董志塬区巨厚黄土湿陷特性与基础选型分析

杨宏平，张兴元，杨 阳

(1.甘肃省高校黄土工程性质及工程应用省级重点实验室，甘肃 庆阳 745000；2.陇东学院 土木工程学院，甘肃 庆阳 745000)

素有“陇东粮仓”之称的甘肃省庆阳市是中国农耕文化的发祥地之一，在甘肃的经济发展中具有举足轻重的地位[1]。西峰区位于“天下黄土第一塬”——董志塬，塬面积约2300km2，是目前黄土高原上保存最完整，面积最大的黄土塬[2]。区域内黄土的厚度达200m以上。随着“一带一路”倡议和西部大开发战略的深入实施，庆阳地区的工程建设也得到了快速发展，许多高层建筑和超高层建筑如雨后春笋般出现，如庆阳某传媒大厦项目建筑高度为216m，某宏业大厦项目建筑高度190m，某百货大楼项目地上24层，地下5层。

但是，由于黄土的厚度过大，建筑物没有理想的持力层，而且上部黄土具有湿陷性，很容易使建筑物因不均匀沉降过大而造成开裂破坏。因此如何正确地评价黄土的湿陷特性和合理地进行建筑物基础的选型，就成为目前亟须解决的问题。

关于基础的选型，国内的学者和工程师做了大量的研究，如吴家荣[3]通过大量的工程实例，分析了深圳地区基础选型发展现状；刘继光[4]通过高层建筑地基承载力确定方法的分析，对北京地区筏板基础的选型进行了研究；李大钧[5]通过对陆上风机经常采用的基础进行分析，对风机基础的选型和桩基础设计的优化进行了研究；蒋朝旭[6]通过BP神经网络和有限元分析计算，对多年冻土区输电线塔基础的设计原则和冻土特性进行了研究，研究结果表明冻土深度为2m时，冻土对锥柱基础的地基承载力和位移影响最小；宋林华[7]通过西北某一工程实例，对大厚度湿陷性黄土的基础选型和黄土的湿陷性进行了评价和分析，研究发现，黄土的湿陷性系数随着压力增大而不断增大；杨舟洋[8]对软土地基上的建筑基础选型进行了研究，研究结果表明：在软弱地基上采用CFG桩加筏板基础是合理的；李红波[9]通过对兰州某小区的基础选型分析，对湿陷性黄土地区的桩基础和灰土挤密桩基础进行对比研究；张晓兵[10]对西安某高层建筑的基础选型设计进行了研究，研究发现，随着建筑高度的逐渐增加和建筑结构复杂性的提高，传统的基础形式已经不再适用；董富强[11]等对豫西工程地质条件及湿陷性特征进行分析，研究了豫西湿陷性黄土的工程地质特征和基础选型，研究结果表明：桩基础施工前应采用强夯等方法进行地基处理，同时还要做好地基的防水处理。

上述研究表明，国内外的学者对建筑基础选型开展了不少的研究，取得了一些非常有意义的成果，但对董志塬区大厚度湿陷性黄土场地湿陷性评价和建筑基础选型方面的研究目前较少。本文以庆阳市西峰区的两个工程项目为例，对董志塬区大厚度湿陷性黄土场地湿陷性评价和建筑基础选型进行探讨，从而为董志塬区大厚度湿陷性黄土场地的工程建设提供一定的参考。

1 工程地质概况

1.1 地形地貌及构造

庆阳市西峰区为典型的陇东黄土塬。地质构造属于中国北方华北地台大地构造单元，处于关山—六盘山褶皱带以东的鄂尔多斯台地。主要为风成黄土，黄土层厚达150～200m，质地均一，具垂直节理。塬面侵蚀微弱，地形平坦，相对高差较小。由于长期河流切割，形成塬高谷深，沟壑纵横的地貌景观。

1.2 地层结构及岩土性状

庆阳市西峰区地层结构分述如下：

①层填土(Q4ml)：黄褐～棕褐色，整个场地分布，多为耕植土，局部含建筑垃圾，以黄土状粉土为主，稍湿～湿，稍密，有植物根系，孔隙发育，层厚0.2～10.2m，层面标高为1373.86～1381.40m。

