湿陷性黄土工程性质及其地基处理方法简述

史宏民

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

天然黄土在一定压力下充分浸水后，其结构迅速破坏而发生显著附加下沉的现象称为湿陷。湿陷是黄土区别于其他类土的一个非常重要的特性，受黄土的微结构、物质成分、孔隙比、含水率、压应力等因素影响。黄土湿陷性问题一直是黄土地区的一个典型的工程地质问题。近年来，对黄土湿陷处理的研究越来越成为学术界和工程界关注的焦点。下面从湿陷性黄土的定义和特点，湿陷性黄土的工程性质及湿陷性黄土地基处理方法等方面对其做一些简单分析。

1 湿陷性黄土的定义和特点

1.1 黄土及湿陷性黄土的概念

黄土按成因可分为原生黄土和次生黄土。原生黄土是一种在半干旱气候条件下以风力搬运沉积的、粉质的、无层理并具有针状大孔和垂直节理的特殊土，通常为褐黄、灰黄或黄褐色，含有碳酸盐类。次生黄土又称黄土状土，是原生黄土经受非风力扰动、搬运和沉积而成的，常具有层理和夹有砂、砾石层。

黄土在天然状态下往往具有较高的强度和较低的压缩性。黄土遇水浸湿后，凡是在上覆土自重压力或附加压力共同作用下，发生显著附加沉陷的统称为湿陷性黄土，否则就称为非湿陷性黄土。即使在自重压力作用下也会发生显著湿陷的称为自重湿陷性黄土，在自重压力作用下虽未发生湿陷，但在附加压力下发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。

1.2 湿陷性黄土主要特点

黄土在我国西北和华北等地分布很广，总面积约64万km2，其中湿陷性黄土占我国黄土地区总面积的60%以上，而且多出现在地表上层，多属晚更新世（Q3）和后更新世（Q4）。湿陷性黄土主要有以下特点：颜色呈棕黄、灰黄或黄褐色，天然剖面上垂直裂隙发育，孔隙比一般较大，常具有肉眼可见的大孔隙；颗粒组成以粉粒（0.05～0.005 mm）为主，其含量达50%以上；含碳酸盐或硫酸盐成分，有时含有钙质结核；水理性敏感，受水浸湿后易产生附加沉陷。

2 湿陷性黄土的工程性质

2.1 湿陷性的判定及其程度划分

黄土的湿陷性是黄土最重要的工程特性。为了判定黄土是否具有湿陷性以及湿陷性程度如何，需进行室内无缩试验确定黄土的湿陷系数δs，然后根据δs值的大小加以判定。

式中：hp——保持天然湿度和结构的土样，加压至变形时稳定后的高度；

hp′——上述加压稳定后的土样在浸水作用下变形稳定后的高度；

h0——土样的初始高度。

当δs＜0.015时，定性为非湿陷性黄土；当δs≥0.015时，定性为湿陷性黄土。

按δs值大小可将湿陷性黄土分为三类：当δs＜0.03时，为轻微湿陷性；当0.03≤δs<0.07时，为中等湿陷性；当δs>0.07时，为强烈湿陷性。

2.2 湿陷性黄土在物理力学性能指标上的特点

2.2.1 颗粒组成

湿陷性黄土的颗粒组成以粉粒（0.05～0.005 mm）为主，含量达 50%～75%；其次为砂粒（>0.05 mm），占10%～30%；黏粒（<0.005 mm），占8%～25%。

2.2.2 界限含水率

湿陷性黄土的液限一般为22%～35%，塑限一般为14%～20%，塑性指数大多在9～12之间。液性指数常在0上下波动，所以大多数湿陷性较高的黄土处于坚硬或硬塑状态。

2.2.3 比重、容重及孔隙比

湿陷性黄土的颗粒比重在2.55～2.85之间，在我国由西北向东南呈逐渐增加趋势。

湿陷性黄土的天然容重一般为13.5～19.0 kN/m3，干容重一般为11～16 kN/m3，干容重超过15 kN/m3以上时，湿陷性一般很弱或无湿陷性。

湿陷性黄土的孔隙比一般较高，其变化范围为0.8～1.24，大多为 0.9～1.1。

2.2.4 含水率和饱和度

湿陷性黄土的天然含水率一般较低，且其他条件不变时，含水率愈低，湿陷性愈强烈，随着含水率的增大，湿陷性逐渐减弱。通常含水率超过23%时，就不再具湿陷性或湿陷性很弱，相应土的压缩性增高。

湿陷性黄土的饱和度的变化范围为17%～77%，多数为40%～50%，当饱和度接近80%时，湿陷性基本消失。

2.2.5 压缩性

湿陷性黄土在天然状态下压缩性较低，遇水后压缩性增高。我国黄土的压缩系数一般为0.1～1.0。压缩系数的大小与湿陷性黄土形成的地质年代有关，一般在中更新世（Q2）时期形成的多属低压缩性或中等偏低压缩性，在Q3及Q4时期形成的多属中等压缩性或中等偏高甚至高压缩性，而在Q42时期形成的新迈堆积黄土则多属高压缩性。

