湿陷性黄土对工程影响及措施

周高军ZHOU Gao-jun；赵玉蕊ZHAO Yu-rui；张雷ZHANG Lei；张景铨ZHANG Jing-quan；张阔ZHANG Kuo

（①山东省公路桥梁建设集团有限公司，济南 250014；②山东农业大学，泰安 271018）

1 概述

湿陷性黄土中60%以上为粉土小细颗粒，是一种在第四纪以来沉积成土壤的地质体，为黄色或黄褐色土，颗粒较均匀，具有孔隙率大、结构疏松、压缩性较低、透水性强、抗水性弱、塑性较弱等物理特征。黄土分布面积广泛，多集中于西部地区，山西、西安、陕西、甘肃等省份是典型的黄土分布地区。湿陷性黄土是受水湿润形成，所以在我国靠近河流、河谷等多水地形容易发育湿陷性黄土[1]。

湿陷性水分和一定压力缺一不可，只有两者相互作用才会产生湿陷性。当沉淀变形时，一部分产生普通挤压变形，另一部分产生附加沉积变形，而这沉淀变形则被称为湿陷变形。湿陷变形是在施加特定的荷载以及被水浸湿的共同作用下产生的。

2 湿陷性黄土成因

①黄土湿陷性的根本原因在于湿陷性黄土特殊的粒状架空结构体系，其骨架颗粒主要由集粒和碎屑颗粒组成，颗粒与颗粒之间有大量的架空孔隙[2]。从其组成状况分，骨架颗粒是构成黄土结构的支柱，起骨架支撑作用，一般由大于0.05mm 的碎屑粉粒以及大于0.01mm 的粗粉砂颗粒构成。不同骨料颗粒的形状不同，如圆润状和棱角状，不同的骨料形状对于黄土的排列方式和力学性质不同。与细微颗粒之间胶结状况也不同。骨料颗粒之间越圆润，颗粒之间胶结能力越强，强度越高，湿陷性越差。黄土微观结构决定了其组成成分之间的空隙大小、骨料之间的接触面积、颗粒之间结合程度。

②石英、伊利石、长石是构成湿陷性黄土的主要矿物成分。石英、长石结构中起骨架支撑作用，细骨料中伊利石主要影响的是颗粒与颗粒之间的填充情况和胶结作用，当黄土在受水浸湿情况下或受到外界施加较大的荷载时，会破坏其胶结状态。

③黄土被水浸润后，骨料之间起联结作用的可溶盐溶于水，可溶盐被水带走，使骨料颗粒之间孔隙变大，其连接胶结能力减弱，黄土结构之间结合力减少，到达一定程度会使颗粒之间连接部分断裂，使得黄土强度减少，体积缩小，发生陷落，表现为湿陷性[3]。

④湿陷性黄土中孔隙率越大，其黄土中含水率越多，孔隙率越小，黄土中含水率越小。但是黄土中含水率与湿陷性并不是成正相关，恰恰相反，黄土含水率与湿陷性成反相关。湿陷性黄土联结方式和不同的土体结构受自然降水的影响，当降水充足时，土体内部很容易渗入水分，在黄土中可溶凝胶物易溶解，土体完整性会受到破坏。黄土的毛细水在水分充足作用下颗粒间大幅度降低，荷载作用随之加大，因此在众多因素的影响下，黄土路基的湿陷状况严重。车辆通行时并伴有降水，车辆荷载震动作用对路基路面的影响很大。大型荷载车辆通行时，水分入侵黄土路基后，土体结构会迅速塌裂破坏，如果仍有超载的车辆继续通行，路基达到极限承载后，会明显加重路基地基沉降情况。

3 湿陷性黄土对工程的影响

建筑周边土体可能会出现一些自然灾害或者工程地质的问题。工程建设不仅包含自然地质现象的多个方面，还包含人类工程活动对工程建筑的地质现象的多方面。

①对地基承载力的影响。在干燥气候条件下，黄土具有一定的强度，产生的形变小，承载力较强，作为地基时比较稳定。但当黄土受水浸湿后，会产生湿陷性，土体结构遭到破坏，土体颗粒间联结作用减弱，会产生下降沉陷，强度降低，承载力减弱，此时作为地基，受到建筑物施加的荷载，通过基础传递给地基，使黄土土层的应力状态发生变化，产生剪切、竖向、侧向变形。

