张家口市产业集聚区工程地质问题研究及对策

梁　磊

(河北省地矿局第三地质大队，河北 张家口 075000)



张家口市产业集聚区工程地质问题研究及对策

梁磊

(河北省地矿局第三地质大队，河北 张家口 075000)

张家口市产业集聚区位于河北省张家口市西南部丘陵区，场地岩土工程地质环境条件较复杂，针对该区近几年来内出现的工程地质问题，收集大量的岩土工程地质勘察及相关成功的地基处理成果资料，对区内的基底岩性和地形地貌特征、岩土工程地质特征、地下水的渗透运移特征等地质现象及作用进行分析论证，摸索出一套适应本地区工程地质环境的岩土工程处理方法。

工程地质问题；地基处理方法

张家口市产业集聚区位于张家口市西南，距市区约10 km，是一个集矿山、能源、航空、环保、工程机械和装备制造的产业园区，园区原始地形地貌为低中山丘陵区，目前建设用地面积已达30 km2，园区场地地基土中经过对沟谷和沟壑填筑整平改造的填土场地约占70%，园区内投资企业为了满足各类建筑物的安全使用，前期主要对填土地基采用了分层压实、强夯、换填处理，部分采用素混凝土桩、灰土桩、水泥土桩等复合地基处理方法，但区内一些建筑场地地基土依然产生了不均匀沉降，地面和建筑物墙体出现了开裂等不良工程地质现象，尤其雨季甚为严重。笔者针对出现的问题对区内及周围工程地质环境进行了调查分析，收集大量的勘察成果和地基处理竣工资料，结合后期针对不良工程地质问题所采取的可行安全的多元化地基处理方法的治理效果，提供了点滴参考经验。

1　不良工程地质现象特征

1.1建筑物墙体开裂

建筑物墙体产生的张裂缝特征：主要受填土基底地形地貌形态变化的控制，建筑物墙体走向与填土基底原始地形倾向展布一致的，裂缝沿填土基底坡向斜列式张开，裂缝面延伸方向与基地原始坡面近于垂直相交；建筑物墙体走向垂直或斜交原始地形倾向展布的建筑物，墙体裂缝呈不规则正“八”字或倒“八”字分布，裂缝长度和张开程度受基底原始斜坡坡面起伏程度大小的影响。

1.2地面沉陷或开裂

经强夯、分层碾压加固处理或采用素混凝土桩复合地基的场地，降雨后地面出现波状起伏并伴有错落状张开裂缝，裂缝有单独和群组出现两种。单独裂缝多沿填土基底原始沟谷延伸分布，延伸较远，缝两侧高差明显，裂缝一般宽度10～50 cm；群组出现的裂缝多出现在填土基底原始斜坡地带，一般呈串珠状断续分布或多条雁行排列组合分布，延伸方向多与填土基底原始斜坡坡向垂直相交或斜交，延伸长度较短，裂缝一般宽度3～10 cm。

1.3挡土墙水泥或砌砖体根基部位表面白色粉末结晶和层状脱落

挡土墙水泥面和砖面有白色粉末状镁盐结晶，呈波形带状浸染附着于护坡墙体近墙体基础的表面，水泥和砌砖体呈层状脱落形成凹槽,墙体塌陷失去挡土功能和承重作用。

2　产生不良工程地质现象原因分析

通过对园区内近期五年的经地基处理后的数十幢建筑物及建筑场地出现的工程地质问题的调查分析，问题产生的主要原因为：一是与填土下伏基岩接触面的高差变化大小和地形坡度有关；二是在雨季或融雪季节地下水位随地形高差变化产生的水力坡度值的大小及形成地下水渗流强度的变化；三是因填土堆积固结时间短、级配差、土质不均匀、孔隙比大，细粒土随地下水一起产生流动；四是因填土和基底基岩中蒙脱石矿物组分的水解膨胀作用；五是填土体孔隙内和填土与基岩接触面上的地下水离子化学交换作用及pH值。

