濕陷性黃土地區某安置點場地凍脹災害治理研究＊

裴先科，姜 偉，曹林同，馬明亮

（1.甘肅省建材科研設計院有限責任公司，甘肅 蘭州 730010；2.甘肅建筑職業技術學院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

房屋居住環境是農村脫貧攻堅中最為困難的問題之一，尤其在祖國西北甘肅，地貌復雜多樣，多山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯分布。甘南高原是“世界屋脊”——青藏高原東部邊緣一隅，地勢高聳，平均海拔超過3 000 m；河西走廊位于祁連山以北，北山以南，東起烏鞘嶺，西至甘新交界，是塊自東向西、由南而北傾斜的狹長地帶。甘肅的地理條件，決定了甘肅地質巖土復雜，人們賴以生存的居住環境差，可以建造房屋及用于生產的土地有限。由于農村經濟條件的限制，農民對建筑物建造常識的認識有限，農村房屋改造中出現了臨山而建的建筑群，套用標注圖施工建于不利場地的建筑群，還有未按房屋構造要求建造的房屋等，因此很多已建造的房屋存在安全隱患。特別是高寒潮濕地理環境，由于山地多、雨水豐富，如果場地選址未進行技術論證，場地勘察不清，施工圖設計不科學合理，此類場地建造房屋后，冬季凍脹病害給房屋帶來極大危害，給老百姓帶來了諸多安全隱患和不便。為改善老百姓的居住環境和生活條件，中央及地方出臺了居民安置點的政策，由于可利用土地資源少，許多地方平山填溝造地、沼澤濕地改造、臨山洼地整治等。如果處在高寒潮濕地理環境下，此類場地被作為建筑用地后，不進行技術處理和專業論證，將帶來的工程病害非常多，治理極其困難，其中場地凍脹病害尤為顯著。潘鵬等[1]通過對飽和黃土的凍脹融沉特性研究結果發現：飽和土的凍脹性大，無外界補給水時凍脹率在4%以上，有外界補給水時凍脹率可達14%以上。周志軍等[2]通過含水率和溫度變化的凍融黃土性能試驗結果發現：在相同測試溫度下，壓縮模量隨含水率增大而顯著降低，當含水率一定時，土樣的壓縮模量隨著測試的溫度降低而降低，其中0°～5°壓縮模量降幅最大；劉占良等[3]以張承高速公路黃土路基凍脹性試驗研究為背景，發現隨著初始含水率增大，膨脹率也會增大，土體膨脹變形的原因在于水變為冰時，會產生體積膨脹。濕陷性黃土地區的地基不均勻與沉降引起基礎的變形對建筑物的損害極大，將直接影響建筑物的正常使用；汪過兵[4]研究發現：不均勻濕陷性黃土固結變形會對上部建筑結構造成不同程度的損壞，引發的病害時有發生，嚴重影響結構使用壽命，對人民群眾的生命財產安全造成巨大的威脅。汪過兵等[5]研究表明：地基不均勻濕陷沉降變形極易引發地基、基礎局部產生脫空現象。土體凍結是一個極其復雜的過程，也是目前濕陷性黃土地區亟待解決的工程問題之一。

甘肅省某縣某村為解決村民安全舒適住房問題，將居民安置點選址在該村某河流的下游處兩岸灘地上，占地面積約53 300 m2。該安置點位于高寒潮濕地理環境，多山地，雨水豐富。而在河的南岸是一片沼澤灘地改造場地，建造場地處理不規范，用標準圖集對該片場地的房屋建造實施，實施過程及程序不專業規范。建造完成交付使用后，經過一個冬季，發現院落地坪膨脹，抬高地坪，高差達0.32 m；部分墻體被脹土抬高變形，院落內的附屬設施給排水管道等遭到破裂。到了春夏季，隨著溫度的升高，地坪的凍脹恢復，但已造成墻體裂縫損傷現象；房屋的正常使用受到了嚴重影響，直接影響到人民的生命財產安全。項目組成員針對該安置點的病害通過現場調查、試驗等進行綜合研究分析并治理，其研究成果為國內濕陷性黃土地區類似工程病害處理提供技術支撐，同時對鄉村振興戰略也有著十分重要的意義。

1 工程概況

1.1 建筑概況

該安置點于2013年6月開工建設，2014年10月建設完成?？偨ㄖ娣e約44 000 m2，涉及住戶208戶，建筑防火類別為二類，其中河西側128戶，河東側80戶，平面布置如圖1所示。

