影响湿陷性黄土的因素及地基处理方法

吴学斌 张效康 韩 磊 周玉叶

中国化学工程第六建设有限公司 湖北襄阳 441100

湿陷性黄土是我国比较普遍的工程地质条件，其土质特点和工程危害表现为遇水浸湿时黄土发生增湿软化效应，强度显著降低，在附加压力或在附加压力与土的自重压力下引起湿陷变形，是一种下沉量大、下沉速度快的黄土。有些杂填土也具有湿陷性［1］。研究表明，粗粉粒和砂粒在黄土结构中起骨架作用，由于在湿陷性黄土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接触，能直接接触的大多为粗粉粒。细粉粒通常依附在较大颗粒表面，特别是集聚在较大颗粒的接触点处与胶体物质一起作为填充材料。粘粒和土体中所含的各种化学物质如铝、铁、无定型的盐类等，多集聚在较大颗粒的接触点起胶结和半胶结作用。在天然状态下，砂粒和粗粉粒由于上述胶结物的凝聚结晶作用被牢固地粘结着，使湿陷性黄土具有较高的强度。而遇水时，由于水对各种胶结物的软化作用，使土的强度突然下降从而产生湿陷。我国湿陷性黄土的容重为1.2 ～1.9g/ cm3，天然含水量为7%～23%，孔隙比为0.78～1.50，液限为21.7%～32.5%，塑性指数为6.7～13.1。

1 湿陷性黄土的性质

黄土湿陷性是指天然黄土在一定压力下受水浸湿，土质结构发生迅速破坏，并发生显著附加下沉的特性。湿陷性黄土地基分为自重湿陷与非自重湿陷两种类型。在工程勘察过程中，对黄土的湿陷性，应按室内压缩试验在一定压力下测定的湿陷性系数（δs）来判定。δs的计算式见式（1）。

式中：hp——保持天然湿度和结构的土样，加压至一定压力时，下沉稳定后的高度，cm；

当δs＜0.015 时，定性为非湿陷性黄土；

当δs≥0.015 时，定性为湿陷性黄土。

通常，0.015≤δs≤0.030 时，属轻微湿陷性；0.030≤δs≤0.070 时，属中等湿陷性；δs＞0.070 时，属强烈湿陷性。

在工程中，建筑场地的湿陷类型，应按实测自重湿陷量或室内压缩试验计算的自重湿陷量来判定。当实测或计算自重湿陷量≤70mm 时，应定为非自重湿陷性黄土场地；当实测或计算自重湿陷量＞70mm 时，应定为自重湿陷性黄土场地。

湿陷性黄土的力学性质通常用压缩模量、压缩系数、凝聚力、内摩擦角和无侧限抗压变形等指标表示。在同一场地里，相关指标有时变化幅度较大，无规律性，造成施工难度较大，地基处理投入较多。我国部分地区湿陷性黄土的力学性能指标见表1。

表1 湿陷性黄土力学性能指标

2 湿陷性的影响因素

影响黄土湿陷性的因素很多，主要包括黄土的形成时代、密度、粘粒含量和空隙性等［2］。

（1）形成时代：总的来说，在完整的黄土地层剖面分布中，从地表向下排列，第一层黄土为中等湿陷性；第二层黄土为轻微湿陷性；第三及以下各层黄土为无湿陷性。以上三层均为不均匀分布。

（2）密度：黄土的密度一般较小。密度越大，土的密实程度越高，孔隙比较小，黄土的湿陷性相应减弱。

（3）粘粒含量：粘粒是指粒径小于0.005mm 的细粒。黄土的粘粒含量越少，湿陷性越强；反之，湿陷性越弱，黄土中所含的粘粒越少。

（4）空隙性：黄土的空隙包括开空隙和闭空隙。针对黄土空隙性对湿陷性的影响，很多专家学者都有研究，一般来说，黄土的孔隙性越大黄土的湿陷性越强，土质越不稳定。

（5）形成过程：黄土在形成过程中很多因素会对形成后的湿陷性黄土有很大的影响。其中黄土的形成时间、形成过程中渗水的次数多少都有重大影响。因此在研究黄土的湿陷性中，研究黄土的形成过程尤为重要。

（6）含水性：一般来说，黄土的含水较少，含水率一般在10%～30%。饱和黄土一般不具有湿陷性，这是由于随着黄土中含水越多，黄土的结构强度会降低，在外力的作用下黄土的结构强度不再大幅度下降，因而不继续产生强湿陷性。

