论湿陷性黄土地区地基处理的问题

2022-11-12王秀荣

建材发展导向 2022年17期

王秀荣

（太原市建筑设计研究院，山西太原 030002）

1 湿陷性黄土遇水塌陷的根本原因

由于我国地理环境，地形高差、气温、雨量、地质成因和地质历史不同，加上组成土的物质成分和次生变化等多种复杂因素，形成了若干性质特殊性的土类，包括湿陷性黄土、膨胀土、红黏土及多年冻土等。

今天我们就来谈谈湿陷性黄土，湿陷性黄土在中国分布较广，面积约45万km，主要分布于山西、陕西、甘肃等大部分地区，河南西部和宁夏、青海、河北的部分地区，新疆、内蒙古和山东、辽宁、黑龙江等省、自治区的局部地区亦有分布，这些地区一个共同的特点是年降雨量比较少，地下水位比较低。

湿陷性黄土的特性为一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，在天然湿度下，其压缩性较低，强度较高，类似于蜂窝，自身结构非常好，强度特别高，正常情况下，湿陷性黄土的地基承载力特征值都比较高，但是由于其主要成分为硫酸钠、碳酸钠、碳酸镁和氯化钠等物质，遇水浸湿时，会溶于水，土中胶结力会大为减弱，导致土中蜂窝状结构破坏，土粒变形，在上部附加压力或土的自重压力作用下，土体被压缩；从而，宏观上看，土的强度显著降低，在附加压力或在附加压力与土的自重压力下引起的湿陷变形，对于建造于其上的建筑物或构筑物来说是一种下沉量大、下沉速度快的失稳性变形。对建筑物危害性大。为此规范规定，强调在湿陷性黄土地区进行建设，应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜，采取以地基处理为主的综合措施，防止地基浸水湿陷对建筑物产生危害。

2 湿陷性黄土地区水源情况

下面就影响湿陷性黄土的 “水”的问题来阐述一下；以山西省为例：山西省地处中纬度地带的内陆，在气候类型上属于温带大陆性季风气候。由于太阳辐射、季风环流和地理因素影响，山西气候具有四季分明、雨热同步、光照充足、南北气候差异显著、冬夏气温悬殊、昼夜温差大的特点。

山西省各地年平均气温介于4.2～14.2℃之间，总体分布趋势为由北向南升高，由盆地向高山降低；全省各地年降水量介于358～621mm之间，季节分布不均，夏季6—8月降水相对集中，约占全年降水量的60%，且省内降水分布受地形影响较大。由于雨水分布较集中，从而导致湿陷性黄土场地若不加处理或处理不当，沉降事故多出现在夏季6—8月份，个别工程由于地下水输理不当，也会导致不均匀沉降，造成不可挽回的经济损失。

3 湿陷性黄土场地地基处理要点

我们执行《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50028—2018时应该从严处理。

3.1 处理深度问题

我们在执行规范中的第6章时，应从严执行，如：第6.1.3条规定：乙类、丙类建筑应采取地基处理措施消除地基的部分湿陷量。当基础下湿陷性黄土层厚度较薄，经技术经济比较合理时，也可消除地基的全部湿陷量或将基础设置在非湿陷性土层或岩层上，或采取桩基础穿透全部湿陷性黄土层。在执行该条时，如果条件允许，尽量选择全部消除湿陷，尤其是上部结构比较异性，容易发生不均匀沉降时；如果条件不允许考虑到全部消除湿陷确实经济上与部分消除相差比较大时，那么执行第6.1.4条、6.1.5条；这里要特别强调在执行6.1.4-2：（乙类建筑自重湿陷性黄土场地，处理深度不应小于基底下湿陷性土层2/3，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于150mm；）以及6.1.5：（丙类建筑自重湿陷性场地，处理厚度≥2.5m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200mm；按剩余湿陷量计算的处理厚度大于6m时，处理厚度可适当减小，但不应小于6.0m，）时，地基处理深度应比按地勘报告提供的剩余湿陷量计算深度，适当加深1～2m，因为地勘上的勘察点位也是随机取得，并没有显著的代表性，而且，勘察点位之间的距离也比较远，有时，我们在地勘报告上也能发现，两个相邻的勘察点位之间，土层的变化是很大的，所以适当从严执行规范是对设计人员自身的一种保护策略，同时对甲方也是一种负责任的做法，毕竟处理深度加深1～2m，尤其对于素土挤密桩或灰土挤密桩来说，经济上不会造成太多的增加，然而，一旦出现不均匀沉降，想要补救的话，造成的代价就大多了；而且，不管是对建设方、设计方还是施工方，以及监理，审图等都会造成不必要的影响。

3.2 处理的平面范围问题

采用地基处理时，平面处理范围也应该大于建筑物基础宽度，执行规范6.1.6条的规定：1）非自重湿陷性黄土场地可采用整片或局部处理地基，自重湿陷性黄土场地应采用整片处理；2）当为局部处理时，其处理范围应大于基础底面的面积。且每边应超出基础底面宽度的1/4，并不应小于0.50m；3）当为整片处理时，平面处理范围应大于建筑物外墙基础底面。超出建筑物外墙基础外缘的宽度，不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2m。以上这些规定都是用来防止地上或浅层地下水，从建筑物侧面像基础底面以下土层中渗漏。

