考虑施工过程影响的黄土湿陷性变化特性

王振刚

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

考虑施工过程影响的黄土湿陷性变化特性

王振刚

（中煤科工集团西安研究院有限公司，陕西西安710077）

摘要:关于黄土湿陷机理及其对工程的影响，已做了较多的深入研究。但是 ，考虑施工工艺及施工过程对黄土湿陷性影响方面的研究却很少。结合工程实例，针对桩基础施工中常见的旋挖成孔灌注桩施工工艺及施工过程的特点，讨论了其如何对湿陷性土层进行反复浸湿的原因与过程以及加速湿陷沉降的施工外荷载特征。在施工前后两种工况下，通过对土层含水率、湿陷系数、湿陷量的测试与计算，得出施工后湿陷性土层的含水率增大，但其湿陷系数与湿陷量却明显降低 ，表明该施工工艺及施工过程使得土层湿陷性作用较施工前明显减小。

关键词:湿陷性黄土；施工过程；反复浸湿；湿陷系数；湿陷量

湿陷性黄土层广泛分布于我国西北地区，湿陷性是黄土的一项重要的工程特性。许多学者对黄土发生湿陷的影响因素［1-5］及湿陷机理［6-12］做了较多研究 ，黄土的湿陷过程是一个复杂的物理力学变化过程，但是水都是导致黄土发生湿陷的根本因素。为确保湿陷性黄土地区建筑物（构筑物）的安全与正常使用，根据湿陷性黄土特点及工程要求 ，经常需要采取有效的地基处理措施以防止地基湿陷对建筑物（构筑物）产生危害。依据《湿陷性黄土地区建筑规范》［11］（GB50025-2004），消除地基土湿陷灾害，常用的地基处理方式有垫层法、强夯法、挤密法及预浸水法。目前，建设场地中遇湿陷性黄土层较厚（10 m以上）、湿陷等级高、湿陷量大时，常采用挤密桩法来消除土层湿陷性；对于湿陷性土层厚度小（小于8 m）、湿陷等级低、湿陷量小的建设场地，还可以增加基础桩长度以达到消除土层湿陷影响的目的［13］。

然而随着工程建设中高大建筑物的快速发展，要求桩基础承担的荷载越来越大 ，桩基础设计中桩体数量逐渐增多及桩间距逐渐减小。桩基础设计中是否应考虑施工工艺及施工过程对场地原有湿陷性产生的影响，以及场地湿陷性发生如何变化等方面，尚未进行过深入的研究。本文结合一项工程实例，针对建筑物桩基施工中常用的旋挖成孔灌注桩施工工艺，考虑其施工工艺及其施工过程特点 ，探讨其对场地湿陷性变化产生的影响，为湿陷性黄土地区地基处理等相关方面的设计提供一些参考。

1　黄土湿陷性及负摩阻力特征

在上覆土的自重压力或一定的外力作用下，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉量，即为黄土湿陷性，附加下沉量即为湿陷性黄土层的湿陷量。孙建中等人通过室内试验，得出了湿陷性黄土在不同水量情况下具有多次湿陷特征，并且受水的反复浸湿作用，土体的湿陷量已损失80%以上［14］。

一般情况下，在桩顶施加垂直荷载后 ，桩体会有沉降，当桩侧土体湿陷量小于桩体沉降量时 ，桩侧土体对桩产生向上阻力，即正摩阻力；当桩侧土层湿陷量逐渐变大并超过桩体沉降量时，桩侧土体对桩产生向下的阻力，即负摩阻力。并且土层的湿陷沉降量总是由表层向深层逐渐减小的［15］。

2　旋挖成孔灌注桩施工工艺特点

旋挖成孔灌注桩主要施工工序如图1所示。

图1　旋挖成孔灌注桩施工工序

为提高土（岩）层对灌注桩桩身的侧摩阻力，选用螺旋钻头（锅）切割土体进行成孔施工。成孔过程将对孔壁土结构产生扰动 ，所以孔壁土易发生坍塌。在成孔时及桩身混凝土浇筑完成前通常采用泥浆护壁措施 ，利用泥浆填充土体孔隙并将孔壁表面一定深度范围内的土体粘聚而形成泥皮，同时孔内泥浆对孔壁产生围压，二者共同作用可以有效防止孔壁坍塌事故的发生。因此，旋挖成孔灌注桩施工工艺中，由始至终孔内均需泥浆护壁；此外，受自然环境及施工过程等方面的影响，大型建筑的旋挖成孔灌注桩施工工期较长。

