索道基础工程中湿陷性黄土地基的处理要点

张喻捷 李运生 辛虎君

1北京起重运输机械设计研究院有限公司 北京 100007 2山东泰安建筑工程集团有限公司 泰安 271000

0 引言

得益于设计水平的提高和施工工艺的发展，客运索道在更为广泛和复杂的地形中得到了应用[1]。在索道工程的建设过程中，基础施工也面临了更为复杂的地质情况，尤其是在我国湿陷性黄土土层广泛分布的北方地区，如果不及时进行有效的处理，将严重影响索道基础及整体线路的安全[2]。同时，索道基础受力同普通工业及民用建筑基础有很大的不同，受到索道建设地点及环境的影响，其基础施工具有一定的特殊性。在索道基础工程的建设中，针对工程场地特点，选取合适的湿陷性黄土处理方法、有效规避对后续工程的影响，对工程建设至关重要。图1为典型的索道线路基础结构。

图1 常见索道线路基础

本文针对索道基础的受力、结构及施工特点，结合规范及相关研究成果，总结了索道基础工程中处理湿陷性黄土的常用方法和要点，为后续相关工程提供参考。

1 湿陷性黄土特点

湿陷性黄土属于特殊土，浸水后土层在自重应力或自重应力和附加应力共同作用下会发生结构破坏而产生显著变形，其在我国西北、东北、华中和华东等地区均有广泛分布[3]。

湿陷性黄土主要典型特征有[4]：1) 颜色多呈黄色，包括淡黄色、棕黄色、黄褐色、淡灰黄色等颜色；2) 孔隙大，常肉眼可见，孔隙比可至1.0左右；3) 具有垂直节理，在宏观上常呈现为垂直边坡；4) 颗粒组成以粉粒为主，一般可占一半以上(50%～70%)；5) 含盐量大，尤其是碳酸盐含量突出，另外也包括硫酸盐及少量其他易溶盐；6) 具有湿陷性。

基于上述特点，湿陷性黄土在正常状态时，一般会表现出强度较高、压缩性较小的特点，但若既受水浸湿又承受一定上部压力，其结构会迅速破坏，强度迅速降低，并有明显的土体下沉，对上部结构造成严重危害。

2 湿陷性黄土常用处理方法

在工程建设时，通常有2种不同的方式避免湿陷性黄土的危害。一是消除黄土的湿陷性；二是使基础持力层避开或者穿透黄土层，避免湿陷性黄土同线路基础的直接接触。根据建筑物(构筑物)的重要性、地基周围水文条件及使用期间结构的沉降要求，可采取不同的措施，防止湿陷性产生的危害。

实际工程中，常见的湿陷性黄土地基处理方法有换填垫层法、桩基础、灰土桩挤密桩法、重锤夯实法、强夯法、预浸水法等[5，6]。

2.1 换填垫层法

换填垫层法是浅层地基处理的常用方法，同时也是处理湿陷性黄土地基最常见的工程措施之一。湿陷性黄土地基的换填处理一般采用灰土垫层法，其处理的黄土厚度一般为1～3 m。一般首先将基底以下部分或全部湿陷性黄土层挖出，然后再将一定体积配合比（2:8或3:7）的灰土填料混合均匀，分层铺设，回填夯实。换填垫层的厚度一般为0.5～3.0 m，比较适合浅层黄土层的处理[7]。该方法施工成本低、难度较小、对索道安装队的人员技术要求不高，同时具有良好的处理效果。

灰土换填垫层法是索道基础工程中处理湿陷性黄土使用最为广泛的一种方法，在多个索道工程中得到了应用，是一种经济安全、切实有效的处理方法。

2.2 桩基础

除通过消除黄土本身的湿陷性外，还可采用桩基础，使桩身穿透湿陷性黄土层，将桩端持力层定位于非湿陷性土层（或岩层）中[8，9]，通过该方式实现上部荷载的传递。需要注意的是，当湿陷性黄土场地中采用桩基础时，一旦地基土受水浸湿，桩侧的摩阻力将可能由正摩阻力转化为负摩阻力，额外增加桩基受到的竖向荷载。因此，在湿陷性黄土场地，一般不允许采用摩擦型桩，而采用端承型桩。

在湿陷性黄土场地的索道基础施工中，桩基础得到了一定的应用，但其本身对土层特性的要求较高，如黄土层下的持力层仍为压缩性较高的土层，则需要进一步加大桩长，无形中提高了施工成本，另外桩基础本身也具有一定的施工难度。