②对房屋建设的影响。在房屋建造后，土体在水和压力共同作用下，由于建筑物抗剪能力较弱，在黄土湿陷性作用下，对基础产生横向剪应力，造成基础出现细微裂缝，甚至蔓延到建筑主体的薄弱地位。湿陷性发生突然，沉降量大，不仅造成地基不均匀下沉，甚至造成墙柱裂缝[4]。

4 湿陷性黄土的工程处置措施

4.1 垫层法

垫层法地基处理就是将地面以下一定范围的软弱土、不均匀土、湿陷土替换成高强度、高性能、稳定性的材料，并夯实挤密，形成垫层的地基处理方法。通过替换高强度的垫层，更能承载上部建筑荷载，提高了地基承载力，避免了湿陷性黄土对建筑物的不均匀沉降。此地基处理方法可以节省工期，经济效益高且成本较低，适用于处理厚度为6m 的土体，是一种处理浅层湿陷地基的方法。如图1 所示。

图1 垫层设计示意图

垫层法反铲挖掘机，土方开挖至留置地下设计标高上15cm~20cm 厚的土层，再由人工开挖至基底设计标高，避免扰动地基土。回填材料，选择粗骨料、嵌缝料和封面料，保证地基后期承受荷载时均匀受力。

4.2 碾压夯实法

碾压夯实的地层处理是一种常用的方法，从高处利用夯锤的重力下落携带的势能，将地基夯实，借助提升机将夯锤提升到一定的高度，循环往复，让夯锤做自由落体，并利用这种冲击势能将地基夯实处理。各点位置要保证夯实到设计的密实度，夯实遍数达到土层击实要求，杜绝漏夯、夯实不密实、夯实不充分等不利于施工的疏漏，从而达到湿陷黄土地基处理的标准。根据冲击能量的大小，将夯实种类分为强夯和重夯两类。

采用重锤处理地基的方法挖、填土方少，成本较低，机械化程度高，施工周期较短，但缺点是不能夯实含水率高的地层（如图2）。冲压法的优势在于：成本低、人工操作简单、施工时间短、夯实度良好，具有高效的技术保证快速的施工进度。借夯锤从高处下落时携带的强大冲击力和接触地面产生的震动，将夯面以下的地基土夯压密实，从而消除地基土的湿陷性，改善地基土的工程性能。强夯法处理地基噪音较大，且施工机械大而复杂，在施工过程中会产生大量尘土，污染生活环境，靠近市区周边住房会严重影响居民生活。所以应该应用于远离居民生活社区、机场、高速公路、铁路及高铁等方面。通过强夯法夯实地基达到密实状态，提高地基土承载力，以降低湿陷性的发生，保证建筑的安全稳定，维护人民财产安全。

图2 重锤夯实法

4.3 挤密桩法

利用锤击打入、爆破或振动沉管将桩打入土层，使地基土体在桩或者沉管作用下挤密土，将准备好的渣土或灰土等回填料在最佳含水率分层填入。施工前应夯实地基，确定填料量和夯击次数。挤密桩法适合解决地下水位线以上的湿陷性黄土，处理深度可达0~10m，从桩的角度挤密改变土层的湿陷性，提高地基承载力。常用的是DDC 桩挤密法，采用DDC 法灰土来进行夯实工作，采用钻孔机打桩成孔，将2:8 或3:7 灰土混合填料回填孔内，桩孔的直径一般在350～450mm 之间，桩孔布置位置不应太稀疏也不应太紧凑。采用强夯法，使得填料与周围土层压缩挤密形成新的加固体，从而提高地基现有的承载力。该方法成本较低，加固效果好，适用能力强。

4.4 排水固结法

排水固结法是在黄土地基中预先设置排水带等，预先在建筑施工前施加压力，使土体中的孔隙水排出，土层发生沉降，待剩下土体慢慢密实固结，同时强度慢慢提高的方法。

排水固结法主要用于解决地基的不均匀沉降和稳定问题。其已经运用了十几年了，有相当成熟的经验。在建设过程中，为提高排水整合，缩短排水距离，加速基础土壤全段强度增长，保证基础承载容量始终保持基础稳定性，高于建筑荷载增长率。排水整合的方法适合于饱和和弱土层的处理，但要注意处理通透性很低的泥炭土壤。按照采用的各种排水技术措施的不同，排水固结法可分为堆载预压法、真空预压法、降水预压法、电渗排水法。排水固结法的优点有经济效益高、成本低、工期时间短等。