②-1层黄土状粉土及粉质粘土(马兰黄土)((Q3eo1))：黄褐色，主要为黄土状粉质粘土，局部为黄土状粉土，具大孔隙，层面埋深2.7～10.4m，层面高程1368.14～1381.00m。

②-2层黄土状粉质粘土((Q3eo1))(古土壤1)：棕红色～红褐色，主要为黄土状粉质粘土，局部夹黄土状粉土，具大孔隙，层厚1.2～4.0m，层面埋深8.1～10.8m，层面高程1364.21～1372.39m。

③-1层黄土状粉土及粉质粘土(离石黄土1)((Q2eo1))：黄褐～棕褐色，主要为粉质粘土，局部为粉土，整个场地分布，土质较均匀，具大孔隙，层厚1.7～4.7m，层面埋深9.6～14.3m，层面高程1361.16～1369.76m。

③-2层黄土状粉质粘土(Q2eo1)(古土壤2)：棕红色～红褐色，主要为粉质粘土部分为粉土，土质不均匀，稍湿～湿，稍密～中密，坚硬～硬塑，块状结构，层厚1.1～4.1m，层面埋深12.8～16.9m，层面高程1358.48～1366.37m。

③-3层黄土状粉土及粉质粘土(离石黄土2)(Q2eo1)：黄褐～棕褐色，主要为粉质粘土，部分为粉土，土质较均匀，稍湿～湿，稍密～中密，坚硬，层厚1.3～5.7m，层面埋深15.3～18.9m，层面高程1356.87～1364.46m。

③-4层黄土状粉质粘土(Q2eo1)(古土壤3)：红褐～棕褐色，夹有灰黄色，主要为粉质粘土，局部为粉土，稍湿～湿，稍密～中密，坚硬，土质不均匀，层厚1.2～3.2m，层面埋深18.4～22.6m，层面高程1353.48～1361.27m。

③-5层黄土状粉土及粉质粘土(离石黄土3)(Q2eo1)：黄色～褐黄色，主要为粉质粘土，部分为粉土。稍湿～湿，稍密～中密，可塑，土质均匀，层厚2.2～5.3m，层面埋深21.0～24.2m，层面高程1351.18～1359.00m。

③-6层黄土状粉质粘土(Q2eo1)(古土壤4)：棕红色～红褐色，主要为粉质粘土，局部为粉土，稍湿～湿，可塑，土质不均匀，厚1.3～4.1m，层面埋深24.6～28.2m，层面高程1347.08～1355.55m。

③-7层黄土状粉土及粉质粘土(离石黄土4)(Q2eo1)：黄褐～棕褐色，主要为粉质粘土，部分为粉土，稍湿～湿，中密～密实，坚硬～可塑，孔隙不发育；层厚3.3～5.9m，层面埋深27.5～31.4m，层面高程1343.26～1351.91m。

③-8层黄土状粉质粘土(Q2eo1)(古土壤5)：棕红色～褐红色，主要为粉质粘土，稍湿～湿，中密，坚硬，土质不均匀，团粒结构，层厚5.8～6.6m，埋深33.5～36.7m，层面高程1338.37～1344.21m。

③-9层黄土状粉土及粉质粘土(离石黄土5)(Q2eo1)：褐黄色，主要为粉质粘土，稍湿，中密，可塑，孔隙不发育；层厚7.2～8.8m，埋深40.8～41.7m，层面高程1332.27～1336.10m。

③-10层黄土状粉质粘土(Q2eo1)(古土壤6)：棕红色～褐红色，湿～很湿，中密，坚硬，土质不均匀，孔隙发育微弱，埋深48.1～50.2m，层厚1.3～4.2m，层面高程1324.57～1327.30m。

③-11层黄土状粉土及粉质粘土(离石黄土6)(Q2eo1)：褐黄色，湿～饱和，中密，可塑，土质较均匀，孔隙发育微弱，埋深50.0～54.1m，层厚1.8～4.1m，层面高程1320.37～1324.15m。