4 工程实例

下面以我最近遇到的一个工程为例，希望大家更加重视湿陷性黄土地区地基处理的重要性，能够更加清晰的理解我上面讲的一些道理。

4.1 工程概述

我设计的项目为五栋叠拼住宅，项目建设地点位于太原市小店区，东山上某地，叠拼式住宅楼，共四个单元，地上三层，地下一层，地下一层为设备用房和库房；地上三层均为住宅，其中一层为平层户型，二三层为跃层户型，本住宅楼南北向均设内院，一层住户出入口设在南院，二层住户出入口设在北院，通过室外楼梯和家用电梯到达二层，用院隔墙将本住宅分为四个单元，每个单元三户，共12户。工程总建筑面积2631.08m，其中地上建筑面积1722.75m，地下建筑面积908.33m。建筑基底面积696.73m。

4.2 结构形式分析

工程的主楼结构形式为剪力墙结构，合理使用年限50年，抗震设防烈度8度。对于结构专业来说，面积不大，层数不高，但是装修规格，标准要求都比较高。所以对于甲方来说，又想把楼干好，经济上又不想多花钱，对于我们设计来说，也觉得层数不高按规范地基处理简单处理一下就可以了；然而，先让我们看一下勘察单位提供的地质勘察报告吧！

4.3 建筑场地地质情况概述

本工程场地北高南低。场地东北侧为黄土坡，高于现地面约17m左右；东南侧存在大量杂填土，杂填土坡高17m左右，杂填土成分主要为生活垃圾及建筑垃圾。地面标高介于809.04m（151钻孔）～826.51m（12钻孔）之间，最大高差为17.47m。地基土构成及岩性特征：第①层：人工填土（Q）

第①层：杂填土杂色，主要由水泥、砖块、石块、灰渣、塑料袋等建筑垃圾及生活垃圾组成，成分杂乱，均匀性差，最大厚度为现地面下33m，为长期堆积，堆积年限不超过10年。

第12层：素填土黄褐色，以粉质黏土为主，混粉土，含砖屑、灰渣、植物根系等成分，结构较松散，力学性质不均匀。标准贯入试验实测锤击数介于4.0～13.0击之间，平均8.3击。堆积年限不超过10年。土层厚度为1.2～4.5m。

第2层：湿陷性粉质黏土（Q）褐黄色，含云母、氧化物等。无摇振反应，稍有光泽，干强度及韧性中等。呈可塑状态，具高～中等压缩性。具湿陷性，湿陷程度严重。标准贯入试验实测锤击数介于9.0～18.0击之间，平均12.7击；静力触探锥尖阻力q厚度加权平均值为2.82MPa，侧壁摩阻力f厚度加权平均值为109.29kPa，摩阻比F加权平均值为3.80%。土层厚度为12～14m，地基承载力特征值为120KPa。

第3层：粉质黏土（Q）黄褐～褐红色，含云母、氧化物等。无摇振反应，稍有光泽，干强度及韧性中等。呈可塑状态，具中等压缩性。标准贯入试验实测锤击数介于15.0～25.0击之间，平均19.0击；静力触探锥尖阻力q厚度加权平均值为3.91MPa，侧壁摩阻力f厚度加权平均值为158.43kPa，摩阻比F加权平均值为4.12%。土层厚度为4.3～6.0m，地基承载力特征值为200kPa。

4.4 所采用的地基处理方法

地下室层高为3.5m，基础采用钢筋混凝土墙下条形基础+防水板，基础厚度为0.5m，所以基础埋深3.85m，基础持力层为第二层，湿陷性黄土层，地基承载力为120kPa，满足基础对持力层承载力的要求；但场地属于自重湿陷性场地，1#～2#楼地基湿陷等级为Ⅲ级（严重），其余各拟建建筑物地基湿陷等级为Ⅱ级（中等），按照《湿陷性黄土地区建筑规范》GB 50028—2018，需要进行地基处理消除湿陷，根据勘察单位提供的《岩土工程勘察报告（详勘）》，湿陷土层厚度比较厚，全部消除湿陷需要付出不小的代价，故选择部分消除湿陷，处理深度执行第6.1.5条，处理方法，根据当地经验，多方对比，采用素土挤密桩，控制桩长，按照地勘报告，桩长控制在剩余湿陷量刚刚小于200mm，满足规范要求，经济上也是最合理最经济的。

然而，2021年10月2日～6日，持续4d的强降雨彻底摧毁了我之前对湿陷性黄土地区地基处理的认知，不在想着一点一点的往下扣处理的深度，既能迎合甲方想要省钱的想法，又满足了规范的要求。

