濕陷性黃土地基的沉降規律與特征研究
——以某商業樓傾斜事故為例

張振海

（海口江東新區開發建設有限責任公司，海南海口 571127）

0 引言

建筑物的沉降處理是基礎工程的難題之一，目前尚無法徹底解決。該問題在我國的基礎工程中表現明顯，工程中普遍存在重視承載力而輕沉降防范的現象，其根源在于設計方面存在的機制性缺陷，即對沉降控制的不重視。同時，由于新中國初期引入前蘇聯的規范編定《天然地基設計暫行規范》（簡稱“規結7-54”）[1]，也影響了中國地基工程的實施，并引起了地基沉降方面的一些弊端。具有典型代表性的基礎工程沉降案例，如上海展覽中心（系前蘇聯建筑家設計）從1954 年開始建設到2000 年為止沉降達1.9m[2]。

本文以此為背景，以山西某坡地樓為例，分析建筑物在濕陷性黃土地基沉降中的規律與特征。目前針對此類問題的研究，大多集中在分析其處理方面，而對于系統性的原因剖析、規律分析等研究方面卻鮮有涉及，本研究正是對此方面的補充。

1 案例建筑物沉降分析

1.1 工程概況

山西某坡地樓由于遭遇特大暴雨，雨水浸泡導致發生了嚴重的沉降，如圖1—圖5 與表1 所示。

圖1 傾斜建筑外貌(背面)

圖2 傾斜建筑物內貌(裂）

圖3 正面軸線的沉降曲線

圖4 背面軸線的沉降曲線

圖5 傾斜觀測測點位置示意圖

表1 傾斜觀測結果數據統計表

1.2 案例地基的土層構成

地基主要構成如下：①層為素填土；②層為濕陷性黃土，基礎位于此層；③層也為濕陷性黃土；④層為粉土。土層厚度與承載力特征值如表2 所示。

表2 土層傾斜觀測結果數據統計表

1.3 沉降原因分析

沉降由三部分構成：（1）坡底處靠近地庫，開挖時局部放坡，施工時采用回填土夯實的辦法對此地基進行處理，此處的設計為條形基礎的結構支撐；（2）坡底下部地勢低，下側面又有車庫的頂板與側板阻擋了流水，形成更多積水向下滲透后導致的沉降更多；（3）土壤在受建筑荷載后形成的正常沉降占一定數量。

案例建筑物地基在回填土多與浸水多的一側產生的沉降多，而中間部位產生的沉降小，形成了不均勻沉降。

1.4 危害的表現形式

案例建筑物的危害主要表現在4 個方面：（1）變形量（最大點處297mm）及轉角斜率已超出《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）中的限值1%要求；（2）墻最大裂縫寬度已達約20mm，梁處已達約2mm；（3）樓板裂縫主要分布在一層頂板上，樓板上表面受拉力作用產生較為明顯的裂縫，樓板下表面受擠壓作用裂縫表現不明顯；（4）三部樓梯的梯梁均有不同程度的斷裂，形成明顯的變形特征——錯位、扭曲，如圖2 所示。

1.5 危害的隱患分析

（1）《危險房屋鑒定標準》（JGJ 125—2016）4.2.1-3 規定，因地基變形引起框架梁與柱出現開裂且房屋整體傾斜率大于1%時，該建筑物已處危險狀態。

（2）存在裂縫均為不均勻沉降所產生，涉及到主體結構受損。墻體的裂縫對構件的整體性和使用功能產生影響，梁裂縫對結構的承載力有影響且會引起侵蝕。

（3）產生的主要原因是由于線管對截面的削弱作用，其次是受到地基不均勻沉降變形而開裂，且會引起侵蝕。

（4）樓梯梯段板與樓梯梁的滑動變形量較大且已斷開，對樓梯的使用功能有影響。

2 建筑物沉降的理論分析

2.1 地基沉降的組成部分

地基的沉降包含瞬時、固結、蠕變，如公式（1）所示：

式中：ST為總沉降量；Sd為瞬時沉降（地基土在加載瞬間土體孔隙中的水來不及排出，孔隙體積尚未變化，地基土在荷載作用下發生剪切變形時產生的地基沉降）；SC為固結沉降（地基土在荷載作用下超靜孔隙水壓力逐漸消散，孔隙水排出而孔隙體積減小，土骨架產生變形所造成的沉降）；SS為蠕變沉降（地基土在經歷長時間荷載作用下，土體中超孔隙水壓力已完全消散，有效應力不變的情況下，由土的固體骨架長時間緩慢蠕變所產生的沉降）。