3　施工过程对土层湿陷性的影响

针对旋挖成孔灌注桩施工工艺特点，其成孔施工、桩身混凝土浇筑等主要施工工序，以及施工过程中采取的如护壁泥浆循环利用、孔内渣土堆放及所使用的施工机械等措施，均能对土层湿陷性变化产生影响。

3.1成孔过程的影响

旋挖钻机成孔时利用钻头切割土体，并将土体通过钻头（锅）提出孔外。

当岩土层遇地下水时，钻机提升钻头（锅）上下出土的过程中，钻头（锅）内的泥浆四溢，在经过湿陷性土层时会冲刷孔壁土体并渗入土层中 ，并且位于潜水位以上1 m～2 m范围内，孔壁很容易发生坍塌，施工中通常是向孔内连续灌入清水或护壁泥浆，促使孔壁表层形成泥皮并提高孔内浆液位置，利用孔壁表层形成的泥皮对土体的粘聚作用及孔内浆液对孔壁产生的水平向围压作用，可有效防止孔壁土坍塌。因此，钻机成孔过程即是对桩孔周边一定范围内的土层进行反复浸水的过程。如地下潜水位以上土层具有湿陷性 ，其桩孔壁一定深度范围的土层受反复浸水的影响，土层湿陷性也发生变化。

3.2桩身混凝土浇筑过程的影响

遇地下水时，桩孔内需安装密封导管，导管由孔口分节安装直至距孔底300 mm～500 mm，后经导管将混凝土灌入桩孔内。由于浇筑的混凝土密度大于孔内泥浆的密度，导管内外产生的压力差迫使孔内泥浆在混凝土连续浇筑过程中由孔底向孔外全部排出。所以，桩身混凝土连续浇筑过程中，孔内泥浆连续排出孔外时，同样对地下潜水位以上湿陷性土层产生了连续浸水和渗透作用。

3.3泥浆循环池的渗透影响

采用泥浆护壁的灌注桩施工工艺时，施工前需在场地内修建泥浆沉淀与循环利用池。由桩孔内排出的泥浆经过沉淀池并进入循环利用池后再次投入桩孔护壁施工中，以达到循环利用的目的。但在施工场地设置的泥浆池，通常采用粘土砖砌筑并用砂浆勾缝处理，一般不做特殊的防渗处理，泥浆向池外周边土体渗透不可避免。因此，护壁泥浆循环使用中，沉淀池与循环池内的泥浆液向池外的土体发生渗透，引起周边湿陷性土层含水率变化，从而会改变土层的湿陷性特征。

3.4渣土临时堆放的渗透影响

通常灌注桩施工中，成孔产生的稠度较大的泥浆与渣土混合后将会临时堆放于施工场地中，利用渣土车集中清运出施工场地。泥浆与渣土混合后堆放在施工场地期间，在重力作用下，泥浆水在渣土内发生渗透并由施工场地的表层向土层深部逐渐入渗。这种入渗过程，将改变场地表层湿陷土层的含水率，同样会对土层湿陷性产生影响。

3.5施工机械荷载的影响

旋挖成孔灌注桩施工中，常常用到钻机、起重车、混凝土运输车等重型机械设备，机械荷载介于20 t～45 t之间。施工过程中，车辆在施工场地中往复行走，可视为对湿陷性土层顶面施加了外部荷载，虽然外部荷载向下传递的深度有限，但是当湿陷性土层浸水后并在外部荷载的作用下，将加速发生湿陷沉降。当湿陷性土层厚度较小时，这种湿陷沉降影响更加明显。

4　试验过程简介

本次试验选用西安某桩基施工场地，场地拟建一栋30层的高层住宅楼并在地面以上两层设置裙房，主楼与裙房基础设计均采用旋挖成孔灌注桩基础。裙房基础承担的荷载较小，因此裙房区内桩间距较大；由于主楼基础部分承担荷载较大 ，因此设计的桩体数量较多、桩间距较小。本次试验地位于主楼基础施工区，主楼基础区平面尺寸为42.0 m× 22.0 m，共布置180根Φ700 mm灌注桩，单根灌注桩与其距离最近的相邻桩间距（中对中）介于1 700 mm ～2 100 mm之间，为消除建设场地内土层湿陷性的影响，桩基础设计时将桩长由36.0 m增加到39.0 m。

4.1场地岩土体特征

依据建设场地岩土工程勘察报告，场地内存在自重湿陷性黄土，该层位于设计桩桩顶标高以下至初见潜水位位置，层厚6.2 m，为Ⅱ级中等湿陷性黄土。潜水位以下为稳定且均匀分布的粘性土层，试验区地质剖面图如图2所示。