（7）压力：随着黄土上方施加的压力越大，黄土的湿陷性越大。但当超过一定湿陷值后，施加的压力越大，黄土的湿陷性越小。

（8）压缩性：在湿陷性黄土地区进行工程建设时，必须考虑土质的湿陷性对地基造成的不稳定影响。地基湿陷可能会引发附加沉降应力，从而使地基产生失稳变形，对施工项目造成巨大的危害和安全威胁，所以对湿陷性黄土地区进行地基处理尤为重要［3］。

在我国，湿陷性黄土土质较多，而不同地区的黄土有一定差异，因此对湿陷性黄土地的地基进行处理需要综合考虑多方面的因素，不同地方的黄土要区别对待。在对湿陷性黄土地区的地基进行处理时，要结合实际情况选择不同方案，但处理的目的与意义均是消除湿陷性对建筑的影响［4］。

3 湿陷性黄土地基处理的施工工艺

在湿陷性黄土地区，国内外使用较多的地基处理方法有以下几种：重锤表层夯实、强夯、土（或灰土）垫层、挤密桩复合地基、预浸水、化学加固、爆扩桩等。目前我国重锤表层夯实、土（或灰土）垫层、强夯、深层孔内夯扩、高压注浆固结土（或灰土）挤密桩复合地基、桩基础应用较多。重锤表层夯实法和高压旋喷注浆法处理地基见图1。

图1 重锤表层夯实法（a）和高压旋喷注浆法（b）处理地基

湿陷性黄土地区地基处理的加固机理及方法体现了湿陷性黄土的地域特征，其主要目的均为在提高承载力的同时，对黄土的湿陷性进行消除。

3.1 土（灰土）垫层

灰土（或素土）垫层施工时，先将处理范围内的湿陷性黄土全部挖出，并对底部进行夯实或压实；然后将就地挖出的粘土配成相当于最优含水量的土料，根据选用的碾压（或夯实）机械，按一定厚度分层铺土、分层碾压（或夯实），直到设计标高为止。灰土垫层施工示意图及现场图见图2。需要注意的是，施工用土料中不得含有有机杂物，使用前应先过筛，其粒径不大于15mm，并严格按照试验结果控制含水量。

图2 灰土垫层施工示意图（a）和表层土夯实施工图（b）

3.2 重锤表面夯实及强夯

重锤夯实法是利用重锤从高空自由下落时产生的冲击能，使地面下一定深度内土层达到密实状态的地基处理方法。重锤夯实法可分为表层夯实法和强力夯实法：表层夯实法又称重锤表面夯实法，锤重一般为20k～40kN，落距3～5m；当锤重为80k～300kN，落距为6～25m，单次夯击能量大于800kN·m，用于处理杂填土、碎石土、砂性土和稍湿的粘性土时称为“强力夯实法”，简称“强夯法”。

强夯施工前应先施工临时排水沟，及时将地表水引出强夯施工区域，同时应按照设计初步确定的夯实参数在场地区域内进行工艺性试夯。施工过程中每一次夯实前要对夯点进行复核，夯实完毕后检查夯实位置，一旦发现偏差或漏夯需要及时纠正。强夯法工艺流程见图3。

图3 强夯法工艺流程

施工前应检查夯锤重量、尺寸、落距控制手段、排水设施及被夯地基的土质。施工结束后，检查被夯地基的强度并进行承载力检验。

3.3 灰土（土）挤密桩

在湿陷性黄土地区采用桩基础的加固机理是将桩穿透湿陷性黄土层，在非自重湿陷性黄土地区，桩底端支承在压缩性较低的非湿陷性土层中；对自重湿陷性黄土场地，桩底端支承在可靠的持力层中，以达到加固的目的。灰土挤密桩施工现场图及深层孔内夯扩桩机理见图4。

图4 吊索具设置图

图4 灰土挤密桩施工现场图（a）和机理图（b）

（1）材料准备：土料可采用粉质黏土，有机质含量不应超过5%，不得含有冻土；石灰可选用新鲜的消石灰或生石灰粉，其颗粒不应大于5mm；对于桩孔内的灰土填料，其消石灰与土的体积配合比宜为2∶8 或3∶7，配合料最优含水率为±2%，灰土拌制应随拌随用不能隔夜。

（2）机具准备：成孔设备采用0.6t 或1.2t 柴油打桩机或自制锤击式打桩机，亦可采用冲击钻或洛阳铲；夯实设备采用卷扬机、提升式夯机或偏心轮夹杆式夯实机及梨形锤。