2.1地形地貌和基底岩性

区内填土基底地层由中生界白垩系泥质胶结的砾岩和砂岩及粘土岩相互沉积构成，岩石在干旱气候环境条件下沉积形成，地表岩石长期受温差、风蚀和雨蚀的作用，风化裂隙不发育，形成舒缓浑圆状剥蚀残丘，大气降水的渗入条件差，渗入系数小于0.1，透水性和含水性极差，砾岩胶结物和粘土岩中的蒙脱石含量高，胶结程度差，干抗压强度小于30 Mpa，具压缩性、膨胀性及软弱性，软化系数小于0.6，基岩裸露断面上粘土岩与砾岩及砂岩层相比较沿沉积岩层理形成“凹槽”。其岩石构成如下：

砾岩：厚层状，胶结物为紫红色砂质粘土，粘土矿物以蒙脱石为主，砾石成分为安山岩、凝灰岩及变质岩，磨圆度好，粒径2～20 cm。

粉砂岩：灰色，泥质胶结。

粘土岩：紫红色，似层状，蒙脱石粘土矿物含量较高，含铁、铝氧化物和氢氧化物较多，遇水膨胀软化，扰动后呈润滑-粘糊状，风干失水后呈碎片状风化脱落。

2.2填土成分和填土堆积方式

区内沟谷、山坡坡脚低洼处填土均为人工素填土，土的来源为附近丘陵的白垩系砾岩、砂岩、粘土岩及第四系黄土状粉质粘土，由挖掘机直接挖取经大型运输车搬运至堆积场地，绝大部分为一次性堆填，个别场地进行了分层碾压，填筑厚度5～25 m不等，填土体岩性以卵砾、蒙脱石粘土岩及粉质粘土为主，未经人工级配混合，未经粉碎的砾岩、粘土岩团块及粉质粘土沿水平方向各自成堆成带分布、接触界面近直立呈不规则曲面，填土岩性构成水平向变化大，建筑施工前堆积时间小于3年，颗粒级配差，土的不均匀系数，d60/d10〉10，孔隙大小不均且连通性好，压缩性变化大，湿陷性强烈且湿陷程度不均匀，为雨季降水的垂直渗入形成地下水、产生渗透和水化学作用提供了条件。

2.3地下水渗透

雨季大气降水垂直渗入填土中，由于基底白垩系地层渗透性极差，坡前地带坡度较大、沟谷发育，基底渗漏损失小，雨季地下水流汇集快、向下游低洼处排泄快，地下水位在填土体内迅速抬升，水力坡度变大，水平渗透力增加，土体孔隙水的渗透压力增高，填土层和下部老土层或基岩的渗透系数K1/K2比值达5～6，远大于渗透破坏临界值2，上下新老土层的渗透性差异大，土层的接触面上产生强烈渗流作用，对地基土产生潜蚀。本区填土产生潜蚀的临界水力坡度一般在0.4～0.5(Ic=(ds-1)(1-n)+0.5n)。砾岩碎裂形成的空隙容水空间大、空隙连通性好，填筑的粗粒土和细粒土接触面坡度大不规则，这样就在填土体中造成水的不均匀渗透，部分地段水力坡度远大于产生渗透变形的临界水力坡度。造成雨季填土地基地下水渗流速度和强度增大且分布极不均匀，将空隙中胶结程度差的细粒土冲涮-搬运-带走，使地下水粘粒含量增高变浑浊，增加了填土的孔隙率和孔隙直径及连通性。

填土基底未经整治，在挖山整平时原地貌未经改造成阶梯状形态，在原地貌形态变化大、岩性变化大、风化层及含腐殖质松散土壤层未经清理就进行回填，这样填筑的岩土体与下伏基底地层之间的软弱面极易产生地下水渗流侵蚀。

2.4岩石和填土体的软化水解

由于填土来源于附近基岩体，土质受剥离母岩岩性的控制，填土中红粘土和砾石未经混合，不同岩性的土体堆积体各自相对独立集中。含蒙脱石的紫红色粘土岩持水性强、渗透性差，遇水膨胀软化，具触变性，吸水后产生软化现象，表面结成糊状，失水后收缩-崩解失去强度。

