湿陷性黄土地基的沉降规律与特征研究——以某商业楼倾斜事故为例

张振海

（海口江东新区开发建设有限责任公司，海南海口 571127）

0 引言

建筑物的沉降处理是基础工程的难题之一，目前尚无法彻底解决。该问题在我国的基础工程中表现明显，工程中普遍存在重视承载力而轻沉降防范的现象，其根源在于设计方面存在的机制性缺陷，即对沉降控制的不重视。同时，由于新中国初期引入前苏联的规范编定《天然地基设计暂行规范》（简称“规结7-54”）[1]，也影响了中国地基工程的实施，并引起了地基沉降方面的一些弊端。具有典型代表性的基础工程沉降案例，如上海展览中心（系前苏联建筑家设计）从1954 年开始建设到2000 年为止沉降达1.9m[2]。

本文以此为背景，以山西某坡地楼为例，分析建筑物在湿陷性黄土地基沉降中的规律与特征。目前针对此类问题的研究，大多集中在分析其处理方面，而对于系统性的原因剖析、规律分析等研究方面却鲜有涉及，本研究正是对此方面的补充。

1 案例建筑物沉降分析

1.1 工程概况

山西某坡地楼由于遭遇特大暴雨，雨水浸泡导致发生了严重的沉降，如图1—图5 与表1 所示。

图1 倾斜建筑外貌(背面)

图2 倾斜建筑物内貌(裂）

图3 正面轴线的沉降曲线

图4 背面轴线的沉降曲线

图5 倾斜观测测点位置示意图

表1 倾斜观测结果数据统计表

1.2 案例地基的土层构成

地基主要构成如下：①层为素填土；②层为湿陷性黄土，基础位于此层；③层也为湿陷性黄土；④层为粉土。土层厚度与承载力特征值如表2 所示。

表2 土层倾斜观测结果数据统计表

1.3 沉降原因分析

沉降由三部分构成：（1）坡底处靠近地库，开挖时局部放坡，施工时采用回填土夯实的办法对此地基进行处理，此处的设计为条形基础的结构支撑；（2）坡底下部地势低，下侧面又有车库的顶板与侧板阻挡了流水，形成更多积水向下渗透后导致的沉降更多；（3）土壤在受建筑荷载后形成的正常沉降占一定数量。

案例建筑物地基在回填土多与浸水多的一侧产生的沉降多，而中间部位产生的沉降小，形成了不均匀沉降。

1.4 危害的表现形式

案例建筑物的危害主要表现在4 个方面：（1）变形量（最大点处297mm）及转角斜率已超出《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中的限值1%要求；（2）墙最大裂缝宽度已达约20mm，梁处已达约2mm；（3）楼板裂缝主要分布在一层顶板上，楼板上表面受拉力作用产生较为明显的裂缝，楼板下表面受挤压作用裂缝表现不明显；（4）三部楼梯的梯梁均有不同程度的断裂，形成明显的变形特征——错位、扭曲，如图2 所示。

1.5 危害的隐患分析

（1）《危险房屋鉴定标准》（JGJ 125—2016）4.2.1-3 规定，因地基变形引起框架梁与柱出现开裂且房屋整体倾斜率大于1%时，该建筑物已处危险状态。

（2）存在裂缝均为不均匀沉降所产生，涉及到主体结构受损。墙体的裂缝对构件的整体性和使用功能产生影响，梁裂缝对结构的承载力有影响且会引起侵蚀。

（3）产生的主要原因是由于线管对截面的削弱作用，其次是受到地基不均匀沉降变形而开裂，且会引起侵蚀。

（4）楼梯梯段板与楼梯梁的滑动变形量较大且已断开，对楼梯的使用功能有影响。

2 建筑物沉降的理论分析

2.1 地基沉降的组成部分

地基的沉降包含瞬时、固结、蠕变，如公式（1）所示：

式中：ST为总沉降量；Sd为瞬时沉降（地基土在加载瞬间土体孔隙中的水来不及排出，孔隙体积尚未变化，地基土在荷载作用下发生剪切变形时产生的地基沉降）；SC为固结沉降（地基土在荷载作用下超静孔隙水压力逐渐消散，孔隙水排出而孔隙体积减小，土骨架产生变形所造成的沉降）；SS为蠕变沉降（地基土在经历长时间荷载作用下，土体中超孔隙水压力已完全消散，有效应力不变的情况下，由土的固体骨架长时间缓慢蠕变所产生的沉降）。