2.3 灰土挤密桩法

灰土挤密桩通常是利用一定的工艺（一般为锤击）成孔，然后在桩孔中分层回填体积配合比为2:8(或3:7)的灰土填料并夯实。土体在此过程中被侧向挤密，灰土挤密桩与桩间土共同作用形成复合地基，可更好地承受上部荷载作用。在普通建筑工程中，灰土挤密桩法处理湿陷性黄土地基无需大面积开挖工作，土方工程量的减少可大大缩短工期。从处理效果上看，灰土挤密桩法可很好地消除黄土的湿陷性，提高土的强度[10]。

灰土挤密桩成桩时为横向挤密，而索道线路基础底面尺寸较小(一般为3 m×3 m～5 m×5 m的柱下独立基础)，基底以下能够成桩的区域不大，故在实际索道工程中很少采用该方法进行湿陷性黄土的地基处理。

2.4 重锤夯实法

重锤夯实法使用时使重锤从高空自由下落(夯锤重20～30 kN)，冲击能可使地面下一定深度内的土层达到密实。以最小干密度为控制标准，对地基表层的湿陷性黄土在最优含水量状态下经重锤夯打密实，消除有效夯实厚度范围（110～115 m）内土体湿陷性、降低土体压缩性、减弱表层土透水性[11]。

在索道工程常见施工场地，如高山、峡谷、陡坡等地点，将起重机或吊车、夯锤等大型设备运至施工场地显然存在较大的难度，故索道工程中基本不采用该方法进行湿陷性黄土的处理。

2.5 强夯法

强夯法是指利用重锤（重锤为80～400 kN，最大可达2 000 kN）从一定高度下落夯击土层使软弱地基迅速固结的一种方法，强夯法由重锤夯实法发展而来，但其夯击能量要显著大于重锤夯实法。通过对土体进行动力夯击，土体被强制压密，压缩性随之减小，强度得以提高[12]。这种方法对处理湿陷性黄土具有明显的加固效果，同时施工费用也较低。

该方法的缺点同重锤夯实法一样，将施工机械运至施工场地难度较大，故在索道工程中应用很少。

2.6 预浸水法

当湿陷性黄土层的厚度较大，且其自重湿陷计算量大于一定数值时，可以利用黄土遇水产生湿陷的特点。在施工前对土层浸水，使土体首先发生自重湿陷，从而消除深层黄土的湿陷性。

预浸水法在施工前需要通过现场试验确定包括浸水时间和耗水量等在内的各种参数。在施工结束后还需要进行进一步的补充勘察校核工作，以此重新判定地基土的湿陷性是否被消除，对上部湿陷性未消除的黄土层，仍需采用用垫层换填或其他方法进行地基处理[13]。该方法操作简便、处理范围广，但耗水量大、施工工期长，浸水后表层地基土的强度较低，其前期和后续措施均较为繁琐，故在索道基础工程中采用很少。

3 索道基础湿陷黄土地基处理方法

3.1 索道基础特点

在索道工程中，常采用的基础形式主要有柱下独立基础、桩基础、岩石锚杆基础等3种[14]，这3种基础各有其特点及适用环境。

柱下独立基础形式简单、施工便捷，对安装施工队的技术要求较低；桩基础的适用范围较广，既可用于普通湿陷性黄土地基，也可用于其他类型的软土地基场地，尤其在淤泥土、回填土等土层厚度较大的场地，桩基础可以很好地保证基础的安全性。桩基础的施工难度和造价要高于相应的柱下独立基础；岩石锚杆基础是以上3种基础形式中对地质条件要求最严苛的一种基础，一般适用于基础持力层为承载力较高、完整性较好的岩石层，施工难度大并且对人员专业性要求较高，无法用于软弱地基场地。综合索道基础的各类工况以及施工环境，柱下独立基础在索道工程中应用最为普遍。

索道工程中的基础主要分为线路支架基础和站内设备基础，而无论是哪一种基础，主要受力都包括设备（支架）自重产生的竖向力N，以及由作用在上部结构中的钢丝绳水平力引起的传递至基础顶面的弯矩M和水平力F，图2为索道基础受力示意图。相对于工业或民用建筑，索道上部结构的自重不大，其受到的竖向作用一般远小于其受到的水平作用，故索道基础是一类由水平荷载起控制作用的结构。此外，索道基础的建设地点一般都处于高海拔、陡地形的山区，而滑雪索道等具有显著季节性要求的项目对工期的要求非常严格，往往需要更为高效的施工方式。