2.2 地基浸水后形成劇烈沉降

（1）不浸水狀態下的沉降。首先是瞬時沉降，在建設期間內完成；其次是固結沉降，大約在1～5 年間完成；最后是蠕變階段，此過程非常漫長，可達數十年或百年。沉降與時間成正相關性，規律是先快后慢；坐標軸反映為起點位于零點，終端接近或達到某一直線。

（2）浸水狀態下的沉降。案例中以主體結構完成后的布點作為沉降起始值，共進行了三次觀測；在正常狀態下沉降量很小，兩個月的時間內沉降值不到1mm，但一旦浸水后則沉降量增加到近千倍，如圖6 所示點位與表3 所示沉降值。

表3 沉降觀測結果數據統計表（單位：mm）

圖6 沉降觀測布點示意圖

3 黃土的一般特征分析

3.1 特征

黃土形成于第四紀，顏色以黃色、黃褐色、淡黃色為主，分布在氣候干旱地區，以粉粒為主，大孔隙、欠壓密、垂直的節理發育，富含可溶鹽等。顆粒組成以粉土為主，其中細粉粒（0.005～0.010mm）的含量小于粗粉粒（0.01～0.05mm）的含量，孔隙率一般為35%～60%，含有大量的硫酸鹽。

3.2 分布

黃土在全世界分布廣泛，約占地球陸地總面積的9.3%（約1300 萬km2），其中美洲15%、歐洲7%、亞洲3%，大洋洲與非洲北部也有零星分布。

中國的黃土面積約63.5 萬km2，分布在北方地區，即北緯33°～47°之間，而其中以34°～45°之間最為發育。其中濕陷性黃土約占黃土分布總面積的約60%，分布的主體為黃河中游地區，東起太行山，西至烏鞘嶺，南起秦嶺，北達長城附近（東經102°～114°，北緯34°～41°之間）。濕陷性黃土往往覆蓋在非濕陷性黃土層上部，厚度可達30m，如六盤山以西地區；薄處僅幾米，如汾渭河谷，向東至河南西部則更少。

3.3 結構

絕大部分聚集成由微晶碳酸鈣凝聚的集粒式“凝聚體”（單個“片狀”很少），此凝聚體具有外輪廓與單獨發揮作用的功能。凝聚體與原生碎屑礦物共同組成結構的“骨架顆粒”，以空間結構力學進行分析，認為其結構是由此“骨架顆粒”連結成的空間結構體系[3]。

浸水后受到的結構破壞，其機理反映在兩個方向：一是起膠結作用的物質融于水中，使原有結構骨架瓦解失穩；二是大、中型孔隙隨著骨架顆粒的滑移而坍塌，使孔隙總量減小，原有體積變小，所承載的建筑物下沉。

4 濕陷性黃土特征分析

4.1 現象

“濕”指水，“陷”指下沉變形。濕陷性緣于受到水的作用，顆粒之間的連接力變小，框架之間的結構分解后重新組合且排列更為緊密，形成新的更小孔隙。

（1）對水的敏感性體現在形變與強度等方面，而濕陷性又與土壤中的含水率、孔隙性、成因、深度、成壤作用等具有相關性，這些因素可用土工試驗所測定的指標反映。

（2）中國的黃土在空間布局上濕陷性從強至弱具有三個規律：緯度方面自西北向東南方向（與地域的降水量負相關）、空間方面自上層到下層、時間方面自新到老。

（3）失陷性黃土存在著變形量較大的特征，其變形量是正常壓縮變形的幾倍到十幾倍，且發生速度較快[4]。

4.2 系數

濕陷系數是評價黃土濕陷性的一個重要指標，是指在一定壓力下土樣浸水前后高度之差與土樣原始高度之比，如表4 所示。濕陷系數按公式為：

表4 濕陷性土壤的規定與分類

式中：hp為保持天然含水率，加壓至一定壓力下沉穩定后的高度；為上述加壓穩定后的土樣在浸水作用下，下沉穩定后的高度；h0為土樣的原始高度。

（1）黃土的天然孔隙比與濕陷性系數成正相關。有研究得出，孔隙比e＜0.780 時，δs＜0.015，即濕陷基本消失；孔隙比e＞1.026時，濕陷性強烈[5]。

（2）黃土的含水率與濕陷性系數成負相關。有研究得出，當土樣的含水率達到最優含水率時（約18%），濕陷性系數最小[6]。

（3）濕陷變形系數與土的飽和度的增長成負相關。有研究得出，飽和度Sr＞65%時，δs＜0.015，即濕陷基本消失[7]。

（4）黃土的干密度與濕陷性系數成負相關。有研究得出，濕陷性黃土干密度約在1.45g/cm3時，濕陷系數基本為零[7]。

（5）黃土的壓縮模量與濕陷系數成負相關。土質越密實，可壓縮性越小，濕陷系數則越低。

4.3 成因

（1）毛細管力學分析。源于太沙基的毛細彎管液面理論：土內部的不連續性水分，積聚在顆粒接觸點時，其相鄰顆粒孔隙中的水分與空氣交界處的表面張力迫使土粒拉聚在一起，土受到水浸入后表面張力消失，土壤結構隨后潰散收縮。