2.2 地基浸水后形成剧烈沉降

（1）不浸水状态下的沉降。首先是瞬时沉降，在建设期间内完成；其次是固结沉降，大约在1～5 年间完成；最后是蠕变阶段，此过程非常漫长，可达数十年或百年。沉降与时间成正相关性，规律是先快后慢；坐标轴反映为起点位于零点，终端接近或达到某一直线。

（2）浸水状态下的沉降。案例中以主体结构完成后的布点作为沉降起始值，共进行了三次观测；在正常状态下沉降量很小，两个月的时间内沉降值不到1mm，但一旦浸水后则沉降量增加到近千倍，如图6 所示点位与表3 所示沉降值。

表3 沉降观测结果数据统计表（单位：mm）

图6 沉降观测布点示意图

3 黄土的一般特征分析

3.1 特征

黄土形成于第四纪，颜色以黄色、黄褐色、淡黄色为主，分布在气候干旱地区，以粉粒为主，大孔隙、欠压密、垂直的节理发育，富含可溶盐等。颗粒组成以粉土为主，其中细粉粒（0.005～0.010mm）的含量小于粗粉粒（0.01～0.05mm）的含量，孔隙率一般为35%～60%，含有大量的硫酸盐。

3.2 分布

黄土在全世界分布广泛，约占地球陆地总面积的9.3%（约1300 万km2），其中美洲15%、欧洲7%、亚洲3%，大洋洲与非洲北部也有零星分布。

中国的黄土面积约63.5 万km2，分布在北方地区，即北纬33°～47°之间，而其中以34°～45°之间最为发育。其中湿陷性黄土约占黄土分布总面积的约60%，分布的主体为黄河中游地区，东起太行山，西至乌鞘岭，南起秦岭，北达长城附近（东经102°～114°，北纬34°～41°之间）。湿陷性黄土往往覆盖在非湿陷性黄土层上部，厚度可达30m，如六盘山以西地区；薄处仅几米，如汾渭河谷，向东至河南西部则更少。

3.3 结构

绝大部分聚集成由微晶碳酸钙凝聚的集粒式“凝聚体”（单个“片状”很少），此凝聚体具有外轮廓与单独发挥作用的功能。凝聚体与原生碎屑矿物共同组成结构的“骨架颗粒”，以空间结构力学进行分析，认为其结构是由此“骨架颗粒”连结成的空间结构体系[3]。

浸水后受到的结构破坏，其机理反映在两个方向：一是起胶结作用的物质融于水中，使原有结构骨架瓦解失稳；二是大、中型孔隙随着骨架颗粒的滑移而坍塌，使孔隙总量减小，原有体积变小，所承载的建筑物下沉。