4.5 桩基础分为端承桩和摩擦桩

由于摩擦桩是利用桩侧摩阻力与土体之间摩擦来承载上部附加荷载。当黄土出现湿陷性，受水侵蚀后，土体胶结能力变差，土壤结构发生改变，土体流失，则桩身与土体之间摩阻力减少，危害上部结构的安全。因此，湿陷性黄土地区不能使用摩擦桩。当采用端承桩时，上部建筑荷载由坚硬岩层承担，直接由桩尖的向上支持力分担。但是缺点是施工周期长、地层情况复杂，桩的质量无法保证。

5 工程案例

5.1 概况

规划工程场地为典型的湿陷性黄土场。前期经过改造后，最初的地形环境和地质条件和之前大为不同，拟建住宅区，建筑结构为框架剪力墙结构，地面以上18 层，地下1 层，室内外高差为0.45m。地基处理面积约为1800m3。自重湿陷性黄土场地，湿陷系数在0.016-0.026 之间，地基湿陷等级为IV 级。湿陷性黄土力学参数见表1。

表1 黄土力学参数

5.2 处理措施

地基处理采用灰土挤密桩法，在进行桩位放样之前，施工单位需要及时清理施工现场的全部杂物，根据桩位平面设计图，标定施工顺序与施工编号，施工人员严格按照平面图标准来进行桩位放样施工。选用冲击沉管方式来挤压地基，以形成桩孔，配置DD-25 锤击式柴油打桩机，其中锤的重量应大于桩管的重量，土料与石灰是主要施工材料，桩身填料为3∶7 灰土，在充分混合土料与石灰以后，对填料进行分层回填，每一层的厚度应控制在0.4m 以内，能够产生胶泥的作用，严格检查灰土挤密桩的垂直度与孔径大小。当灰土挤密桩成型以后，施工单位需要铺设塑料薄膜来有效养护灰土挤密桩，养护7d 左右。

本工程灰土挤密桩总桩数为2800 根，桩顶标高为-6.36m，设计桩长为20.0m，成孔直径400mm，夯扩后桩径不小于550mm，桩中心距0.85m，呈等边三角形布置。设计要求桩身灰土压实系数不小于0.97，桩间土平均挤密系数不小于0.93，湿陷性应消除，地基处理后复合地基承载力特征值不小于330kPa[5]。

5.3 湿陷性黄土对工程沉降影响

根据室内试验成果数据，按分层总和法对各探井位置取土沉降量进行预估，结果如表2 所示。分层厚度2m，压缩模量取值按各深度自重压力大小参照各探井试样试验值选取；考虑到工作重点为填土，简化起见，未考虑填土层下黄土状粉土层压缩变形。

表2 沉降量预估

从表2 中可得：压实填土后期沉降量较小，一般为3~10.5cm，松散填土层后期沉降量较大，按其厚度、密实程度不同从33.7~81.5cm 不等，总沉降较大。采用灰土挤密桩总沉降提高36%~100%。

5.4 效果评价

灰土挤密桩承载力特征值需进行单桩承载力静载试验加载来确定，抽检比例为总桩数的0.4%，选取10 个测试点，加荷分为9 级，首次加荷132kPa，以后每级以66kPa的压力递增，试验终止荷载为660kPa（等于设计值的2倍）。路基沉降4mm 时的承载能力为330kPa，完全满足设计要求。

黄土湿陷性的消除检测是通过对桩间土样的室内土工试验来实现的。桩间土样的选取方式是从设计桩顶下0.5m 处开始，在探井周边3 根桩桩体上各取灰土试样1件；分别在两桩中间处、三桩形心处各取桩间土样1 件，对桩间土进行试验分析。各土样的湿陷系数均小于0.015，表明经地基处理后，处理深度范围内地基土的湿陷性已消除。

6 结语

本文总结黄土湿陷性的成因，黄土结构中大颗粒的表面形状与黄土的湿陷性有关，从微观结构分析，由于大颗粒间没有进行填充，胶结力越小，大粒径颗粒之间的孔隙越大，使孔隙不利于填充。孔隙比越大，其湿陷性越大，两者之间呈正相关。整理黄土的湿陷性防治措施采用垫层法、碾压夯实法、挤密桩法、换填法等方法处理湿陷性黄土地基，可有效地减少黄土的湿陷性，得到土质良好符合工程建设要求的合格地基。分析工程实例，采用挤密桩分析地基预估沉降，对挤密桩效果评价，地基处理效果满足建筑物的正常使用要求。