谈兰州地区湿陷性黄土的孔隙率对湿陷性的影响

曹程明 胡殿杰 张森安 郭志元

(甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃 兰州 730000)

谈兰州地区湿陷性黄土的孔隙率对湿陷性的影响

曹程明 胡殿杰 张森安 郭志元

(甘肃中建市政工程勘察设计研究院，甘肃 兰州 730000)

依据兰州地区湿陷性黄土场地的实际资料，对比分析了孔隙率在沉管挤密桩处理后与天然状态下的变化情况，并探讨了孔隙率和湿陷系数在沉管挤密桩处理后与天然状态下的规律性，对今后黄土地区采用沉管挤密桩地基处理施工提供参考。

沉管挤密桩，湿陷性黄土，地基处理，孔隙率，湿陷系数

0 引言

随着兰州市黄土梁卯区域的不断建设，外部所传递的荷载与地下水位变化、地表雨水的入渗或城市用水等原因引起的含水量，外部荷载与含水量二者的相互结合，将会造成湿陷性黄土的承载力降低、压缩性能增大，这种压密变形和湿陷变形必将造成更多工程不良的后果，如城市基坑边坡滑塌、高层建筑物的沉降开裂，影响诸多工程的正常使用。这里的湿陷变形与孔隙率的变化密切相关。在具体岩土工程参数评价的基础上，采用非常适宜的地基处理方案，对此类工程的建设及安全使用具有重要意义。本文以兰州地区近年来我单位进行工程为例，就兰州自重湿陷性黄土沉管挤密桩法处理后湿陷性黄土复合地基孔隙率与湿陷系数的关系进行了探讨。

1 试验土样的来源

试验所用天然状态和沉管挤密桩地基处理后的黄土土样分别取自兰州市的彭家坪区域、青白石区域、和平区域以及秦王川区域。由于取样的各方面技术问题，尤其对于沉管挤密桩地基处理后的桩体样和桩间样，将会对原状样的物理力学性质产生一定的影响，因此要从特定规范要求的规定取样。此次采用机械洛阳铲成孔后在探井中人工取样，取土深度为20 m左右，土样为Q3湿陷性黄土，上部针状孔隙发育，下部孔隙不发育，局部夹有粉质粘土及粉砂团状块体。在现场把土样削成20 cm～30 cm的圆柱体，注明土样上下方向，并用铁皮桶和胶带包好，在运输过程中要避免对土样的扰动。所取原状黄土的主要物理指标的平均值如表1，表2所示。

表1 天然状态下黄土的主要物理指标平均值

表2 沉管挤密桩地基处理后黄土的主要物理指标平均值

从表1可以看出，四个地区的湿陷性黄土状粉土的天然含水量的平均值介于10.02%～13.42%，孔隙比指标平均值介于0.917～0.996。物理状态表现为：稍湿、稍密。αν平均值介于0.32 MPa-1～0.54 MPa-1之间，Es平均值介于8.90 MPa～12.34 MPa之间，属中～高压缩性土。均为Ⅲ级～Ⅳ级自重湿陷性场地。

2 沉管挤密桩处理后孔隙率与天然状态下孔隙率的对比

在湿陷性黄土中有两种变形，其一是由于附加荷载变化而产生的压密变形，其二是由于含水量变化而产生的湿陷变形，这两种变形相互影响。而此两种变形与湿陷性黄土的孔隙率密切相关。

兰州市不同地区经沉管挤密桩处理后的孔隙率与天然状态下孔隙率随深度变化的对比曲线如图1～图4所示。

1)对于不同地区的湿陷性黄土，经沉管挤密桩法地基处理后，桩体和桩间的孔隙率较天然状态下的孔隙率皆降低，且桩体的孔隙率较桩间的孔隙率小，说明经素土回填形成的沉管挤密桩桩体的密实度比桩间的密实度大；

2)对于青白石地区和和平地区，经沉管挤密桩法地基处理后，由于天然状态下的黄土层的含水量接近于最优含水量，使得桩体和桩间的孔隙率较天然状态下降低明显；

3)根据GB 50025—2004湿陷性黄土地区建筑规范表6.1.10和JGJ 79—2012建筑地基处理技术规范7.5.1，经沉管挤密桩地基处理的深度宜为3 m～15 m，从图1～图4也可以看出，当深度大于15 m时，沉管挤密桩地基处理的效果并不明显，处理后桩体和桩间的孔隙率较天然状态下孔隙率降低幅度不大，尤其对于彭家坪地区和秦王川地区，说明沉管挤密桩法地基处理的深度具有一定的局限性；

4)从图1～图4可以看出，由于黄土的结构性综合反映着黄土含水量、天然重度和相互粘结的影响，外部荷载的作用使得黄土的结构性发生相应的变化，而这种黄土的结构与自身的孔隙率密切相关，因此经沉管挤密处理后不同深度处的孔隙率也表现出不均匀性。

3 沉管挤密桩处理后孔隙率和湿陷系数与天然状态下孔隙率和湿陷系数的规律性

对于湿陷性黄土的湿陷变形，主要有两大原因，其一是内聚力降低，当外部荷载和含水量同时作用下，内聚力遭到破坏，同时黄土的结构性也遭到破坏，进而导致孔隙率变大；其二是内摩擦角减小，当黄土表面吸附自由水的水膜增厚使得黄土自身发生膨胀，必然导致湿陷性黄土的微观结构在一定程度上遭到破坏，从而发生黄土的湿陷。从这两个原因可以看出，湿陷性黄土产生湿陷的原因是黄土体内部的结构和外部荷载相互影响而发生的。内部的结构主要指黄土体的围观结构和宏观结构共同所表现出来的，外部荷载是指永久荷载、活荷载及偶然荷载。