图2 索道基础受力示意图

3.2 灰土换填法在索道工程中的应用

索道基础主要受到水平力，而桩基础对竖向承载力的提升较大，对于提高水平承载力帮助较小。同时，对地形复杂、环境恶劣的场地，往往需要采用人工挖孔的方式进行桩基成孔，造成安全隐患的同时也耽误了工期。因此在处理湿陷性黄土地基时，桩基础虽偶有采用，但应用不多。

而对于灰土挤密桩法、重锤夯实法、强夯法等需要大型机械设备进场的处理措施，这些方法相对费时费力，基本不予采用。同样的，预浸水法同上述方法比不仅经济性更差，而且施工流程更为繁琐。

对于普通索道基础，如果遇到湿陷性黄土地基，灰土垫层换填法是应用最为广泛的一种工程方法。灰土垫层法施工简单、工期可控、材料易取，但其施工过程也存在诸多注意事项：1) 施工前需要对基坑（基槽）进行清理，清除虚土及杂物，然后再开始换填灰土，分层夯实，同时保证夯实系数不得小于0.95；2) 如遇地下水位超过基坑底部，则需要先进行排水与降水，再进行换填施工，将地下水位降至基底以下，避免地下水浸泡基底；3) 索道基础工程中，材料的选择要严格控制。填料性质、配合比、粒径要求等需严格遵守JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》[15]的要求；4) 索道下站基础，尤其是滑雪索道，在夏季到来时，积雪融化将产生大量的地表水流入下站场地。因此，换填完成后应在基础或地基周围采取有效的防水或者排水措施，防止地表水、地下水对地基的影响。同时，基础施工应尽量避开雨季，避免突发降雨等给施工造成的额外损失。

4 工程实例

以某脱挂索道站内基础为例，对其场地湿陷性黄土处理工作进行分析。该工程位于张家口崇礼区，运载工具采用6人吊椅，水平距离886.450 m，垂直高差140.700 m，是典型的滑雪索道。线路下站区域存在黄土状粉土，具有湿陷性，厚度为10～12 m。考虑到大面积开挖将全部黄土清理的工作量较大，故采用灰土换填法对场地地基进行处理。图3为该基础基坑湿陷性黄土层现场图。

图3 某索道站内基础黄土地基现场图

该索道下站为索道驱动基础，基底尺寸为9 m×7.4 m，基础埋深6.7 m，基顶受力标准值为垂直力700 kN，水平力为500 kN，弯矩为500 kN·m，基础高度为10 m，土层重度均取18 kN/m3。黄土层地基承载力特征值为120 kPa，灰土垫层的承载力特征值取200 kPa，换填厚度初步取1 m。经计算，经过深度修正的基底处灰土承载力完全符合受力要求。主要需要验算下层软弱下卧层(黄土层)的承载力，确定换填厚度是否满足要求。

根据JGJ 79—2012《建筑地基处理技术规范》，软弱下卧层的承载力应符合

通过计算，垫层底面处土的自重应力值为

垫层底面处的附加压力值为

经深度修正的下层软弱黄土的地基承载力特征值为

因此，对该湿陷性黄土层，将基底以下1 m厚，基础边缘外扩1×tan28°＝0.53 m的区域进行灰土换填处理，满足要求。

通过计算可以发现，因索道基础具有主要受水平力而竖向荷载较小的特点，其相应产生的附加应力较小。索道基础地基处理中灰土对附加应力的扩散作用未得到充分利用，换填层厚度甚至还可以进一步缩小，实际上该工程主要利用了灰土的隔水特性。在索道工程中利用灰土换填进行湿陷性黄土的处理时，因为这个特点而对换填层的厚度和地基处理范围要求都不高，进一步减小了换填的工作量，提高了经济性。

5 结语

处理湿陷性黄土地基的工程措施多种多样，根据不同的工程特点及施工环境选择合适的处理方法至关重要。索道基础结构受力、施工环境及工期要求具有其特殊性。综合分析，对索道工程中的湿陷性黄土地基，采用灰土垫层换填进行处理是最为简单有效的方法，不仅施工方便、快捷而且具有很好的经济性。目前灰土垫层换填法已在多处索道项目中得到应用，为后续索道工程处理湿陷性黄土地基提供参考，也对其他特种设备基础工程的建设提供一定的借鉴。