③-12层黄土状粉质粘土(Q2eo1)(古土壤7)：褐红色，湿～饱和，中密，具团块结构，埋深54.1～57.3m，层面高程1318.57～1320.53m，本次勘察揭露厚度0.7～1.4m。

③-13黄土状粉质粘土(离石黄土)(Q2eo1)：褐黄色，可塑，中密～密实，稍湿～湿。层厚10.20～14.40m，层顶埋深40.00～42.10m，层顶高程1342.52～1345.86m。

③-14古土壤(Q2eol)：棕红色，湿～很湿，中密～密实，孔隙较发育。层厚0.9～2.30m，层顶埋深52.30～54.90m，层顶高程1330.10～1332.32m。

③-15黄土状粉质粘土(离石黄土)(Q2eo1)：褐黄色，很湿～饱和状态，可塑，中密～密实。层厚2.10～2.90m，层顶埋深54.00～57.20m，层顶高程1328.34～1330.76m。

③-16古土壤(Q2eo1)：棕褐色，呈饱和状态，中密～密实。层厚0.60～3.20m，层顶埋深56.90～59.30m，层顶高程1326.20～1328.26m。

③-17黄土状粉质粘土(离石黄土)(Q2eo1)：褐黄色，呈饱和状态，坚硬，中密～密实。层厚10.9m，层顶埋深59.20～60.50m，层顶高程1324.69～1325.60m。

③-18古土壤(Q2eo1)：红褐色，呈饱和状态，碎粒结构。层厚3.50m，层顶埋深71.2m，层顶高程1313.98m。

③-19黄土状粉质粘土(离石黄土)(Q2eo1)：褐黄色，呈饱和状态，中密～密实。层厚2.9m，层顶埋深74.70m，层顶高程1310.48m。

③-20古土壤(Q2eo1)：红褐色，呈饱和状态，碎粒结构。层顶埋深77.60m，层顶高程1307.58m。

图1 典型黄土剖面图

1.3 水文地质条件

庆阳市西峰区属黄河水系泾河流域，董志塬为泾河一级支流马莲河中游塬地。场地开阔、平坦，周边无地表流水。

该场地地下水，属潜水型地下水，勘察期间，水面埋深61.80～62.00m，水位标高1323.00m～1323.19m，主要赋存于③-17黄土状粉质粘土(离石黄土)层及以下地层中。

2 湿陷性分析

根据某高层的岩土工程勘察报告，对庆阳市西峰区的地基土的压缩性和湿陷性分述如下：

2.1 地基土压缩性分析

根据土工试验报告，在自然含水量状态下，庆阳市西峰区地基土一般在10.0～16.0m以上，压缩系数一般为a1-2=0.10～0.47，呈中压缩性；10.0～16.0m以下，压缩系数一般为a1-2=0.06～0.22，呈中～低压缩性。

2.2 地基土湿陷性分析

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)和场地黄土湿陷量计算表(表1)，综合判定为自重湿陷性黄土场地，湿陷性等级为Ⅰ～Ⅱ级，湿陷程度为轻微～中等。综合评定湿陷性等级为Ⅱ级，湿陷程度为中等，黄土湿陷最大湿陷下限为20m左右。

表1 黄土湿陷量计算

3 地基基础分析

3.1 工程一

3.1.1 工程概况

某工程位于庆阳市西峰区，地下二层，地上二十七层，框架剪力墙结构，长33.6m，宽32.8m，建筑总高度98.62m，采用钻孔夯扩挤密桩处理地基，桩长为6.0m，桩距850mm，桩孔直径为400mm，成桩后直径为550mm，等边三角形布置，桩孔用净素土回填，桩身平均压实系数不小于0.97，桩间土平均挤密系数不小于0.93,最小挤密系数不应小于0.90。

3.1.2 基础概况

本工程基础采用桩筏基础，筏板厚度为800mm，桩及筏板的混凝土强度为C40，筏板埋深16.3m，桩径600m，桩长45m，单桩承载力不少于2863kN，以③-17离石黄土为持力层，桩的侧摩阻力为80kPa,端阻力为900kPa。桩基础平面布置图如图2所示。