（2）溶鹽分析。以波雷諾夫和波斯特羅夫分別提出的鹽類溶解理論為代表：黃土中存在可溶性鹽類，浸水的條件下此部分易溶鹽類處于微晶體的狀態，并且其附著在顆粒表面呈膠結狀態而具有內聚力；當受水浸濕后易溶鹽溶解，內聚力消失而體積縮小。

（3）膠體不足。以安德魯欣所提出的理論為代表：濕陷性是含有小于0.05mm 顆粒小于10%的土體所固有的性質，此類土體缺少膠體部分，當膠體數量達到某一程度，則膨脹可防止濕陷的發生，否則發生濕陷。

（4）水膜楔入。以捷尼索夫提出的理論為代表：低含水量的黃土在細顆粒表面包裹著結合的水膜往往很薄，溶解在其中的陰離子與陽離子的靜電引力較強，將表面帶負電荷的粘粒連接起來則形成凝聚強度；當水進入土中后結合水膜變厚，如“楔子”一樣將顆粒分開，使土粒表面產生膨脹與體積增大，引力減弱與凝聚強度降低后造成體積變小與土體沉陷。

（5）欠壓密。在干旱的氣候條件下，土體所含水分在沉積過程中蒸發消失，而所含鹽類析出后形成凝固膠體，固化所產生的粘聚力阻礙上層對下層土體的壓密，從而形成欠壓密狀態。經過長時期的堆積，形成間隙較大的欠壓密松土層，浸水后固化粘聚力消失而變形沉降。在土壤形成過程中，當降水量少或干旱期長時欠壓密程度大，且欠壓密土層也較厚。此理論易于解釋中國黃土西北部濕陷性強，而東南部弱的規律。

（6）結構分析。高國瑞[8]研究開創微觀領域，是對濕陷性黃土研究的突破，謝婉麗等[9]的研究更進一步，從黃土的微結構類型闡述黃土的濕陷性。此理論總的觀點認為，不但黃土顆粒之間存在空隙，而且顆粒內部也存在空隙。

（7）其他。王家鼎等[10]研究得出黃土的液化系外動力因素地球脈動引起，從而導致黃土自重濕陷。沈珠江[11]研究認為廣義吸力的喪失將促使欠壓縮土和超壓縮土全部向穩定狀態發展。這些理論創新濕陷性成因研究的進一步發展。

以上理論可總結為三類：①力學成因(包括毛細管力、水膜楔入、抗剪強度降低、脈動液化及微結構不平衡)；②物質成因(包括鹽溶和膠體不足)；③結構成因(包括欠壓密、結構、穩定狀態發展)。但是三類理論都無法完全解釋濕陷的機理，目前仍以結構學說為主流進行工程的理論指導與實踐，效果較明顯。

4.4 影響因素

（1）孔隙。黃土的孔隙比與黃土濕陷系數成正相關，隨著孔隙比的增加，黃土濕陷系數也增加。黃土孔隙中的大、中孔隙與濕陷正相關性更強，有研究[12]得出的數量關系如式（3）所示：

式中：δs=為濕陷系數；A 與B 為統計參數，與土體性質和外加荷載有關；e 為常數；J 為大、中孔隙的含量。

（2）天然含水率。天然含水率與濕陷性為負相關，但到達一定的數值后濕陷停止。以陜西為例，西安地區ω＞24.0%、咸陽地區ω＞29.0%時濕陷性微弱，而ω＞30%時基本不考慮濕陷性[12]。

（3）可塑性。濕陷性黃土的塑性指數與濕陷性為負相關。黃土的三個指數（液限、塑限和塑性）差別小且都與濕陷系數為負相關；濕陷系數與液性指數無相關性（液性指數往往很小且所處的狀態往往較好）。