湿陷性黄土的增湿变形，主要是由于地下水的升降和地表水的入渗而产生的。其一，当前城市人口的剧增及气候的变化影响，使得城市生活用水、污水排量迅速增长，这就造成地表水的入渗在湿陷性黄土地区必然造成湿陷变形发生，而且是小范围的发展，自上而下，发生湿陷变形的过程较快；其二，由于近几年兰州市降雨量变大，使得地下水位不断上升，而且是自下而上发展，影响的范围较大，湿陷变形的发展较地表水慢，而且两方面的形成过程对于上部建筑物的弊端是不同的。

国内外已经通过一些仪器设备研究了湿陷性黄土的微观结构，譬如用压汞法定量研究黄土体颗粒的大小，孔隙的分布规律以及结构性的破坏过程。同时也研究了湿陷性黄土的孔隙如何随着外部荷载和含水量的变化而变化，进而影响黄土体结构的变化。再者利用显微镜下对湿陷性黄土在湿陷前期和后期进行了大量的观察，查明在外部荷载和含水量同时变化时湿陷变形是如何发展的，可以看出湿陷性黄土的压密变形和湿陷变形与孔隙率的变化密切相关。

兰州市不同地区经沉管挤密桩处理后的孔隙率和湿陷系数与天然状态下孔隙率和湿陷系数对比的变化曲线如图5～图8所示。

1)对于不同地区的湿陷性黄土，经沉管挤密桩法地基处理后，桩体和桩间的湿陷性几乎已全部消除，仅有极个别点未消除，这是由于黄土结构的不均匀，孔隙率较大，使得局部的湿陷性并未消除，但湿陷系数δ介于0.015～0.030之间，湿陷性属于轻微，对整体地基影响不大。

2)从图5～图8也可以看出，经沉管挤密桩法地基处理后，局部桩体和桩间的湿陷性并未消除，这是由于受机械设备的限制，使得地基处理后深部影响不大，导致黄土中的孔隙率并没有减少，进而深部土层中的湿陷性难以消除。

3)经沉管挤密桩法地基处理后，各个地区皆表现出孔隙率与湿陷系数的变化并没有一定的规律性，就是由于湿陷性黄土结构的不均匀性，导致处理后孔隙率无规律性，但孔隙率在一定程度上也已降低，使得湿陷性几乎已全部消除，同时也达到地基处理的目的，承载力和密实程度都已经达到设计要求。

4)从图5～图8还可以看出，当土层中的含水量接近最优含水量时，复合地基中的桩体和桩间的孔隙率及湿陷系数有较好的规律性，且湿陷性可以完全消除。

4 结语

沉管挤密桩的地基处理范围由机械能力的大小而控制，对于兰州地区的湿陷性黄土场地，当处理了一定深度后，某一深部的黄土层的湿陷变形对于外部荷载产生的附加应力已不是主导因素，但深部发生侧向浸水，有可能会发生湿陷变形，最终取决于产生湿陷的压力是否与饱和自重压力相当。在具有湿陷性场地的地基土如果进行了地基处理后，应按照有关规范对处理后的地基进行效果检测，并重新评价场地的湿陷等级，以减少工程的投资。

1)对于具有湿陷性黄土场地，经沉管挤密桩法地基处理后，桩体和桩间的孔隙率较天然状态下的孔隙率皆降低，且桩体的孔隙率较桩间的孔隙率小。

2)经沉管挤密桩法地基处理后，孔隙率与湿陷系数的变化并没有一定的规律性，就是由于湿陷性黄土结构的不均匀性，导致处理后孔隙率无规律性，但孔隙率在一定程度上也已降低，使得湿陷性几乎已全部消除，同时也达到地基处理的目的，承载力和密实程度都已经达到设计要求。

3)通过兰州市四个地区的分析可知，沉管挤密桩地基处理方法在一定的深度内可以达到消除湿陷性、提高承载力、降低压缩性的目的。此种地基处理方法，对于黄土地区的工程建设具有较好的实用价值。

[1] GB 50025—2004，湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[2] JGJ 79—2012，建筑地基处理技术规范[S].

[3] 龚晓楠.地基处理手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2011.

[4] 罗宇生，汪国烈.《湿陷性黄土研究与工程》论文集[C].北京：中国建筑工业出版社，2016.

[5] 钱鸿缙，王继唐.湿陷性黄土地基[M].北京：中国建筑工业出版社，1985.

Discussion on the influence of the porosity of collapsible loess to collapsibility in Lanzhou area

Cao Chengming Hu Dianjie Zhang Sen’an Guo Zhiyuan

(GansuZhongjianMunicipalEngineeringSurveyandDesignInstitute,Lanzhou730000,China)

Based on the actual data of collapsible loess site in Lanzhou area, this paper analyzed the variation situation of porosity after immersed tube compaction pile treatment and in natural state, and discussed the regularity of porosity and collapsibility coefficient after immersed tube compaction pile treatment and in natural state, provided reference for future loess area using immersed tube compaction pile construction.

immersed tube compaction pile, collapsible loess, foundation treatment, porosity, collapsibility coefficient

2016-12-04

曹程明(1982- )，男，硕士，工程师

1009-6825(2017)05-0103-03

TU475.3

A