3.1.3 桩基试验结果

该建筑物混凝土灌注桩浇筑28天后，通过桩基静载荷试验对桩的承载性能进行检测，试验结果如表2所示。

从表2可以看出,在大厚度湿陷性黄土场地，经过地基处理消除湿陷性后，混凝土灌注桩受荷后变形量较小，承载力高，能够满足设计要求，尤其在大厚度湿陷性黄土地区高层建筑中，具有明显的优势。

同时，由于混凝土灌注桩成本高，在庆阳董志塬巨厚黄土地区使用中合理桩长不好确定，已逐渐被其他基础形式代替。

图2 桩基础平面布置图

表2 桩基础静载荷试验检测汇总表

3.2 工程二

3.2.1 工程概况

某工程同样位于庆阳市西峰区，地下二层，地上二十六层，框架剪力墙结构，地基采用DDC(孔内强夯法)素土桩处理，基坑开挖至设计标高后施工，桩长为5.0m，桩距900mm，桩孔直径为400mm，等边三角形布置，桩孔用净素土回填，桩身平均压实系数不小于0.97，桩间土平均挤密系数不小于0.93。

3.2.2 基础概况

本工程DDC素土桩预处理后，采用素混凝土CFG桩复合地基提高地基承载力，CFG桩桩径400mm，桩距1600mm，有效桩长21.0m，混凝土等级为C30，等边三角形布置，如图3所示。要求单桩承载力特征值不小于700kN，处理后的复合地基承载力特征值不小于460kPa。基础采用平板式筏形基础，筏板厚度为700mm，混凝土强度等级为C40。

图3 CFG桩复合地基平面布置图

3.2.3 试验结果分析

(1)湿陷性消除情况

本工程DDC素土桩预处理完成后，通过探井取样，对地基处理效果进行分析。地基土湿陷性随深度变化的曲线如图4所示。

图4 TJ1-1、TJ2-3处理前、处理后湿陷系数曲线

图5 CFG单桩静载荷试验p-s曲线

图6 CFG单桩静载荷试验s-lgt曲线

由图4可知，本工程中，随着深度的增大，黄土的湿陷性逐渐减小，湿陷下限约为20m。经DDC素土桩处理后，地基土的湿陷性基本消除，满足设计要求。

(2)CFG单桩静载荷试验

CFG桩复合地基施工结束28天后，通过浅层平板静载荷试验，对CFG单桩承载力进行检测，试验结果的p-s曲线和s-lgt曲线分别见图5和图6，试验数据如表3所示。

从表3可以看出,经过CFG桩处理后，复合地基单桩的变形量都较小，单桩承载力达到了设计要求。

(3)建筑物变形观测

该建筑物施工完成后，对其进行了多次的沉降观测,观测结果见表4。

由表4可知，大厚度湿陷性黄土地区，建筑物经过CFG桩处理后，沉降量相对较小，基本趋于稳定,总沉降量和差异沉降均在设计允许范围内。

由上可知，在庆阳董志塬巨厚黄土地区，混凝土灌注桩加筏板基础和CFG复合地基加筏板基础承载力高，变形量小，都可以满足要求，但混凝土灌注桩加筏板基础造价较高，在董志塬巨厚黄土地区使用中合理桩长不好确定，已逐渐被其他基础形式所代替。

表3 CFG单桩静载荷试验检测汇总表

表4 建筑物沉降观测汇总表

4 结论

(1)董志塬区巨厚黄土具有湿陷性，湿陷下限约为20m左右，岩土工程勘察时应详细调查，认真分析，对不同工程场地黄土的湿陷程度准确认识和区分对待，有助于该地区基础的合理选型和优化设计。

(2)董志塬区巨厚黄土湿陷性随着深度的增大而逐渐减小。

(3)在董志塬区巨厚黄土地区，混凝土灌注桩加筏板基础和CFG桩复合地基加筏板基础都能满足变形和承载力要求，且建筑物后期沉降较小，基础选型时，应结合建筑场地湿陷性评价结果和建筑物特征综合确定。

(4)建议进一步对CFG桩复合地基的承载性能进行研究，验证其在董志塬区巨厚黄土地区应用的合理性和可行性，充分挖掘地基潜力、大幅度降低工程投资。