2.5地下水化学作用

由于填土来源于附近的白垩系碎屑岩类，干旱条件下形成的紫红色粘土体及胶结物中的铁、铝氢氧化物含量高，大气降水渗入地下后，形成的孔隙水与土体的离子交换律高达30%。在这种地球化学环境条件下，填土体的孔隙度大、连通性好，为地下水的运移、储存、水化学交换作用提供了空间。地下水在对填土的溶解作用中形成一个偏碱性环境，pH值约在8.5～9之间，粘土中的钙(Ca++)离子与地下水中的钠(Na+)鎂(Mg++)离子产生阳离子交换作用，土粒表面弱吸附水薄膜厚度增大，碱性状态下粘土易被离散破坏，土粒间的相互吸附胶结力降低，粘粒悬浮性增强浮于水中被渗流带走，增加了填土空隙中土粒的迁移量。当地下水渗出地表聚集的低洼处时，由于蒸发作用的结果使水中盐分结晶对建筑材料产生侵蚀危害作用，降低了建筑物的使用寿命。

3　应对措施

为了保证建筑场地地基的稳定性，在进行勘察工作时主要着重探明填土场地基底原始地形地貌形态特征、填土方法、填土岩性构成及地下水等，查明填土的湿陷性、不均匀性、渗流变形性、潜蚀变形性。然后根据不同的工程地质条件选用不同的地基和基础方案，以保证地面建筑物的长期安全使用。

3.1岩土工程勘察要点

3.1.1勘探孔布置

宜采用人工探井和冲击钻探进行勘查，忌用泥浆钻进，勘探点间距宜控制在15～20 m，控制性探孔深度应揭穿基底基岩强风化带或第四系黄土状土进入红粘土层，一般鉴别孔应穿透填土层。

3.1.2岩性鉴别及室内土工试验数理统计成果的应用

岩性描述中岩土体的颜色、湿度、塑性状态、颗粒粒径及充填物要描写清楚，通过室内试验物理指标在勘探场区圈定高含水量和湿陷分级分布区。

3.1.3探明填土区基底形态

探明填土基底的埋藏深度，绘制基底标高等值线图，探明原始地形地貌，查明基底表面老土、填土岩性。

3.1.4地下水

探明地下水水位、水质、透明度，绘制地下水流场图，查明流向、水力坡度，水位随降雨升降的变化速度和幅度，采取地下水水样和土样进行化学分析。

3.2适应本地区的地基处理方法

针对研究区填土构成复杂、基地起伏变化大、季节性地下水渗透作用强等不良地质作用现象明显，选择单一的地基处理方法是难以解决可能出现工程地质问题，所以必须依据查明的工程地质条件，分析可能出现的地质问题，采用科学合理的地基处理方案，才能有效地处理好各类工程地质问题，避免不良工程地质现象的出现，保证建筑物的安全。在地基处理方案选择中，需要采用多种地基处理方法构成的多元复合地基，每一种地基处理方法在复合地基中起着专项作用。

3.2.1桩基或素混凝土桩

主要承担着竖向传递上部荷载的作用，桩基础使桩端和桩侧岩土层通过桩身承受地面荷载；素混凝土桩复合地基主要是通过桩身使桩端和桩侧岩土层通过桩身承受大部分地面荷载，桩间土也承受小部分地面荷载，桩直径宜控制在400～600 mm。

3.2.2素土、灰土、水泥土挤密桩

主要是对地基土层进行挤密加固，消除土的湿陷性，降低土的孔隙比，提高土的密实度，形成桩土共同承载上部荷载的复合地基。

3.2.3换填分层压实

主要是对地基浅部填土层进行加固，消除地基土的湿陷性，提高土的密实度和承载力。

3.2.4水泥浆高压注浆加固

针对填土的大孔隙比、不均匀性、基底地形变化大、雨季地下水变化大并伴随着强烈的渗透作用和水化学作用等，对换填压实土层和基础底以下填土层或桩间土层进行高压渗透注浆，强制将水泥浆注入土体孔隙中，同一建筑场地的注浆顶界要保持统一的标高，底界至填土基底老土层或基岩面。其作用一是将孔隙中的部分气体排出降低填土层的孔隙比；二是通过水泥水解和水化反应所生成的水泥水化物与土颗粒发生离子交换、团粒化作用、碳酸化反应及硬化凝固等一系列物理-化学作用，形成有一定强度和水稳性好的加固土体；三是降低了填土中地下水的水力坡度，使填土的渗透性和地下水的渗透力及地下水渗透过程中与土颗粒之间的离子交换量降低或消除；四是消除了填土体在地下水的作用下沿基底斜坡面产生滑移可能；五是提高了桩间土与桩体及基底土层紧密结合，充分发挥出复合地基整体承担建筑物荷载的作用。这样针对不同的建筑物用途、基础，选用不同的复合地基类型，便可以解决遇到的不同工程地质问题。