4 湿陷性黄土特征分析

4.1 现象

“湿”指水，“陷”指下沉变形。湿陷性缘于受到水的作用，颗粒之间的连接力变小，框架之间的结构分解后重新组合且排列更为紧密，形成新的更小孔隙。

（1）对水的敏感性体现在形变与强度等方面，而湿陷性又与土壤中的含水率、孔隙性、成因、深度、成壤作用等具有相关性，这些因素可用土工试验所测定的指标反映。

（2）中国的黄土在空间布局上湿陷性从强至弱具有三个规律：纬度方面自西北向东南方向（与地域的降水量负相关）、空间方面自上层到下层、时间方面自新到老。

（3）失陷性黄土存在着变形量较大的特征，其变形量是正常压缩变形的几倍到十几倍，且发生速度较快[4]。

4.2 系数

湿陷系数是评价黄土湿陷性的一个重要指标，是指在一定压力下土样浸水前后高度之差与土样原始高度之比，如表4 所示。湿陷系数按公式为：

表4 湿陷性土壤的规定与分类

式中：hp为保持天然含水率，加压至一定压力下沉稳定后的高度；为上述加压稳定后的土样在浸水作用下，下沉稳定后的高度；h0为土样的原始高度。

（1）黄土的天然孔隙比与湿陷性系数成正相关。有研究得出，孔隙比e＜0.780 时，δs＜0.015，即湿陷基本消失；孔隙比e＞1.026时，湿陷性强烈[5]。

（2）黄土的含水率与湿陷性系数成负相关。有研究得出，当土样的含水率达到最优含水率时（约18%），湿陷性系数最小[6]。

（3）湿陷变形系数与土的饱和度的增长成负相关。有研究得出，饱和度Sr＞65%时，δs＜0.015，即湿陷基本消失[7]。

（4）黄土的干密度与湿陷性系数成负相关。有研究得出，湿陷性黄土干密度约在1.45g/cm3时，湿陷系数基本为零[7]。

（5）黄土的压缩模量与湿陷系数成负相关。土质越密实，可压缩性越小，湿陷系数则越低。

4.3 成因

（1）毛细管力学分析。源于太沙基的毛细弯管液面理论：土内部的不连续性水分，积聚在颗粒接触点时，其相邻颗粒孔隙中的水分与空气交界处的表面张力迫使土粒拉聚在一起，土受到水浸入后表面张力消失，土壤结构随后溃散收缩。

（2）溶盐分析。以波雷诺夫和波斯特罗夫分别提出的盐类溶解理论为代表：黄土中存在可溶性盐类，浸水的条件下此部分易溶盐类处于微晶体的状态，并且其附着在颗粒表面呈胶结状态而具有内聚力；当受水浸湿后易溶盐溶解，内聚力消失而体积缩小。

（3）胶体不足。以安德鲁欣所提出的理论为代表：湿陷性是含有小于0.05mm 颗粒小于10%的土体所固有的性质，此类土体缺少胶体部分，当胶体数量达到某一程度，则膨胀可防止湿陷的发生，否则发生湿陷。

（4）水膜楔入。以捷尼索夫提出的理论为代表：低含水量的黄土在细颗粒表面包裹着结合的水膜往往很薄，溶解在其中的阴离子与阳离子的静电引力较强，将表面带负电荷的粘粒连接起来则形成凝聚强度；当水进入土中后结合水膜变厚，如“楔子”一样将颗粒分开，使土粒表面产生膨胀与体积增大，引力减弱与凝聚强度降低后造成体积变小与土体沉陷。

（5）欠压密。在干旱的气候条件下，土体所含水分在沉积过程中蒸发消失，而所含盐类析出后形成凝固胶体，固化所产生的粘聚力阻碍上层对下层土体的压密，从而形成欠压密状态。经过长时期的堆积，形成间隙较大的欠压密松土层，浸水后固化粘聚力消失而变形沉降。在土壤形成过程中，当降水量少或干旱期长时欠压密程度大，且欠压密土层也较厚。此理论易于解释中国黄土西北部湿陷性强，而东南部弱的规律。

（6）结构分析。高国瑞[8]研究开创微观领域，是对湿陷性黄土研究的突破，谢婉丽等[9]的研究更进一步，从黄土的微结构类型阐述黄土的湿陷性。此理论总的观点认为，不但黄土颗粒之间存在空隙，而且颗粒内部也存在空隙。

（7）其他。王家鼎等[10]研究得出黄土的液化系外动力因素地球脉动引起，从而导致黄土自重湿陷。沈珠江[11]研究认为广义吸力的丧失将促使欠压缩土和超压缩土全部向稳定状态发展。这些理论创新湿陷性成因研究的进一步发展。

以上理论可总结为三类：①力学成因(包括毛细管力、水膜楔入、抗剪强度降低、脉动液化及微结构不平衡)；②物质成因(包括盐溶和胶体不足)；③结构成因(包括欠压密、结构、稳定状态发展)。但是三类理论都无法完全解释湿陷的机理，目前仍以结构学说为主流进行工程的理论指导与实践，效果较明显。

4.4 影响因素

（1）孔隙。黄土的孔隙比与黄土湿陷系数成正相关，随着孔隙比的增加，黄土湿陷系数也增加。黄土孔隙中的大、中孔隙与湿陷正相关性更强，有研究[12]得出的数量关系如式（3）所示：