4.5 工程事故概述

去年，我所设计的这个工程还正在施工阶段，有一个室外的楼梯，该楼梯是仅仅与一个外挑的阳台梁连接的，去年暴雨过后，楼梯梯板与阳台梁的连接部位开裂了，裂缝宽度有2cm，同时，上面的后砌隔墙也开裂了，有斜向裂缝，与主体混凝土墙体连接部位还有竖向通缝，裂缝宽度，最宽处也有2cm左右，造成的影响特别不好，究其原因，则是因为地基沉降不均匀造成的，所幸的是只施工了一栋楼的楼梯，后期加固费用也不算太高，然而对于我一个有着将近二十年工作经验的老设计师来说，简直太丢面子了，虽然，我们设计的每一个要点都能满足规范的要求，技术层面上不能说是设计的失误，然而哪怕是一个小小的工程事故对于我们每一个设计人员或施工人员乃至建设方，都是不愿意看到的结果；所以对于湿陷性黄土地区的建筑地基处理要慎之又慎，决不能掉以轻心，而且不光要注意大面积的地基处理方案，对于特殊部位应单独考虑，采取一些措施，花小钱办大事。

4.6 工程事故发生的原因分析及改进办法

首先，本工程为叠拼建筑，每户都有自己的独家小院，地下室和一层为一户、二层三层为另一户，一层这户的小院布置在北侧，入户门直接布置在北侧；二层这户的小院布置在南侧，入户门通过小院的一步户外楼梯直通二楼，由于该楼梯进深方向与主楼垂直，并且是与主楼的一个外挑阳台相连，楼梯起步的位置距离主楼较远，楼梯基础与主楼基础及竖向构件只能分开设置，靠出地面位置处的一根拉梁与主体连接，连接拉梁的高度按跨度的1/8设置，刚度还算不小，然而当去年的大雨来临，基坑没有及时保护，下部未处理的湿陷土受水侵蚀，发生下陷，主楼与楼梯下陷深度不一，造成了楼梯与主体阳台梁被拉裂。仔细想来，如果我们足够细心，用一种严肃认真的态度去思考，去分析每一个薄弱环节，哪怕就像这个工程里这个看上去不是很起眼的，不能引起我们足够重视的楼梯；这件事情的发生给我敲了一个不小的警钟，仔细想来，实际上有好多构造上的措施，都可以避免这件事的发生。

4.6.1 改进方法一

本工程由于是部分消除湿陷，那么上部设置一个隔水层就非常必要了，设计时素土挤密桩上部设置了300mm厚的3∶7灰土褥垫层，有隔水的效果，但是平面覆盖范围比较小，每边只宽出桩外边线500mm，没能阻止水的渗透，事故发生后，建设单位组织了专家论证会，一位非常有经验的岩土工程的专家说，尤其是在我们的湿陷性黄土场地，土地含水率极低，最大含水量只有19.9%，当初素土挤密桩施工时，对场地进行了增湿处理增湿孔孔径200mm，孔心距与挤密桩的孔心距重合，成孔深度小于桩身1m。孔内注水量达到了0.08m，再打桩才打出了满足设计桩间土平均挤密系数≥0.93，最小挤密系数≥0.84，填料的平均压实系数不小于0.97的合格的素土挤密桩，专家指出，这种场地，对水的渗透性是非常好的，他们曾经做过一个实验，一场为时一小时的大暴雨过后，他们对类似的场地进行过勘探，发现水的渗透深度约有10m之深，前面开篇已经讲过了，湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，具有大孔和垂直节理，当遇水后，内部结构发生变化，受上部附加荷载或土的自重压力作用，压实了便也下沉了，所以在上部结构连接的薄弱部位，对应的地基处理深度适当加深，以本工程为例，楼梯基础底面积1.4*1.4=1.96m每边宽出基础外边缘为3m，及每个楼梯基础下54.76m的素土挤密桩约80根桩，每根桩加长2m，每米的造价按30元计算，每个楼梯下增加费用4800元。

4.6.2 改进方法二

本工程上部楼梯采用板式楼梯，与主楼的阳台封边梁只有板的钢筋连接，由于一起施工难度较大，现场施工采用分开施工，及先施工主体结构，再施工楼梯，梯板钢筋也没有做好预留，而是在阳台封边梁上采用植筋的形式，然而阳台封边梁的宽度只有200mm，不能满足上部钢筋受拉的要求，自然而然形成了一个铰接连接节点，控制不了他们之间的裂缝。如果当初设计时，有这种忧患意识，把与阳台封边梁连接的这一梯段设计成梁式楼梯，增加了楼梯与阳台封边梁的连接刚度，将会把薄弱部位转移到离阳台封边梁更远的梯段板上，即便发生不均匀沉降，加固也相对容易一些，所需费用会降低一些。

4.6.3 改进方法三

由于上部荷载承载力要求较低，本工程楼梯平台处梯柱基础采用的是钢筋混凝土柱下独立基础，独基与独基之间以及独基与最近的主体外墙之间均设有拉梁，若改为整体性更强的梁板式筏板基础，按构造只在筏板上皮增加了C10@170的钢筋，每个楼梯下增加的钢筋总量不到2kg，却可以让楼梯基础的整体性更强。