圖1 安置點西側128戶場地處理區域

安置點每戶房屋均由正房及偏房組成，均為一層磚木結構，層高3.60 m，長6.9 m，寬3.6 m，承重墻體為370 mm，240 mm厚多孔黏土磚墻，屋架形式為木屋架，如圖2所示?；A采用獨立基礎，基礎埋深1.1～1.8 m，大部分基礎以卵石層作為持力層，輔助用房基礎地面-0.900 m，該安置點偏房采用混凝土墩基礎，埋深1.1～1.80 m，墩布置間距約為2.0 m，持力層為卵石層。場地地下水埋深為現自然地面下0.6～1.2 m，地下水為潛水。

圖2 房屋現狀圖

1.2 地質概況

勘探深度6.7～8.1 m，根據勘察，該深度內地層結構簡單，場地地層分為上下2層，詳細如下：

（1）粉質黏土層：灰黃色—黃褐色，顏色自上而下逐漸變深，稍濕，稍密，呈可塑狀態，土質均勻，厚度大；含白云母碎片、腐殖質、青灰黑色淤泥質團塊、少量植物根系、蝸牛殼碎片等，層厚1.8～2.20 m，層底標高98.9～97.9 m。

（2）圓礫層（Q4沖擊層al+洪積層pl）：雜色，濕，松散—中密，局部為密實，上部粒徑較細，下部級配良好。成分以變質巖為主，亞圓—圓形，分選性差，最大粒徑120 mm、一般粒徑4.0～9.0 mm，層面下1.0 m 以下骨架顆粒含量一般61.8%～72.9%，以砂粒為主，夾有少量粉質黏土團塊。

2 安置點地基土試驗研究

為查明地基土現狀，課題組在安置點布置了3個探坑，探坑深度均約為2.0 m。對探坑內地基土進行現場原狀土取樣，并對地基土的物理力學性質現狀進行檢驗分析，地基土樣如圖3所示，地基土芯樣如圖4所示，研究結果見表1。通過研究發現該安置點地基土塑性指數（IP）為10

表1 原狀土樣進行室內試驗

圖3 地基土樣

圖4 地基土芯樣

3 凍融環境

該場地地下水分2層，其中上層水為粉質黏土層中上層滯水，為地表下滲水，水量不大，位置約1 m；下層水屬松散沉積物淺部潛水，富含于圓礫層，水面高程2 199.9～2 199.6 m，現場情況如圖5所示。在室外自然地面下0.0～1.0 m，地基土含水量22.3%～29.5%，含水量高。

圖5 場地地下水

場地南高北低，南北走向較狹長，落差達13.0 m，地下水來水方向多元：有上游河水滲入；該地區常年多雨，有東西兩山坡下滲地表水滲入等情況。地下水并不在同一平面，一般鉆孔地下水初見水位較深，而穩定水位較淺，主要受河水及大氣降水補給、水流方向自西南向東北，最終向東排泄于河流，經檢測調查，年季節性水位變幅1.50～1.0 m，滲透系數約為45～55 m/d。根據刨開的基礎地基巖土研究發現，地基土反復揉捏出水，如圖6所示。

圖6 地基土現場情況

根據現場檢測、調查、勘探、取樣綜合研究分析發現：凍脹嚴重區域的雨季水位-0.100 m；旱季水位-0.150 m；該區域海拔2 180 m 左右，年平均溫度7.2 ℃，冬季室外計算溫度-11.3 ℃，最低溫度-22 ℃，平均-4～8 ℃，室外大氣壓力0.081 26 MPa；夏季室外大氣壓力0.080 81 MPa。

4 損傷病害分析研究

該安置點西側92 戶于2018 年集中反映房屋偏房墻體出現裂縫，現場情況如圖7 和圖8 所示。2019年3月16日—3月24日、3月28日—4月5日先后對該安置點的房屋進行了分析研究，發現該安置點整個場地處在兩山之間的低洼地帶，場地為一片沼澤地，根據勘測研究結果發現該場地水位較高，地基土含水率高，巖土類別為粉質黏土，屬于黃土類；處于不利場地狀態。

圖7 基礎與墻體連接處裂縫

圖8 基礎與墻體連接處裂縫

4.1 場地膨脹損傷病害分析研究

通過現場勘查、檢測，調查剖析，該住房采用換填砂夾石，其余部位換填黃土，含水率比較高；施工時由于影響巖土膨脹因素土質、巖土的含水率、溫度、外荷載作用等改變，以及場地處理的碾壓、夯實效果等對凍脹產生一定的影響。通過研究分析，該場地膨脹損傷病害的主要原因如下：（1）施工時換填土的含水率控制得不太好，含水率高；（2）整個場地處在兩山之間的低洼地帶，地表淺水滲流，同時場地的水位較高，導致場地巖土的含水率過高，場地巖土含水率處于飽和狀態；（3）無有效排水措施，長期排水不暢，冬季溫度較低。場地現場凍脹情況如圖9所示。

