山东省黄土工程特性与处理方式

薛明华，陈圣仟

（济南市勘察测绘研究院，山东济南250013）

·岩土工程·

山东省黄土工程特性与处理方式

薛明华*，陈圣仟

（济南市勘察测绘研究院，山东济南250013）

黄土具有特殊的物质组成与结构特征，不同区域黄土的工程性质有较大差异。简要阐述了山东省全新世黄土的分布特征及其物理力学性质，并对本地区常用地基处理方法做了分析总结。

黄土；湿陷性；工程特性；地基处理

1　概述

随着山东省经济建设的发展，在工业与民用建筑、水利、公路与铁路建设中遇到许多由于黄土特殊性质而引起的工程问题，在黄土区由于黄土湿陷性而引发的工程事故也屡见不鲜。因此对黄土的工程特性和地基处理方式进行研究具有现实意义。

2　山东省黄土的分布概况

按照自然地理区位的不同，山东省黄土可划分为2部分：渤海湾沿海与岛屿区、鲁中山前区。前者主要包括庙岛群岛黄土、莱州湾沿岸黄土；后者集中分布在鲁中山地的北麓斜坡、山间平原及山前冲洪积扇、冲洪积平原中上部、山间冲沟两侧；另外，胶东山地和鲁中山地南部有零星黄土分布［1］。在地域上主要分布在济南、淄博、泰安、莱芜、潍坊、烟台等地，堆积分布高程从海拔数米到200余米。

山东省内分布的马兰黄土、离石黄土，呈硬—坚硬状态，具针状小孔，孔隙比较小，具低压缩性，该类黄土多处在全新统地层以下，基本无湿陷性或湿陷性较弱，在工程实践中一般按照粉质粘土对待，很少处理，本文不再讨论。本区的全新世黄土，大多都以冲洪积或坡洪积形式存在，黄土地基的一般厚度为2～10m，深度为3～12m。冲洪积黄土多具有层理，有的层理比较明显，含碎石等夹层或透镜体，部分地段的碎石具有较好的磨圆度，一般分布在山前平原、河谷阶地；坡洪积型黄土主要分布在山地的斜坡与前缘部分，这种成因类型是斜坡地带地貌单元的产物。其特点是：粉粒含量较高；土层具有垂直节理；具大孔隙；富含白色钙质条纹；多呈褐黄色、黄褐色；直立性较强，局部露头形成竖直的峭壁；局部含钙质结核；部分地段含碎石、细中砂透镜体或夹层。

3　黄土的物理性质

土体物理性质是表征土的物理状态的一系列指标，基本的指标有颗粒组成、含水量、孔隙比、密度、比重和稠度指标等。

黄土的颗粒组成对查明黄土物质成分的来源、搬运介质、沉积环境等具有重要意义，黄土物理力学性质及水文地质特性与其粒度组成有密切关联。分析其粒度特征对研究黄土工程地质性质有着重要意义［2］。山东地区黄土中粒径大于0.05mm的砂粒含量为5～26，0.05～0.005mm粉粒含量为42～71，小于0.005mm的粘粒含量为22～36，对比西北地区的典型黄土，其粘粒含量要高一些，砂粒含量较低，而且土骨架中的粘粒分布较均匀，起到一定程度的胶结作用，对减弱黄土湿陷性起到积极的作用。

黄土的土粒比重Gs一般介于2.51～2.84，其值的大小受土的颗粒组成影响，当粉粒与砂粒含量较多，Gs一般小于2.69；如粘粒含量多，则Gs一般大于2.72［3-4］。据统计，山东省黄土比重的变化范围一般在2.66～2.73之间，密度、干密度一般为1.54～1.95g/cm3、1.33～1.63g/cm3。

含水量是土体的基本物理性质指标，对于黄土而言，其工程性质与含水量密切相关。山东黄土的天然含水量在11.5%～23.9%之间变化，土体含水量主要受气候条件的制约，与地下水位的埋藏条件有关。通常情况下，黄土的天然含水量都较低。山东地处北温带湿润大区鲁淮区，为温暖半湿润季风性气候，降雨主要集中在气温较高的6～9月份，年降水量比甘肃、山西等地大，本区黄土含水量相比之下要高一些。黄土湿陷性与其天然含水量关联性较大，当黄土具有较高的含水量时，其湿陷性减弱。

土体孔隙比能直接反映天然土层的密实程度和压缩性大小。据统计，山东黄土的孔隙比多在0.670～1.003之间变化，比我国西北地区典型黄土的孔隙比略小。

山东地区黄土的液塑限值多数在24.3%～33.1%和11.5%～20.3%之间，塑性指数多集中在8.0～14.6左右。

4　黄土的力学性质

黄土的力学性质主要包括压缩性、强度特性和湿陷性等，通常采用压缩系数与压缩模量、粘聚力与内摩擦角、湿陷系数与湿陷起始压力等指标表示。

通过对本区黄土力学指标的统计分析，不同时期、不同堆积环境的黄土在力学性质方面表现明显的差异，即使在同一场地，仍具有较大的变异性，反映了土力学指标的复杂性和不确定性，也反映了黄土的不均匀性。