（4）鹽類含量。易溶鹽類浸水后溶解于水中，進而產生體積的變小。中溶與難溶鹽類是減少濕陷的一個重要的因素，其中難溶鹽在黃土中既可起骨架作用又可起膠結作用。

（5）礦物質組成。黃土的成分中包含石英等礦物質，其中伊犁石和蒙脫石的含量對黃土的濕陷影響較大，呈正相關性。

5 防范過度沉降的措施

5.1 防范常規土沉降的方法

（1）被動式。原狀的土壤沉降量不易控制，可采用預留沉降量的被動方式。有研究得出，按土壤壓實率（常規為90%～97%），事先按填土高度0.5%～5%進行預留沉降量（高出設計面），則可以在沉降相對穩定后達到設計面[13]。

（2）主動式。包括夯實法、置換法、預壓法、攪拌法、樁等，如表5 所示。

表5 防范類似沉降問題產生的方法

目前隨著建筑物體型越來越高大，其荷載也越大，樁基礎的型式既能有效增大承載力，也能控制沉降。特別的長樁型（40m＜樁長＜80m）或超長樁型（樁長≥80m）的超高層建筑物，可將其沉降量控制在60～100mm，并且其反映在斷面上也較為均勻。

5.2 防范濕陷性沉降的方法

（1）優先選用樁基礎。可有效防范浸水的危害，在建設與使用的幾十年甚至上百年的時間內，能有效防范雨水或生活使用水的侵蝕，是消除濕陷性沉降的最有效方法之一。即使有水滲入也只會產生淺層土的下降，不影響樁基下層的受力狀態。

（2）事先水浸滲透法。在擬建基礎部位用水浸滲，達到事先沉降。①傳統浸泡法，濕陷土層厚度在10m 以內，浸泡約35 天；完成浸泡后抽水與晾干，半年之后再進行施工；上部5m 內土層雖經浸滲處理，但仍然存在著外荷濕陷性及二次濕陷問題，需要通過擠密樁等技術方法，將上部地基承載力傳遞到下層土壤。②砂井增濕法強夯法，砂井注水對地基增濕，再采用強夯法加固。

（3）防水措施。在建設過程或使用過程中，在基礎部位設計排水與防水措施，防止水滲入到基礎部位，如防水的排水溝、排水管道、地面硬化等措施。

6 不均勻沉降發生后的糾偏

6.1 非濕陷性黃土地基發生不均勻沉降后糾偏方法

將此類土壤地基發生不均勻沉降后的糾偏方法歸納為7 種，如表6 所示。

表6 非濕陷性黃土地基糾正建筑物的方法與其機制原理

建筑出現不均勻沉降后，需找出原因進行針對性治理。如比薩斜塔采用“制定方案、監測實施、防范措施、施工糾偏”等方法；大雁塔采用“人工干預升降水位”等方法；虎丘斜塔采用“圍合、灌漿、蓋板、換柱”等方法；加拿大特朗斯康谷倉采用“新建基礎、頂升、替換”等方法。

6.2 濕陷性黃土地基發生不均勻沉降后糾偏方法

濕陷性黃土地基既有建筑物產生不均勻沉降且造成傾斜，常用的糾正加固方法主要有5 種，如表7 所示。

表7 濕陷性黃土地基糾正建筑物的方法與其機制原理

6.3 案例采用的方法

本文案例所涉及的浸水后沉降的建筑物，面積約為550m2，經評估采用糾偏與加固的措施，所需費用約為100～150 萬元，而拆除及重建的費用約為100～120 萬元。為達到治本目的，選擇后者。

方案一：由原來的條形基礎改為第二次樁承載力結合基礎梁，樁長約10m。方案二：在原有基礎的高度再向下深挖3m，與旁邊地下室的基礎平面處于同一平面，設置一大筏板作為整體式地下承臺，從而防范沉降，再以磚墻作為承重結構向上至地面。

方案一由于樁機再次進場與再次采購樁的困難以及成本高而遭到否決。方案二在施工的便利性與經濟性方面都具有優勢，通過對比選擇方案二，可達到事先水浸與深埋滿堂筏板結構的雙重防范效果，有效防范再度發生水患。

7 結語

本文選擇某案例工程分析其沉降的原因與表現形式，從理論視角分析了建筑物沉降的組成及其與時間的相關性。進一步分析了黃土特征與黃土的濕陷性特征，從黃土的特點、分布、結構三方面與黃土的濕陷性現象、濕陷性系數、濕陷成因、濕陷的影響因素四方面進行了闡述，得出濕陷性黃土地基的沉降規律與特征。最后總結了防范沉降與糾偏的主要措施與方法，介紹了案例所采用的糾偏方法。