黑燕调蓄水池地基湿陷变形研究及工程地质评价

朱全海，许春娟，曹 睿，王新海，杨耀峰，丁建兴，张多宏，邵显显，贾生海

(1.甘肃水利机械化工程有限责任公司，甘肃 兰州 730070；2.甘肃农业大学水利水电工程学院，甘肃 兰州 730070)

1 概述

1.1 工程概况

黑燕调蓄水池池容30万m3，日处理能力1.2万m3，陇西黄土高原西部整体属黄土地貌，是工程的主要分布区，其中分布最多的地层为第四系马兰黄土、黄土状土和新近系(N)泥质砂岩。区内除山区以外，以黄土分布最为广泛。黑燕调蓄水池场地湿陷等级为Ⅳ级，地下水位埋深较大。

1.2 气象、水文

黑燕调蓄水池所在区属渭河流域，多年平均降水量400～450mm，占全年的55%以上，年内降水分布不均衡以7—9月为主。降水为地表水资源的补给主源，河川径流的洪水期主要集中在7—10月，占全年径流量的70%。由于大面积广泛发布的黄土造成植被稀疏，基本上无自然涵蓄能力。河流基本没有地下补给，缺乏调节能力，径流极不稳定。区内河流大多以季节性洪流为主，洪水泥沙大，枯水期基本断流，黄土丘陵区主要为苦咸水，水质较差，大部分河水矿化度达3g/L以上。

2 地基湿陷变形实验研究

2.1 实验材料

试验所用的黄土取自通渭县马营镇黑燕村东侧地表2～4m深处，所用仪器设备为三轴压力室、轴向加荷、压力量测和变形量测系统等，用计算机采集数据[1]。

2.2 实验方法

试验土的制样：装好三瓣膜，先在膜桶1/3高度的内壁上涂上凡士林。根据土样的干密度及试样体积称取所需的土样质量，对未装入土样的三瓣膜和底座称重记录。首先将1/3土样倒入膜桶内，击实到1/3高度，并将土样表面刮毛。接着再涂抹1/3高度的凡士林，继续倒入土样并击实。待3层全部击实完成，称取总重量，看是否达到计算值。将不足的土样补齐并击实，制样完成。采用厚度为1mm的橡皮膜，把土样装入橡皮膜中。

2.3 结果分析

不固结不排水和固结排水2种实验方法下不同围压下的应力-应变曲线分别如图1—2所示，由应力应变曲线图得出不同围压下的剪切峰值及对应的轴向应变最大值见表1—2。根据原始实验数据绘制5个围压下的5个应力圆，绘制出库仑强度包线，确定土样的c、φ值，由不固结不排水剪强度包线图，如图3所示，确定出土样的Duncan模型参数c=3252kPa，φ=2213°。由固结排水剪强度包线图，如图4所示，确定出土样的Duncan模型参数c=236kPa，φ=2987°。

图1 不固结不排水应力-应变曲线

图2 固结排水应力-应变曲线

表1 不同围压下的剪切峰值及对应的轴向应变

表2 不同围压下的剪切峰值及对应的轴向应变

图3 不固结不排水强度包线

图4 固结排水强度包线

在不固结不排水和固结排水2种实验方法下，随着围压的增加剪切峰值不断增大，所对应的轴向应变也在增大后又出现减小的情况[4]，不固结不排水下的轴向应变在围压250kPa时减小随后在围压400kPa时又增大，固结排水下的轴向应变在围压400kPa时减小为最小值。

3 黑燕调蓄水池工程地质条件及评价

3.1 场地基本地质条件

3.2 主要工程地质问题及评价

由于地下水有较大的埋深，基本不会对工程造成影响，所以蓄水池的场地相对稳定，经过一些简单处理可修建水池。但水池主要坐落于马兰黄土及黄土状土层中，所以地基土的湿陷变形问题是主要的工程地质问题。黑燕调蓄水池以半挖半填为主，根据GB 50025—2004《湿陷性黄土地区建筑规范》中湿陷量等的计算和规定，黑燕调蓄水池总湿陷量Δs为830～835mm，属于湿陷等级Ⅳ级的自重湿陷性场地[6]，所以地基土的湿陷变形问题应是非常重要的工程地质问题。

在布置蓄水池时宜将长轴布置在东西向，以北侧挖方南侧挖填的半挖半填式施工，在不影响顺利取水的前提下，上部有较强湿陷性的黄土应该全部挖去[7]，未处理湿陷黄土层剩余湿陷量应小于等于150mm[6]，处理地基时应该分层夯实并且做好防渗。

3.3 地质参数建议

经过不断勘测和试验，并参照有关规程、规范，提出各类土物理力学参数建议值[8]。马兰黄土可以用做防渗填筑土料，最优含水率和最大干密度为17.3%、1.71g/cm3。通过0.96压实度压实后，重度和饱和重度为19.5、20.6N/cm3。抗剪强度和饱和抗剪强度的C、φ值分别为50～60kPa、26°～28°和15～19kPa、22°～24°。水平和垂直渗透系数分别为(1.1～2.3)×10-6、(1.3～2.8)×10-6cm/s。