4.1黄土的压缩性

压缩性是土体的一项重要工程性质，直接影响地基在外荷作用下的变形值。山东黄土的压缩系数通常在0.07～1.24MPa-1，变化范围较大，压缩模量上一般在1.54～28.7MPa之间变化，平均值为8.6MPa，离散性很大，但随深度增加压缩性降低，模量呈上升趋势。

4.2黄土的抗剪强度

土的抗剪强度是一项重要的力学指标，表示土体抵抗剪切破坏的极限能力。据统计，山东黄土粘聚力c值范围一般为10.0～56.0kPa，内摩擦角φ一般为6.1°～32.6°。

含水量是影响土力学性状的一个重要因素，已有研究成果认为含水量的增加使土的强度降低。含水量很小时，土体粘聚力较强，随着含水量的增加，粘聚力逐渐减弱，直至几乎接近零。由于黄土的假粉性和粒间的咬合作用较强，使土的摩擦角较大，并随含水量的增加而逐渐减小，含水量超过一定值，内摩擦角的变化已不大。

4.3黄土的湿陷性

黄土的湿陷机理十分复杂，目前尚未达成统一的认识。湿陷性的影响因素众多，黄土的低含水量、大孔结构，利于水分的吸收，形成结合水膜或结合水膜增厚之后，土粒间的凝聚力降低，这是发生湿陷的基本原因。而黄土的湿陷类型则与黄土的可溶盐含量有关。

4.3.1竖向变化特征

大量的研究表明，黄土湿陷性在垂向随深度增加呈减小趋势。山东地区的黄土湿陷性也基本遵循这样的规律，但并非线性减少，而是有一定的波动，而且各地区的情况并非相同，但总体来说，一般表层土的湿陷性系数波动较大，向下趋于稳定（见图1）。

图1　黄土湿陷性系数随深度的变化

4.3.2区域变化特征

黄土的湿陷性在区域上变化较大，不同场地条件黄土地基湿陷性强弱差异明显，尤其是不同地貌单元不同成因的黄土的湿陷性差异明显。大量试验资料证明，山麓斜坡地带的黄土湿陷性高于山前平原黄土的湿陷性，冲洪积扇上中后部的黄土湿陷性高于前缘黄土的湿陷性。

黄土湿陷性在地域上也有一定差异，济南地区局部分布的新近堆积黄土（），其湿陷性系数的变化范围值为δs=0.015～0.082，全新世早期黄土湿陷性变化系数范围值为δs=0.015～0.070，淄博地区分布的全新世早期黄土（）湿陷性变化系数范围值为δs= 0.015～0.048。本区域内湿陷性黄土的分布及湿陷程度表现得极不均匀，同一场地相距数十米的探坑，试验得到的湿陷性系数可能差别很大，计算出的总湿量也有较大差别。

5　山东黄土的地基承载力

图2　济南某工程浅层平板载荷试验（2.5m深度）

6　湿陷性黄土地基的处理方法

黄土地基浸水过程中湿陷变形发展迅速，对工程建设具有较大的危害性。20世纪七、八十年代，因对黄土湿陷性认识不足，在济南黄土地区兴建的部分建筑物，投入使用后不久就出现了裂缝，直接影响建筑物的安全，因此在湿陷性黄土地区建设应重视对黄土地基进行处理。

对黄土进行地基处理可以改善其物理力学性质，减少或消除其湿陷变形量。本区黄土地基处理方式以垫层法、强夯法最为常见，冲积碾压法在道路路基处理中也得到推广使用，化学加固法等其它方法在个别工程中得到应用。

（1）垫层法。垫层分为整体垫层和局部垫层，设置整片的灰土垫层，可提高地基的均匀性。为提高灰土的抗渗性，在有上、下水道的地方应设置厚一些。

垫层的尺寸（厚、宽）、夯实后的压实系数和承载力设计值是垫层设计的主要内容。垫层设计的原则是达到地基稳定和沉降变形的要求，同时兼顾经济性。山东省黄土地基湿陷等级多为Ⅰ级，换填一般采用2∶8或3∶7灰土，换填厚度一般为1～3m。石灰的掺加提高了土体的强度，改善了土体的水稳定性，石灰的掺入量对灰土的强度有较大影响，但过多的石灰掺量使成本增加且对强度的改善无益。施工质量合格的灰土垫层承载力特征值可达200～250kPa，压缩模量Es=20～40MPa。

换填处理应注意的问题：

①应严格控制灰土的含水量，含水量应接近最优含水量，含水量偏大时土体强度会下降；

②应拌制均匀，拌好后及时施工；

③垫层处理的范围要达到规范要求，使碾压设备能充分碾压到位；

④压实度需达到设计要求，并应逐层检测压实度。

（2）强夯法。锤底面积对强夯加固效果有直接影响，对于黄土，一般建议锤底面积采用4.5～5.5m2。同时应控制夯锤的高宽比，以防止产生偏锤现象，黄土高宽比可采用（1∶2.5）～（1∶2.8）。