4　基础和复合地基方案

4.1桩基础

适用多层和高层建筑，直接将地面建筑物竖向荷载传递到填土基底岩层或老土层，抗水平力强，避免了基底地形起伏变化大、地下水渗透作用强、地基土不均匀的不良影响，在基岩埋藏较浅的地带采用人工挖孔灌注桩，基岩埋藏较深的地带采用旋挖成孔灌注桩，桩径宜控制在600～1 200 mm，桩端入岩深度不小于0.5倍桩径。

4.2复合地基

4.2.1换填与注浆加固相结合

适应处理厂房车间、仓库场地填土地基，其填土基底较为平缓，先对上部填土进行换填分层压实，然后对换填土层下的填土进行注浆加固。

4.2.2素混凝土桩与素土(水泥土)桩相间布置

适应多层建筑，在老土层埋藏较浅且原始地形地貌平缓的填土地带，素混凝土桩径宜控制在400～600 mm，桩端入老土层深度已根据上部荷载确定；素土桩桩径400～500 mm为宜，桩深不小于填土深度，作用是对浅部填土地基进行挤密。

4.2.3素混凝土桩与素土(水泥土)桩相间布置结合注浆加固

适应原始地形为山麓斜坡地带和基底起伏较大的填土场地，为防止地下水沿填土底界面运移产生强烈的渗透作用和土体发生蚀变变形，因此在采用素混凝土桩与素土桩消除填土湿陷性及提高地基承载力的基础上，素混凝土桩应崁入老地层一定深度，当基底坡度较大时，为了防止雨季地下水渗透产生的水平力对素混凝土桩的影响作用，须在挤密加固层层底以下填土进行高压注浆，增加下部桩间土层对素混凝土桩体的束缚力，有效发挥复合地基的整体性作用。

4.2.4素混凝土桩结合注浆加固

适应大面积的独立基础或柱下带基础工业厂房、仓储车间，在对整个填土场地进行强夯或分层碾压后，在基础下设计施工素混凝土桩复合地基，然后再对基础以下填土层进行注浆加固，其目的是防治雨季地下水位抬高产生的渗透破坏作用，提高整个场地的地基稳定性，防止不均匀沉降、地面塌陷和开裂。

4.3挡土墙防水蚀措施

墙体内设置排水孔，墙体内侧墙面涂抹或铺设防水材料，内置反滤层保证墙体内土体在雨季排水畅通、无积水。

5　结语

研究区原始地貌起伏较大且岩性构成复杂，所产生的诸多工程地质问题，究其原因主要是:原岩中蒙脱石矿物含量高渗透性极差且膨胀收缩性较强、填土区填土均取自于原始基岩、填筑时也未经过粉碎混合分层碾压、基底坡度大的地带也未进行削坡整平、填土与基底的渗透能力差别悬殊、雨季填土中的地下水在地形的作用下在短时间内形成的水力坡度大是造成研究区几年来出现的工程地质问题的主要原因。

我们在探明该区工程地质、水文地质条件的基础上，认真分析地质资料，制定了科学合理、切实可行的地基整治方案，通过施工和施工后的动态观测，摸索出了适应该地区的地基处理方法。

[1]河北省地质局第三地质大队.河北省张家口洋河盆地水文地质详查报告.1990.

[2]牛志荣，等.复合地基及其工程实例[M].北京：中国建材出版社.2000.10.

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[5]刘德贵.四川绵阳市地区工程地质研究.山西建筑.2007(10).

2016-04-28

梁磊(1986-)，男，河北唐山人，技术员，主要从事工程地质勘察工作。

P642.4

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1004-1184(2016)05-0187-03