4 地基处理措施

地基是工程建筑的基础，直接影响着上层建筑的稳定性。地基的湿化变形对工程有重大影响和危害，因此地基的处理具有重要意义。地基的合理处理对于湿陷变形问题的发生有抑制作用，也可以改善土的性质和结构，减小土的渗水性[9]。地基处理的方法是否得当，不仅直接影响着工程的安危，而且对工程的质量、进度和造价等都有很重要的影响。对于地基处理的重要性已经被越来越多的人所认识，下面对其中3种地基处理方法的优缺点和适用范围进行总结，推荐适合黑燕调蓄水池地基处理的方法。

4.1 灰土挤密桩法

灰土挤密桩法是目前处理湿陷性黄土地基比较热门有效的方法之一，其在建筑行业的运用也越来越多。针对湿陷性黄土地基在遇水(降雨、地下水位上升、渗漏等)时结构强度迅速下降、土体变形、塌陷等被严重破坏现象，造成重大工程事故发生，湿陷性黄土地基的有效处理措施越来越多也越来越被重视。灰土挤密桩法在应用时要根据工程实际情况对土和消石灰进行科学配比，且将土料和灰土进行组合的稳定性较理想。设备可以采用锤击成孔方式，但要注意周围地面的隆起，施工中最好利用三遍成孔技术，特别注意挤密不实问题。

灰土挤密桩法适用于深层次湿陷性黄土层地基的处理，地基的平稳特性明显提升，把握好桩孔洞密度时可以完全去除黄土的湿陷性，效果较为理想，并且提升地基的承压能力。

4.2 换填垫层法

换填垫层法在考虑地质条件的情况下，处理中小型混凝土工程的地基问题时更加有效彻底。对于具有湿陷性的黄土淤泥质土和地基比较软弱的不均匀土层也采用换填垫层法，将建筑物原地基土根据实际工程要求挖除一定深度，然后用大密度、高强度、较好稳定性的混凝土材料如砂土、矿渣、粉煤灰或者石灰代替回填的一种地基处理方法。换填垫层法能够有效消除一定深度内土体湿化变形和湿陷性，并且能显著改善土体的工程特性，且造价相对较低。目前换填垫层法在处理地下水位以上的局部或整片地基土方面运用较多[10]。

换填垫层法可以就地取材，施工简单，对施工机械要求低，既能有效缩短施工期，又能有效降低施工造价。因此，得到较为普遍的推广和应用。对于不能承受较大震动的地基一般避免使用换填垫层法。

4.3 强夯法

强夯法(动力固结法)最初是在20世纪60年代末期被法国应用逐渐发展起来的，目前在国内也得到了广泛的应用。强夯法主要用于地基的沉降处理中，其原理是在强夯的过程中将机械能转化为势能再转化为动能。强夯法在应用的过程中对重锤有一定的要求，重锤的重量要在100～1000kN之间。正常情况下强夯法所能达到的最大加固深度为15m，运用重锤落下时的冲击能量震动和压实地基，使地基的强度有一定的提高，地基的承载力也会明显改善。强夯法主要适用于碎石土砂土以及湿陷性黄土等[11]。孙政等[12]用强夯法对Ⅱ级非自重湿陷性黄土地基进行处理，得出强夯地基承载力的特征值建议使用180kPa，且5m以上地基土的湿陷性完全可以消除，强夯效果较理想。陈秋平[13]推荐湿陷性黄土地基用灰土挤密桩技术较为理想，并且适用于复合地基，且复合地基承载值大于等于200kPa才能符合设计要求。耿秋生[14]提出在处理湿陷性黄土层地基的工程措施中，强夯法是支出损耗最小经济效益最高的，但在使用过程中要注意黄土层中含水量的控制范围才能使夯实效果最好。

强夯法的优点：①施工快工期短，节约时间效益相对较高。②可以获得更好的效果，与其他措施相比地基承载力、压缩模量、强度等更高。③运用的范围广，一般类型的土和碎石等都可以采用强夯法。④只需要简单的机械配备就可以实现，方便快捷。⑤节约材料、工程造价低，就地取材施工，减少建材的消耗；缺点：有较大的噪音和振动，在人口较多的地区不宜使用。注意在使用强夯法时必须经过现场试验，不可直接采用相似工程处理过程。

5 结论

湿陷性黄土是一种结构松散、孔隙率高、低湿性土质[15]，如果不对湿陷性黄土层进行特殊处理，将会产生非常严重的后果，比如管道渗漏、地面坍塌等[16]。因此黑燕调蓄水池的工程建设中对湿陷性黄土地基的处理至关重要，关系到工程建设的安全稳定。结合黑燕调蓄水池湿陷性黄土地基特征和工程实际情况(地质条件、工程时间、工程投资、环境等因素)，建议黑燕调蓄水池地基处理采用强夯法比较适宜，并做好防渗处理。结合工程实际处理地基问题时还应该增加压实度[17]，并且重视防水问题，做好防水处理，避免水分的入侵对工程产生危害。