湿陷性黄土地区地基处理方法研究

卢培刚　盛　谊

摘要 本文总结了湿陷性黄土的工程特性和产生湿陷性的原因,提出了湿陷性评价应注意的问题;并重点研究了几种常用湿陷性黄土地基处理方法,分析了其适用条件和施工中应注意的问题,为解决此类岩土工程问题提供了方法和思路。

关键词 湿陷性黄土;工程特性;评价;地基处理

中图分类号 TU444 文献标识码 A文章编号 1674-6708(2009)05-0081-02

0 引言

随着西部开发和能源基地建设,中西部地区大、中型工程不断增多,要求地基具有较高的承载力与较小的变形,尤其对差异变形有着较高的要求。而中西部地区黄土或湿陷性黄土分布广泛,黄土在浸水情况下极易产生大幅沉降或不均匀沉降,导致建(构)筑物地基变形,基础拉裂,给工程带来不可估量的损失。另外,地基处理的费用一般占工程总造价的8%左右,甚至更高,工期为总工期的1/4左右,因此,地基处理方案的优化对保证工程质量和控制工程造价起着重要作用。因而,当前在分析湿陷性黄土工程特性的基础上,研究湿陷性评价中需注意的问题,总结探索湿陷性黄土地区地基处理方法就有着十分重要的意义。

1 湿陷性黄土的工程特性

湿陷性黄土主要为新近堆积黄土,多为风积和冲积的粉粒土与碳酸盐等易溶盐类胶结体,以粉土颗粒为主,占总重量约50%~70%,塑性指数一般为7~13。天然状态下,湿陷性黄土多呈非饱和状态,含水率为10%~20%;剖面上具有垂直解理,多虫孔,有植物根,孔隙比一般在1.0左右或更大;颗粒间具有较大的结构强度,属中、高压缩性土,压缩系数α为0.2~0.6,承载力较高,变形量较小。而一旦受水浸湿后,在自重或一定荷载作用下,土的结构迅速破坏,土体的抗剪强度、承载力都显著降低,产生显著的附加下沉。

黄土湿陷性的原因一直是国内外岩土工程界探求的重要课题,归纳起来主要是内外两方面的因素——黄土受水浸湿和荷载作用是湿陷发生的外因,黄土的结构特征及物质成分是产生湿陷性的内在原因。

黄土中含有大量的可溶盐,如以较难溶解的碳酸钙含量为主,则湿陷性减弱,而其他碳酸盐、硫酸盐和氯化物等易溶盐含量越多,则湿陷性越强;粘粒的含量增多时,特别是当粒径小于0.001mm的土粒含量大于20%,骨架颗粒之间又具有较大的胶结作用时,则土的湿陷性降低。当液限在30%以上时,黄土的湿陷性较弱,且多为非自重湿陷性黄土,当液限小于30%时,则湿陷性一般较强;当黄土的含水量低于塑限时,水分变化对强度的影响最大,随含水量增加土的强度降低较多,但当含水量大于塑限时,含水量对抗剪强度的影响减小,而超过饱和含水量时,抗剪强度的变化就不大。黄土的湿陷性还与外加压力有关,外加压力大湿陷量也显著增加,但当压力超过某一数值时,再增加压力,湿陷量反而减少。

2 黄土湿陷性评价中应注意的问题

在黄土地基的湿陷性评价中,包括三个方面的内容:判定黄土是湿陷性的还是非湿陷性的;如果湿陷性的,还要进一步判定湿陷黄土场地的湿陷性类型,是自重湿陷性的还是非自重湿陷性的;判定湿陷性黄土地基的湿陷性等级。在场地湿陷性评价中应注意以下几个方面的问题:

1)自重湿陷量的起算地面

黄土规范中规定自重湿陷量△zs的计算值,应自天然地面算起,至其以下非湿陷性黄土层顶面止。自重湿陷量的计算值与起算地面有较大的关系,起算地面标高不同,往往导致场地湿陷类型不同。如某场地在勘察期间判定为非自重湿陷性黄土场地,而在整平场地时部分地段填方厚度达3m～4m,对下部土层的压力增大,超过了场地的湿陷起始压力值,变成了自重湿陷性黄土场地。由此可见,当场地的挖方和填方的厚度和面积较大时,测定自重湿陷系数的试验压力和自重湿陷量的计算值,均应自整平后的(或设计)地面算起,否则,计算和判定结果不符合现场实际情况。