（3）灰土（土）挤密桩操作方法：桩施工前需先将基坑挖好，桩顶设计标高以上预留覆盖土层厚度，沉管成孔不宜小于0.5m，冲击成孔或钻孔夯扩法成孔不宜小于1.2m，然后在坑内施工灰土桩。桩的成孔可根据现场机具条件选用洛阳铲、沉管(振动、锤击)法、冲击或钻孔等方法。灰土挤密桩施工工艺流程见图5。

图5 溜尾索具设置图

图5 灰土挤密桩施工工艺流程图

灰土挤密桩的桩数、排列尺寸、孔径、深度、填料质量及配合比，必须符合设计要求或施工规范的规定。施工结束后，应检查成桩的质量及地基承载力。

3.4 预浸水法

预浸水法是在修建建筑物前预先对湿陷性黄土场地大面积浸水，使土体在饱和自重压力作用下发生湿陷，产生压密，以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的湿陷性。

预浸水法适用于处理自重湿陷性黄土层厚度大于10m、自重湿陷量计算值不小于500mm 的场地。施工前应通过现场的试坑进行浸水试验，来确定浸水时间、耗水量及湿陷量。

当需要加快自重湿陷性发生速度时，可以在水坑内打渗水孔，间距＜3m，深浅间隔布置。预浸水施工时坑内水位高度＞300mm，浸水过程应连续进行，湿陷变形稳定标准为最后5d 的平均湿陷量＜1mm/ d；当处理的黄土层厚度＞20m 时，最后5d 的平均湿陷量＜2mm/ d。预浸水法施工工艺流程见图6。

图6 预浸水法施工工艺流程图

施工完毕后，应分析地基土浸水前、后的干密度、湿陷变形特性，以及地基承载能力的变化。重点检查与评价湿陷性黄土场地在浸水后湿陷处理深度、剩余湿陷量和浸水后的地基处理等问题。

3.5 化学加固法

在我国湿陷性黄土地区地基处理应用较多，取得实践经验的化学加固方法包括硅化加固法和碱液加固法。硅化加固湿陷性黄土的物理化学过程，是基于浓度不大、粘滞度很小的硅酸钠溶液顺利地渗入黄土的孔隙中产生与土的互相凝结效应。碱液加固法是利用NaOH 溶液注入黄土后，与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反应，使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物。

硅化加固湿陷性黄土地基的施工主要分为三个步骤：成孔打入注浆管；加水稀释；往地基内注浆。砂土硅化加固后，取试块作无侧限抗压试验，其值不得低于设计强度的90%，变形指标应符合设计要求。

碱液加固设备和工艺均较为简单，首先用洛阳铲或钢管打到预定的加固深度，插入孔径为5～7cm 的注浆管，孔中填入2～4cm 粒径的小石子，直至注浆管下端的标高处。碱液加固地基的竣工验收，应在加固施工完毕28d 后进行。可通过开挖或钻孔取样，对加固土体进行无侧限抗压强度试验和水稳性试验。

3.6 其他加固方法

另外，还有高压注浆固结法、CFG 法等。在饱和的黄土地区，近几年来也采用粉喷桩法和深层搅拌法等。

CFG 法是同时完成高压砼护壁成孔与灌注砼，其砼连续性好、桩底无沉渣、单桩承载力较高。

以上各种处理方式的适用范围及处理土层厚度见表2。

表2 各种处理方式的适用范围及处理土层厚度

4 结论

我国湿陷性黄土地区最常见的地基处理方法主要包括土（灰土）垫层、重锤夯实和强夯、土（灰土）挤密桩和化学加固法等。其中化学加固法是一种非常高效的方法，但是造价较高，所以一般仅用于湿陷事故类的处理。此外，预浸水、热加固等方法也广泛应用于湿陷性黄土的地基处理，其中预浸水法是消除大厚度黄土地基自重湿陷性的有效方法，但是此方法对水量的需求量大，在水源充足的前提下可以适当实施，但工期较长，浸水后还需要利用其他地基处理方法处理上层土。由于施工方法较为复杂，所以预浸水使用受到了限制，没有得到推广应用。热加固法可以完全消除部分黄土的湿陷性，大大提高处理后黄土的承载能力，但加固土体的设备较为复杂，加固后土体的强度不够均匀，局部强度很高，这种方法在我国20 世纪五六十年代应用较为广泛，并且取得了较好的加固效果。