4.2 房屋損傷病害分析研究

通過研究分析，該場地的場地房屋損傷病害的主要原因如下：整個場地處在兩山之間的低洼地帶，地表淺水滲流，地下水位為自然地面下0.6～1.2 m，受毛細水壓力作用，地基土長期處于飽和狀態。該地區標準凍深為1.20 m，場地凍結深度計算結果為0.96 m，平均凍土深度為0.9 m。由于建筑物圍墻及偏房部分基礎為埋深小于1.2 m 混凝土墩基礎，不滿足抗凍拔穩定性要求，且上部結構為單層磚木結構，荷載小，因此冬季凍脹極易造成房屋墻體開裂等病害損傷。

4.3 治理措施研究

降低場地含水率技術手段和降水處理是該場地治理的關鍵。經過研究論證分析決定：（1）對該場地室外環境進行整治，降低地下水位，即通過采用滲井、盲管及暗渠技術，將水位降至最深凍土層以下，即將-0.100 m 水位降到-1.100 m 水位線以下；（2）對墩基礎及基底凍脹土體進行防凍脹處理；（3）對該工程主體結構進行加固處理、并更換危險構件；（4）對部分裂縫嚴重、墻體歪閃較大房屋應立即進行拆除。同時，做好整個場地的排水措施，形成明排和暗排相呼應的降排水系統。

5 病害診治關鍵技術

5.1 盲管及滲井理論研究

在居民區巷道設置滲水井及盲管，同時在盲溝管線上設置盲溝排滲收集井，如圖10所示。其主要排水循序如下：暗渠→滲水井→盲管→鋼筋混凝土雨排水溝內，然后將鋼筋混凝土雨排水溝的水及地表雨水通過明溝一起排入河溝；最后通過排水溝將水排入河道，如圖11所示。

圖11 滲井、盲管及暗渠布置示意圖（單位：mm）

（1）盲溝流量公式：

式中：地下水位高度：hc=1.4 m；盲溝內的水流深度：hg=0.5 m；含水層材料礫石的滲透系數：ks=0.6 m/s；地下水位受盲溝影響而降落的水平距離：Ls=929.52m。

盲溝流量：Qs=0.000 3m/（s?m）

因水由2 側流入盲溝，上述盲溝流量乘以2，則最終盲溝流量：Qs=0.000 6m/（s?m）

（2）盲溝埋置深度公式：

式中：凍結深度：Z=1.2 m；凍結地區沿中線處凍結線至毛細水上升曲線的間距：p=0.25 m；毛細水上升高度：e=0.04 m；水力降落曲線最大高度：f=0.60 m；盲溝底部的水柱高度：h3=0.4 m；邊溝深度：h1=0.6 m。

盲溝埋深經過計算為1.89 m，本次實際試驗為2.0 m。

5.2 暗渠研究

在居民區安置點場地2 側設置暗渠，其橫斷面圖如圖12 所示，將所有通過暗渠的水滲集于盲管，再由盲管匯集于鋼筋混凝土雨排水溝內；從排水溝導入室外河流。

圖12 暗渠橫斷面示意圖（單位：mm）

6 結論

該安置點整個場地處在兩山之間的低洼地帶，建筑物圍墻及房屋部分基礎為埋深小于1.2 m且上部結構為單層磚木結構，地下水位為自然地面下0.6～1.2 m；由于荷載小、地表淺水滲流，受毛細水壓力作用，地基土長期處于飽和狀態。冬季凍脹造極易成房屋損傷病害，通過應用滲井、盲管、暗渠綜合治理技術研究得出以下主要結論。

（1）通過盲溝的水流量計算分析，盲溝的流量為0.000 6m/（s?m）；盲溝埋深為2.0 m。

（2）通過該技術施工后第1個冬季溫度最低時，地下水位顯著下降，下降到-1.200 m以下，凍脹現象基本消失。

（3）通過該技術施工后第2個冬季溫度最低時，地下水位下降至-1.400 m以下，凍脹現象完全消失。

（4）通過該技術施工后，該場地地下水位以上巖土的含水率逐年降低，凍脹引起的地面設施的破壞現象基本消失。

目前已經歷了4 個凍脹期，其凍脹災害得到了有效的治理。其研究成果為濕陷性黃土地區黃土地基凍脹災害治理等提供科學依據。