2)黄土地基承载力特征值修正

黄土规范中规定当基础宽度b>3.0m或基础埋深d>1.5m时,地基承载力特征值应进行修正,而《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2002)规定当基础宽度b>3.0m或基础埋深d>0.5m时,地基承载力特征值应进行修正,应注意这两个规范的差异,这可能是d=1.5m范围内的湿陷性黄土易受水浸湿,强度易受扰动而降低,侧限作用不明显,同时也考虑了湿陷性黄土地基的承载力要有一定的安全储备而使设计保守些。

3)湿陷性地区的地下水上升问题

陕西关中地区、河南三门峡水库附近和山西某些地区由于降雨量较大、城市大量污水渗入地下、灌溉和污水渠道以及蓄水库的不渗漏等原因,地下水位普遍上升。这应该引起相当的注意,查清当地地下水的上升情况和原因;尽可能避免在地下水位剧烈上升地区建筑;地下水位上升地区黄土的承载力和压缩性指标应按地下水位上升后的情况考虑采用;在自重湿陷性黄土地区,主要还是采取措施以防止地下水位上升。对有可能上升的III、IV级湿陷性黄土地基上的建筑,应消除地基的全部湿陷性或采取深基础或桩基础直接支承在坚实的非湿陷性土层或岩层上。

3 湿陷性黄土地区地基处理方法研究

湿陷性黄土地基的主要工程问题是在上部荷载、浸水作用下产生大幅度的不均匀沉降变形,地基承载力大幅度降低,从而导致地基破坏。目前,主要从以下几方面进行处理:

1)消除基础下地基土的湿陷性

常用的方法有换土垫层、重锤夯实、强夯、挤密桩等。

(1)垫层法是一种处理浅层湿陷性黄土地基的传统方法,适用于地下水位以上,局部或整片处理的湿陷性黄土地基。当仅要求消除基底以下1m~3m湿陷性黄土的湿陷量时,宜采用局部土垫层进行处理,如需提高垫层土的承载力及增强水稳性时,宜采用整片灰土垫层进行处理。这种方法具有较好的抗渗性,抗冻性,而且可以就地取材,造价低,施工方便,技术性不强,易于保证质量,经处理地基承载力可达250kPa,土垫层可达180kPa。需注意的是,不论地基的湿陷等级如何,都不能采用砂土这样的透水性材料做垫层,以免地基被水浸湿。

(2)重锤表面夯实适用于处理饱和度不大于60%的湿陷性黄土地基可以消除基底以下1.2 m~1.8m湿陷性黄土层。在夯实层的范围内,土的物理、力学性质显著改善,平均干密度明显增大,压缩性降低,湿陷性消除,透水性减弱,承载力提高。非自重湿陷性黄土地基,其湿陷起始压力较大,当用重锤处理部分湿陷性黄土层后,可减少甚至消除黄土地基的湿陷变形。因此在非自重湿陷性黄土场地采用重锤夯实的优越性较为明显。

(3) 强夯法是在重锤夯实的基础上发展起来,工艺和设备基本类似,但强夯法的夯击功能较重锤表层夯实法的夯击功能大得多,因此,地基的夯沉量和有效夯实厚度亦大得多。强夯法还可将预留夯实的表层土直接夯成基坑或基槽,从而大大减少地基土方的开挖。采用强夯法处理时,应注意两个问题:

① 在拟夯实的土层内,土的天然含水量宜低于塑限含水量1%~3%。不然应采用晾干或增湿等手段,接近最优含水量。

② 注意上下土层的均匀性问题。如中间存在粘粒含量较高的夹层,极易产生局部含水量富集.虽经大能量夯击.但土中不易产生裂隙.产生的超孔隙水压力不易消散.造成夯击能量不能向下传递.影响强夯的加固效果。这时应考虑选择强夯法处理黄土湿陷性是否合适。