图2　试验区地质剖面示意图

室内土工试验所得的湿陷性土层主要物理力学指标如表1所示。

表1　湿陷性土层物理力学指标

4.2试验简介

本次试验是通过灌注桩施工后，在主楼桩基础施工区内均匀布置三个取样位置 ，采用人工探井孔对相邻灌注桩桩间湿陷性土层现场人工取样，经过室内土工试验测试其含水率与湿陷系数等值，并经计算获得土层湿陷量。施工后取样孔的位置位于施工前取样孔附近，土层物理力学指标特征如上表1所示。土样含水率采用烘干法测试，湿陷系数采用单线法压缩试验获得，依据《湿陷性黄土地区建筑规范》［11］（GB50025-2004）中4.4.4式计算土层湿陷量。通过施工前后土层湿陷量值的对比分析，从而说明施工工艺及其过程对土层自重湿陷性的影响特征。

4.3试验结果分析

通过现场人工取土试样，并进行室内试验，计算结果列于表2中，表2中所示数据均为计算指标的平均值。

表2　土层湿陷性变化特征表

（1）由表2中可以看出，旋挖成孔灌注桩施工前后，拟建场地中湿陷性土层的含水率增加了4%；湿陷系数由0.032下降至0.019；但其湿陷量由246.8 mm下降至155.1 mm。虽然土层的湿陷等级尚未改变，但其湿陷系数减小了40.63%，同时湿陷量减小了37.16%。

（2）土层湿陷量骤然下降，说明旋挖成孔的灌注桩施工工艺及施工过程中，成孔施工、桩身混凝土浇筑、泥浆循环池及渣土泥浆液等因素中浆液的持续入渗，对湿陷性土层起到了反复浸湿作用 ，加之施工机械的外荷载作用，将加速土层的湿陷沉降。因此，表2中所示的施工后土层湿陷量骤然减小的原因即是如此。

（3）受施工的影响，土层湿陷系数及湿陷量均骤然减小，因此，湿陷性土层对灌注桩桩侧产生的负摩阻作用力也将减小。因此，灌注桩施工后的建设场地中，土层湿陷性作用的影响较施工前明显减小。

5　结论与建议

由文中试验结果表2可以看出，湿陷性土层经历施工过程影响后，土层含水率提高4%，但其湿陷系数减小了40.63%，同时湿陷量减小了37.16%，湿陷系数与湿陷量明显降低，因此土层湿陷性作用明显减小。

对于桩基础设计数量较多、桩间距离较小的旋挖成孔灌注桩施工中，由于湿陷性土层经过反复浸湿及外荷载作用，施工后土层湿陷性作用明显减小。因此，在湿陷性黄土地区，考虑土层湿陷性对桩侧负摩阻力影响的灌注桩桩基础设计时，应考虑其施工工艺及施工过程可降低土层湿陷性的影响作用，使得设计方案更加经济、合理。

参考文献:

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中图分类号:TU441+.7

文献标识码:A

文章编号:1672—1144（2015）01—0056—04

DOI:10.3969/j.issn.1672-1144.2015.01.012

收稿日期 :2014-10-07修稿日期:2014-11-10

基金项目 :中煤科工集团西安研究院技术创新基金项目（2011XAYCX026）

作者简介 :王振刚（1980—），男 ，陕西府谷人 ，工程师 ，主要从事地质灾害研究与防治方面的工作。E-mail:zhengangedu@163.com

Characteristics of Loess Collapse Changes Impacted by Construction Process

WANG Zhen-gang
（CCTEG Xi’an Research Institure，Xi’an，Shaanxi 710077，China）

Abstract:There is a large amount of research focusing on the reasons of loess collapse and its influence on the construction of engineering projects.However，there has been little research on the influences of the construction techniques and process on loess collapse.Here，the construction techniques and process of cast-in-place piles which were made in rotation holes dug by drilling machine were observed in an actual engineering project.Then，it was discussed how the collapsible loess was affected by reversal saturation，construction load and the construction process.Experiments of moisture content，collapse coefficient and collapse level in loess were conducted before and after the construction.The results showed that the moisture content increased，while the collapse coefficient and collapse level in loess greatly decreased after the construction.This indicates that the loess collapse is greatly reduced by the construction techniques and process after the construction comparing with that of before the construction.

Keywords:collapse loess；construction process；reversal saturation；collapse coefficient；collapse level