 層，地下1 層，室內(nèi)外高差為0.45m。地基處理面積約為1800m3。自重濕陷性黃土場地，濕陷系數(shù)在0.016-0.026 之間，地基濕陷等級為IV 級。濕陷性黃土力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 黃土力學(xué)參數(shù)

5.2 處理措施

地基處理采用灰土擠密樁法，在進行樁位放樣之前，施工單位需要及時清理施工現(xiàn)場的全部雜物，根據(jù)樁位平面設(shè)計圖，標(biāo)定施工順序與施工編號，施工人員嚴(yán)格按照平面圖標(biāo)準(zhǔn)來進行樁位放樣施工。選用沖擊沉管方式來擠壓地基，以形成樁孔，配置DD-25 錘擊式柴油打樁機，其中錘的重量應(yīng)大于樁管的重量，土料與石灰是主要施工材料，樁身填料為3∶7 灰土，在充分混合土料與石灰以后，對填料進行分層回填，每一層的厚度應(yīng)控制在0.4m 以內(nèi)，能夠產(chǎn)生膠泥的作用，嚴(yán)格檢查灰土擠密樁的垂直度與孔徑大小。當(dāng)灰土擠密樁成型以后，施工單位需要鋪設(shè)塑料薄膜來有效養(yǎng)護灰土擠密樁，養(yǎng)護7d 左右。

本工程灰土擠密樁總樁數(shù)為2800 根，樁頂標(biāo)高為-6.36m，設(shè)計樁長為20.0m，成孔直徑400mm，夯擴后樁徑不小于550mm，樁中心距0.85m，呈等邊三角形布置。設(shè)計要求樁身灰土壓實系數(shù)不小于0.97，樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93，濕陷性應(yīng)消除，地基處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于330kPa[5]。

5.3 濕陷性黃土對工程沉降影響

根據(jù)室內(nèi)試驗成果數(shù)據(jù)，按分層總和法對各探井位置取土沉降量進行預(yù)估，結(jié)果如表2 所示。分層厚度2m，壓縮模量取值按各深度自重壓力大小參照各探井試樣試驗值選取；考慮到工作重點為填土，簡化起見，未考慮填土層下黃土狀粉土層壓縮變形。

表2 沉降量預(yù)估

從表2 中可得：壓實填土后期沉降量較小，一般為3~10.5cm，松散填土層后期沉降量較大，按其厚度、密實程度不同從33.7~81.5cm 不等，總沉降較大。采用灰土擠密樁總沉降提高36%~100%。

5.4 效果評價

灰土擠密樁承載力特征值需進行單樁承載力靜載試驗加載來確定，抽檢比例為總樁數(shù)的0.4%，選取10 個測試點，加荷分為9 級，首次加荷132kPa，以后每級以66kPa的壓力遞增，試驗終止荷載為660kPa（等于設(shè)計值的2倍）。路基沉降4mm 時的承載能力為330kPa，完全滿足設(shè)計要求。

黃土濕陷性的消除檢測是通過對樁間土樣的室內(nèi)土工試驗來實現(xiàn)的。樁間土樣的選取方式是從設(shè)計樁頂下0.5m 處開始，在探井周邊3 根樁樁體上各取灰土試樣1件；分別在兩樁中間處、三樁形心處各取樁間土樣1 件，對樁間土進行試驗分析。各土樣的濕陷系數(shù)均小于0.015，表明經(jīng)地基處理后，處理深度范圍內(nèi)地基土的濕陷性已消除。

6 結(jié)語

本文總結(jié)黃土濕陷性的成因，黃土結(jié)構(gòu)中大顆粒的表面形狀與黃土的濕陷性有關(guān)，從微觀結(jié)構(gòu)分析，由于大顆粒間沒有進行填充，膠結(jié)力越小，大粒徑顆粒之間的孔隙越大，使孔隙不利于填充。孔隙比越大，其濕陷性越大，兩者之間呈正相關(guān)。整理黃土的濕陷性防治措施采用墊層法、碾壓夯實法、擠密樁法、換填法等方法處理濕陷性黃土地基，可有效地減少黃土的濕陷性，得到土質(zhì)良好符合工程建設(shè)要求的合格地基。分析工程實例，采用擠密樁分析地基預(yù)估沉降，對擠密樁效果評價，地基處理效果滿足建筑物的正常使用要求。