强夯法是处理湿陷性黄土地基最经济的一种方法,施工简单、效率高、工期短、对湿陷性黄土湿陷性消除的深度较大,一般可达8m~10m;缺点是振动和噪声较大。

(4) 灰土挤密桩复合地基。灰土挤密桩的适用于地下水位以上,含水量为14%~22%左右湿陷性黄土。在成孔和夯实过程中,原处于桩孔部位的土全部挤入周围土层中,使距桩周一定距离内的天然土得到挤密,从而消除桩间土的湿陷性并提高承载力。桩底穿过湿陷性黄土层,传力于其下的持力层上。灰土挤密桩地基其上部荷载由桩和桩间土共同承担,挤密后的地基为复合地基,上部荷载通过它往下传递时应力要扩散,而且比天然地基扩散的更快,在加固深度以下,附加应力将大大减小。灰土挤密桩对地基的加固处理效果,不仅与桩距有关,还与所处理的厚度和宽度有关,挤密孔的孔位宜按正三角形布置。挤密法技术可靠,施工简便,工期短,不用或少用机械设备及熟练工人,适应性强,且就地取材,费用较低,施工质量易于控制及检测,处理深度5m~l5m。

(5)孔内深层夯扩桩亦称渣土桩,近年在湿陷性黄土地区也开始应用,它充分利用建筑垃圾,变废为宝,施工现场干净无污染。孔内填料一般为素土或灰土,或建筑物垃圾和废料。成孔后,孔内分层夯填时,对孔周围土体进行挤密,其挤密的影响范围与夯锤的夯击能量有关,在消除孔周围土体湿陷性的同时提高地基土的承载力,在成孔过程中对桩间土的挤密已完成绝大部分,而孔内夯扩桩对桩间土的挤密则在孔内充填土料的过程中完成。其对地基的处理深度较深,可达20m左右,而且无地下水的限制。

(6)预浸水法适用于处理湿陷性黄土层厚度大于10m的自重湿陷性黄土场地,地基湿陷等级为Ⅲ级或Ⅳ级,可消除地面下6m以下土层的全部湿陷性,6m以上土层的湿陷性也可大幅度减小。浸水前应通过现场试坑浸水试验确定浸水时间、耗水量和湿陷量等。为防止在浸水过程中影响周边邻近建筑物或其他工程的安全使用以及场地边坡的稳定,要求浸水坑边缘至邻近建筑物的距离不宜小于50m,浸水坑的边长不得小于湿陷性黄土层的厚度,当浸水坑的面积较大时,可分段进行浸水;浸水坑内的水头高度不宜小于300mm,连续浸水时间以湿陷变形稳定为准,其稳定标准为最后5d的平均湿陷量小于lmm/d。地基预浸水结束后,在基础施工前应进行补充勘察工作,重新评定地基土的湿陷性,并应采用垫层或其他方法处理上部湿陷性黄土层。但是预浸水后基础下土层含水量过高,接近于饱和状态致使后续工作无法正常进行,这也正是预浸水处理的弊端。

2)建筑物基础穿透湿陷性黄土层

将上部结构的荷载通过桩尖直接传递于湿陷土层以下的持力层上。在非自重湿陷性黄土地区,桩底端应支承在压缩性较低的非湿陷性土层(岩层)中。对自重湿陷性黄土场地,桩底端应支承在可靠的持力层中。湿陷性黄土地区桩基础一般采用打入桩、静压桩、钻孔或人工挖孔灌注桩以及沉管灌注桩等,近年来使用较多的为钻孔(或人工挖孔)灌注桩、静压桩以及沉管灌注桩。与其他地区所用桩基础不同的是,当湿陷性黄土浸水后,桩身与桩间土之间的摩擦力大大降低,还会产生负摩擦力,因而应在桩的承载能力上减去桩的负摩擦力。正负摩擦力的大小,应通过现场试验确定。

4 结论

湿陷性黄土在全国分布较广,各地区积累的工程经验也不尽相同,在具体选用湿陷性黄土的处理方法时,应根据建筑场地的湿陷性类别、湿陷等级以及土体厚度等特点,遵循技术先进、经济合理、安全适用、确保质量的原则,首先考虑因地制宜和就地取材等原则,并根据施工技术可能达到的条件,经过技术经济对比予以选用,必要时也可以几种方法综合考虑来使用。

参考文献

[1]高伟,袁翠平.湿陷性黄土地基的常用处理方法[J].江苏建材,2008(2):51—52.