湿陷性黄土地区高层建筑地基基础设计分析

2022-03-13辛爱华甘肃建苑建筑设计院有限公司甘肃兰州730000

砖瓦 2022年2期

辛爱华（甘肃建苑建筑设计院有限公司，甘肃兰州 730000）

一般情况下，黄土在内部附加应力和其上部覆盖层的重力作用下，水会破坏黄土内部的机构，导致下沉现象，减少黄土强度。并不是所有的黄土都具备湿陷性的特征，具有湿陷性的黄土一般都是距离地表较近的黄土土质类型，大约为几十米。同时黄土的湿陷性特征是导致其发生变形的重要原因，很容易造成地基沉降和变形、地面开裂等严重问题，在上部建造的建筑物安全也会受到影响。由此在湿陷性黄土地质区域建设高层建筑期间，一定要严格勘测当地的地基特征，分析黄土的类型和强度，选择合适的地基处理方法，进而减少黄土湿陷性特征，提升建筑物建设的稳定性。

1 影响黄土湿陷性的相关因素

1.1 黄土微粒的影响

在黄土微粒中，其所含有的微粒含量和胶结作用呈现的是正比关系。黄土表现出湿陷性特征主要是微粒含量少，粒径在2μm以下颗粒含量少就可导致湿陷性黄土的出现，并且如果微粒数量少，其内部也不能产生立体镶嵌的形式，整个结构胶结强度也会随之降低，造成较为严重的湿陷性状况。

1.2 可溶盐的影响

目前所了解的黄土地质类型中，易溶盐和难溶盐属于其熔盐的主要成分，二者和黄土内部水分量存在着直接的关系。如果黄土内部水分含量少，那么此时易溶盐会以固态的形式呈现，以骨架支撑的形式提升黄土内部的强度。此时的黄土强度也会随之提升[2]。随着黄土内部水分含量的提升，表现出极强的湿陷性特征，此时难溶盐会增强胶结的作用，以骨架支撑的方式提升黄土强度。如果难溶盐在黄土内部的含量较高，那么黄土则不会出现十分明显的湿陷性特征。

1.3 含水率的影响

在黄土地质情况下，如果其本身天然的含水量较低，在吸水之后就会产生较大的形变，此时黄土湿陷性较弱[3]。在天然状态下如果黄土含水量高，此时其内部应力会保持长期平衡的状态，降低湿陷性。如果其含水量超出25%，并且黄土高度低于地下水位，也不会出现十分明显的湿陷性特征。

1.4 干重度的影响

黄土孔隙状况可被表示为干重度。干重度与黄土湿陷性程度成反比，即干重度越大，孔隙越小，黄土吸水性弱，其本身的湿陷性也不会十分明显[4]。

2 工程概况

A市人民医院拆迁改建项目，其中住院部共设计地上14层，地下1层，总高度为54.95m，建筑面积为48620m2，整体结构选择框架--剪力墙。本建筑设计抗震防裂度为8度，基本地震加速度值为0.20g，场地为Ⅱ类，特征周期为0.40s。该建筑地基的基础设计等级为乙级，建筑物设计标高±0.000表示黄海高程系统的绝对标高，具体数值为1810.00m。

3 施工区域地层勘测描述

该工程建设区域为人民医院的南侧，场地地貌的单元属于清水河三级阶地。拟建场地本身具有较大的起伏，中部具有冲沟，方向为西南→东北，宽度为35.0m～55.0m，底部的标高为1800.08m～1801.45m，深度为6.0m～10.0m，长度为300m。在冲沟的两侧存在多个窑洞，目前还没有发现存有地下空洞等不良的工程地质状态。在沟内含有直径为10cm～12cm的树木几百颗。