黄土的天然孔隙比较大，而天然含水量较低，强夯过程中一般不会出现高孔隙水压力，这有利于强夯法的施工。一定夯击能作用下的单点夯沉量与含水量的大小密切相关，或者说合适的含水量能够提高夯击效率。当黄土的天然含水量低于塑限含水量的1%～3%时，强夯处理能取得较好的处理效果。强夯加固地基宜采取逐点连续夯击方法施工。

表1表明，夯后地基土的重度和标贯击数明显增加，孔隙比明显减小，湿陷性得以消除或减弱。

强夯加固后，检测的重点是判断其有效加固深度和地基承载力是否达到设计要求。判断有效加固深度的重要标准是看加固后湿陷性是否消除，即湿陷性系数δs是否小于0.015。检测主要采用人工挖掘探井采取不扰动土试样，室内进行黄土湿陷性试验进行评价。而对承载力的检测，基本上是依靠静载荷试验来进行定量评价，其它原位测试手段如标准贯入试验、静力触探和旁压试验仅作定性评价或依据经验关系对承载力特征值做出估算。

表1　强夯强固效果对比表

已有的工程实例表明，通过强夯处理后的黄土地基承载力特征值可达250～290kPa。根据强夯加固湿陷性黄土的资料统计，济南黄土地基的加固深度以Menard公式来计算，修正系数可取0.3～0.4［5］。

（3）其它方法。冲积碾压加固湿陷性黄土地基是地基处理与路基加固的一种创新技术。相比于振动压实机械，冲击碾压冲击的土体更接近于强性状态，从而获得更好的压实效果。施工中要控制土体的含水量，并保证冲击压路机的行走速度，以确保冲击碾压效果。

碱液加固法曾在山东省肿瘤医院病房楼加固中得到应用，并取得了不错的加固效果。通过加固前后的试验对比，加固后注浆孔中心一定范围内土体湿陷性明显减小；加固后土体的含水量、饱和度得到提高；加固后黄土的界限含水量增加，塑限比液限的增幅要明显一些，塑性指数降低，液性指数变大［6］。

在西北地区，预浸水法一般用于处理大厚度自重湿陷性黄土。在山东黄土分布区预浸水法处理湿陷性黄土尚无成熟的工程经验，在输水渠道工程中曾进行过预浸水试验。南水北调山东段济平干渠沿线分布着非自重湿陷性黄土，黄土地基的计算湿陷量534～567mm，黄土地基的湿陷等级为Ⅱ级（中等）。考虑到预浸水法施工简单、造价低，济平干渠黄土状土渠段在结合渗漏试验的同时，现场进行了预浸水试验。浸水后比浸水前湿陷性系数降低不明显，难以从根本上消除黄土的湿陷性。分析其中的原因主要为：预浸水法处理非自重湿陷性黄土效果不明显；浸水压力小于黄土的湿陷起始压力；预浸水时间过短，反复浸水湿陷性才可大幅度减小；已有工程实践证明，预浸水法不能完全消除浅部地基（2～4m内）的湿陷性［7］。后鉴于试验段检测结果，建议采用多次预浸水方法或者对浅部土层采用夯实处理的方法消除其湿陷性。

7　结束语

在山东分布的全新世黄土，场地的地基湿陷性等级一般情况下为Ⅰ级（轻微），局部为Ⅱ级（中等），属非自重湿陷性黄土场地。由于湿陷变形是种下沉速度快的失稳性变形，上部结构很难适应和抵抗这种速度快且不均匀的变形，对建筑物的破坏性大，危害严重，一般情况下，需经地基处理后，才可作为地基持力层。湿陷性黄土的地基处理方式，应在查清湿陷性黄土特性的基础上，根据建筑物的类别，并考虑周边环境、工期要求和材料设备等因素，经技术经济比较后综合确定。

［1］张祖陆，辛良杰，聂晓红.山东地区黄土研究综述［J］.地理科学，2004，24（6）：746-752.

［2］王永焱.中国黄土的结构特征及物理力学性质［M］.北京：科学出版社，1990.

［3］钱鸿缙.湿陷性黄土地基［M］.北京：中国建筑工业出版社，1985.

［4］杨立建.辽西地区黄土工程特性的试验研究［D］.吉林大学，2007.

［5］苏玉玺.强夯加固湿陷性黄土地基及加固效果评价［C］//工程勘察综合技术论文集，2004.

［6］孙剑平，徐向东，鲍延安，等.碱液加固湿陷性黄土地基的工程实践［J］.施工技术，2000，29（9）：32-33.

［7］欧钊元，邓继昌，蔡家宏，等.南水北调东线山东段黄土状土输水渠道工程地质问题研究［J］.南水北调与水利科技，2008，6（1）：92-94.

TU444

A

1004-5716（2016）06-0001-04

2015-05-31

2015-06-02

薛明华（1984-），男（汉族），山东荷泽人，工程师，现从事岩土工程勘察设计工作。