2.2.6 抗剪强度

天然状态下，用直剪固接快剪测得的湿陷性黄土黏聚力一般为 15～30 kPa，内摩擦角为 17°～30°。

2.2.7 渗透性

湿陷性黄土的渗透性呈现明显的各向异性。一般室内试验测得饱和渗透系数在垂直向为（0.16～0.33）×10-5cm/s，水平向为（0.1～0.83）×10-6cm/s。原位试验和室内试验结果相差很大，原位试验测得的渗透系数为1～15 m/d，接近粉细砂水平。

3 湿陷性黄土地基处理的主要方法

为确保湿陷性黄土地区路基与结构物安全及正常使用，根据现场工程地质、水文地质、气候条件等特点，常需对黄土地基进行处理。其目的是改善土的性质，减少土的渗水性、压缩性，控制其湿陷性的发生，部分或全部消除其湿陷性，湿陷性黄土地基处理的方法很多。在不同的地区，根据不同的地基土质和不同的结构物，地基处理应选用不同的处理方法。主要有以下几种：

3.1 换土垫层法

换土垫层法原理：当软弱土地基承载力和变形满足不了建筑物的要求，而软弱土层的厚度又不是很大时，将基础底面以下处理范围内的软弱土层部分或全部挖去，然后分层换填强度较大的砂、碎石或灰土等性能较稳定、无侵蚀的材料，并夯击、碾压至密实。

工程中常用的垫层有：砂垫层、砂卵石垫层、碎石垫层、灰土或素土垫层、煤渣垫层及其他性能稳定、无侵蚀性的材料做成的垫层。

3.2 素土挤密桩法

素土挤密桩是利用沉管、冲击等方法将钢管打入土中侧向挤密成孔，然后在孔中分层填入土夯实而成的桩，它与周边土共同组成复合地基，承受上部荷载。

素土挤密桩的主要特点有：第一，素土挤密桩成桩时为横向挤密，同样达到所要求的干密度指标，可消除地基土的湿陷性，提高承载力，降低压缩性。第二，与换土垫层相比，不需大量开挖回填土方工程量；处理深度较大，可达12～15 m；成桩材料可就地取材，降低工程造价。

3.3 强夯法

强夯法是用起重机械将80～400 kN的夯锤起吊到6～30 m高度后，将夯锤自由落下，产生强大的冲击能量，对地基进行强力夯实，从而提高地基承载力，降低压缩性。

强夯法的主要特点有：施工工艺和施工设备简单，适用土质范围广，加固效果显著，可获得较高的承载力。具有工效高、施工速度快、节省加固原材料、施工费用低、耗用劳动力少等优点。

强夯法施工技术参数包括单位夯击能、夯击点的布置及间距、单点夯击击数与夯击遍数、夯击间隔时间、处理范围、加固影响深度。

3.4 振冲碎石桩法

振冲碎石桩法是在地基中借振冲器成孔，振密填料置换，形成以碎石、砂砾等散粒材料组成的桩体，与原地基土一起构成复合地基，使其排水性能得到很大改善，加速土层固结，使承载力提高，沉降量减少。

主要特点有：技术可靠，机具设备简单，操作技术易于掌握，施工简便；可节省三材，因地制宜，就地取材，可利用碎石、卵石、砂、矿渣等作填料；加固速度快，节约投资，碎石桩具有良好的透水性，加速地基固结，地基承载力可提高1.3～1.35倍。

3.5 深层搅拌桩法

深层搅拌桩法分为高压喷射注浆法与水泥土搅拌法。

高压喷射注浆法又称施喷法，是利用钻机把带有特殊喷嘴的注浆管钻进至土层的预定位置后，用高压脉冲泵，将水泥浆液通过钻杆下端的喷射装置，以高速高压射流喷入土体，冲击切削土层，使喷射流射程内的土体遭到破坏。同时，钻杆边转动边提升，使土体与水泥浆充分搅拌混合，凝聚固结后即在地基中形成一定强度的水泥土混合体，从而使地基得到加固。

水泥土搅拌法利用水泥（石灰）等材料作为固化剂，通过深层搅拌机在地基深部就地将软土和固化剂（浆体或粉体）强制拌和，利用固化剂和软土发生一系列物理化学反应，使其凝结成具有整体性、水稳性好和较高强度的水泥土（灰土），与天然地基形成复合地基。水泥土搅拌法的特点是：在地基加固过程中无振动、无噪音、无污染；对被加固土体侧向挤压，对邻近建筑物影响很小；有效提高地基强度；施工工期短，造价低廉。