在本次工程建设中，最大的勘测深度为30.5m，自上而下分为四层，每一层的物理力学指标如表1所示，其中该场地属于非液化场地的形式。

表1 地基土层结构和承载力标准值等指标统计

4 施工区域土层湿陷性评价

结合《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）中国湿陷性黄土工程地质分区略图可以明确，该地质属于Ⅱ区，场地内的第①层素填土和第②层黄土状粉土在自然地面以下到0.0～17.5m的范围内具备一定的湿陷性，湿陷系数δs=0.015～0.150，湿陷性表现为轻微→强烈，中等为主。自重的实现系数为δs=0.016～0.112，最大的湿陷深度为17.5m，经过相关计算，可得出总湿陷量为：Δs=24.0mm～846.0mm，自重的湿陷量Δzs=26.4mm～666.5mm。湿陷等级总体为Ⅰ级非自重湿陷→Ⅳ级自重湿陷，结合综合判断，该场地为Ⅳ级自重湿陷性场地特征。结合建筑规范可将拟建的住院部建筑归结为乙类建筑形式。

5 地基基础方案的选择与设计

5.1 厂区的中部冲沟处理

拟建场地的冲沟方向为西南→东北，且拟建的住院部、培训中心和单身楼等均部分建设在冲沟之上。根据相关规范要求，建筑物不适宜在沟坎上建设，而这种部分建设在沟里会导致不均匀沉降的发生，建筑物容易发生开裂的现象。该施工场地所在区域属于湿陷性黄土地区，住院部设计为高层建筑，该建筑形式本身荷载较大，且重要性等级较高。另外，医院用水量较大，如果在医院运行期间发生管道或者是管沟漏水等问题，会加剧裂缝裂开的速度。为避免建筑物不均匀沉降所造成的裂缝形式，保障建筑物的稳定与安全，需要对冲沟实施科学处理。另一方面，地基处理周期相对较长，具有较大的安全隐患，所投入的资金量较多，因此需要制定切实可行且经济性较高的处理方案。

经过相关专家组讨论，最终决定：

（1）先迁移沟内的树木，并全面挖除沟内存在的杂填土和素填土以及存留的树根，并挖除冲沟侧壁的窑洞。在对窑洞进行开挖期间，需要采取放坡等形式，利用素土分层进行冲击和碾压，直到基底标高的1.5m以上位置。随后利用冲击碾压的方法进行填土作业，冲击势能保持在15kJ～25kJ之间，每一层所铺筑的填土不可高于600mm的厚度，每一层压实的次数不可少于20次。且保障回填土能够搭接周边的原土层，最大厚度为9.1m，随后对整片区域进行强夯处理。

（2）整片区域的强夯作业范围包含冲沟两边的建筑物基础下的湿陷性黄土和冲沟内部，在此期间，需要保障处理面积和宽度高于建筑物底层与外墙的范围和宽度，且被处理的土层厚度需要高于每一遍处理的厚度。

（3）使用强夯法进行地基基础施工作业期间，黄土含水量是其重点关注的内容。如果黄土自身天然的含水量低于10%，那么根据地区和工程经验，这种情况下不可能出现极佳的夯实效果，同时有效消除湿陷性的深度也会随之减小。经过勘察本次拟建的厂区内上部湿陷性黄土含水量为12%，已经接近10%的临界值，因此采取强夯法来对其有效深度进行处理，结合预估值给出其范围值的最小值8.0m～8.5m。在此期间需要注意的是，强夯工作流程和夯击能量传递会受到夯点布置的影响。因此，在实际施工前需要在施工区域选择一块代表性的地方进行强夯作业的试验工作，结合结果来选择合适的强夯方案。随后试验完毕后，需取出土样将其拿到实验室再次进行试验，土样的选择需要在夯击终止区域面下面的8.5m深度部位，且土样取出的间距需保持在0.5m～1.0m之间。实验的目标就是了解土体的各项指标，如干密度、湿陷系数或者是压缩系数等。

（4）最终的强夯作业方案需要在所有试验结束之后确定。在第一遍夯击期间，夯击点需选择在夯锤直径2.5倍的位置，以后的每一遍夯击间距都可适当缩小。次数暂定为5遍点夯（夯击能为：8000kN·m），随后利用2遍满夯（夯击能为：4000kN·m）进行施工，满夯一般都会采用轻锤或者是低落距锤的方式实施，保持锤印的搭接。

（5）在强夯结束之后需要进行三次检测，每次平均布置人工探井3个，探井的深度为10m。本次实验结果显示出：第一次有两个探井湿陷性系数小于0.015，这表示这两个区域内8.5m以上的土层湿陷性已经被消除；1个探井6.5m以上的湿陷性系数小于0.015，表示为非湿陷性黄土，这表示在6.5m以上的土层湿陷性已经被消除。其中6.5m～8.5m的湿陷性系数大于0.015，为Ⅰ级非自重湿陷性的黄土地质，也表示该范围内的土层并未消除湿陷性。第二次3个探井的湿陷性系数均小于0.015，表示为非湿陷性黄土，也就是8.5m以上的土层湿陷性已经完全被消除。第三次和第二次的结果相同。

5.2 住院部地基基础方案实施

对厂区内的冲沟按照上述方法来进行回填，并且在强夯作业之后考虑到部分基础位于原来的土层之上，部分位于冲沟的位置，本身冲沟内有着较厚的填土，在施工处理之后填土和原土部分承载力和湿陷性的差异都相对较大，并且在地基以下的“卧层”都出现不均匀的情况，这样的问题很容易使建筑物在使用期间发生开裂的问题。所以结合该现状分析，最终选择桩筏基础来设计该工程地基。而桩筏基础的施工方法主要包含人工挖孔和旋挖法设计。但是由于人工挖孔本身存在一定的危险性，因此决定选择旋挖钻机的机械成孔形式作为本次设计基本方法。

（1）钻机进场前认真清除地表植被、杂物、积水、更换淤泥，夯填密实，在桩位位置铺设一层碎石，保证钻机停位水平、稳定，以免产生不均匀沉陷。

（2）护筒采用10mm厚钢板卷制，内径1.4m（桩径1.2m），内径1.7m（桩径1.5m），内径2.0m（桩径1.8m），每节高2.0m。埋设时护筒高出原地面30cm，要求钢护筒能耐拉、耐压、不漏水，灌注混凝土后立刻拆除。护筒埋设时要准确、稳定，护筒平面位置偏差不得大于50mm，护筒的倾偏差不得大于1%。

（3）制备泥浆的基本原料是优质膨土。其配制比例是水100%。膨润土6%～8%，5%碳酸钠（纯碱），0.3的纤维素,调制化学泥浆。泥浆相对密度g/cm3：1.03～1.08；粘度（Pa.s）：19～28；含砂率：无；胶体率≥96%；失水率（m1/30min）：≤15：泥土厚（mm/30min）：≤2；静切力（pa）：3～5；酸碱率（pH）：8～10。制浆前，应先把膨润土块尽量打碎，使其在搅拌中易于成浆，缩短搅拌时间，提高泥浆质量。

（4）首先进行钻头对中孔位，人工依据桩位十字线，使钻头尖与十字线中心对中，调整桅杆竖直度及钻机机身水平。在钻进过程，对于砂性土层及砂层，直接用旋挖筒钻进、取渣，遇到石层及卵砾层时，先用螺旋钻头将其搅拌，再用旋挖筒取渣。由于钻渣可直接用旋挖筒提取，所以仅用静态泥浆护壁，这样大大减少了泥浆用量，钻渣可用装载机车外运。旋挖钻机操作室中有深度显示仪，达到设计深度后，用测绳复测，这样可以控制孔深。另外,旋挖筒取渣干净，如果控制好泥浆比例与黏度，在灌注混凝土前可将沉淀厚度控制在15cm以内。在钻进过程中若遇跑浆，可直接加膨润土于孔内，用旋挖机旋挖筒下入孔内跑浆位置反转不进尺，边加边搅直到不漏浆为止。