式中：δs=为湿陷系数；A 与B 为统计参数，与土体性质和外加荷载有关；e 为常数；J 为大、中孔隙的含量。

（2）天然含水率。天然含水率与湿陷性为负相关，但到达一定的数值后湿陷停止。以陕西为例，西安地区ω＞24.0%、咸阳地区ω＞29.0%时湿陷性微弱，而ω＞30%时基本不考虑湿陷性[12]。

（3）可塑性。湿陷性黄土的塑性指数与湿陷性为负相关。黄土的三个指数（液限、塑限和塑性）差别小且都与湿陷系数为负相关；湿陷系数与液性指数无相关性（液性指数往往很小且所处的状态往往较好）。

（4）盐类含量。易溶盐类浸水后溶解于水中，进而产生体积的变小。中溶与难溶盐类是减少湿陷的一个重要的因素，其中难溶盐在黄土中既可起骨架作用又可起胶结作用。

（5）矿物质组成。黄土的成分中包含石英等矿物质，其中伊犁石和蒙脱石的含量对黄土的湿陷影响较大，呈正相关性。

5 防范过度沉降的措施

5.1 防范常规土沉降的方法

（1）被动式。原状的土壤沉降量不易控制，可采用预留沉降量的被动方式。有研究得出，按土壤压实率（常规为90%～97%），事先按填土高度0.5%～5%进行预留沉降量（高出设计面），则可以在沉降相对稳定后达到设计面[13]。

（2）主动式。包括夯实法、置换法、预压法、搅拌法、桩等，如表5 所示。

表5 防范类似沉降问题产生的方法

目前随着建筑物体型越来越高大，其荷载也越大，桩基础的型式既能有效增大承载力，也能控制沉降。特别的长桩型（40m＜桩长＜80m）或超长桩型（桩长≥80m）的超高层建筑物，可将其沉降量控制在60～100mm，并且其反映在断面上也较为均匀。

5.2 防范湿陷性沉降的方法

（1）优先选用桩基础。可有效防范浸水的危害，在建设与使用的几十年甚至上百年的时间内，能有效防范雨水或生活使用水的侵蚀，是消除湿陷性沉降的最有效方法之一。即使有水渗入也只会产生浅层土的下降，不影响桩基下层的受力状态。

（2）事先水浸渗透法。在拟建基础部位用水浸渗，达到事先沉降。①传统浸泡法，湿陷土层厚度在10m 以内，浸泡约35 天；完成浸泡后抽水与晾干，半年之后再进行施工；上部5m 内土层虽经浸渗处理，但仍然存在着外荷湿陷性及二次湿陷问题，需要通过挤密桩等技术方法，将上部地基承载力传递到下层土壤。②砂井增湿法强夯法，砂井注水对地基增湿，再采用强夯法加固。

（3）防水措施。在建设过程或使用过程中，在基础部位设计排水与防水措施，防止水渗入到基础部位，如防水的排水沟、排水管道、地面硬化等措施。

6 不均匀沉降发生后的纠偏

6.1 非湿陷性黄土地基发生不均匀沉降后纠偏方法

将此类土壤地基发生不均匀沉降后的纠偏方法归纳为7 种，如表6 所示。

表6 非湿陷性黄土地基纠正建筑物的方法与其机制原理

建筑出现不均匀沉降后，需找出原因进行针对性治理。如比萨斜塔采用“制定方案、监测实施、防范措施、施工纠偏”等方法；大雁塔采用“人工干预升降水位”等方法；虎丘斜塔采用“围合、灌浆、盖板、换柱”等方法；加拿大特朗斯康谷仓采用“新建基础、顶升、替换”等方法。

6.2 湿陷性黄土地基发生不均匀沉降后纠偏方法

湿陷性黄土地基既有建筑物产生不均匀沉降且造成倾斜，常用的纠正加固方法主要有5 种，如表7 所示。

表7 湿陷性黄土地基纠正建筑物的方法与其机制原理

6.3 案例采用的方法

本文案例所涉及的浸水后沉降的建筑物，面积约为550m2，经评估采用纠偏与加固的措施，所需费用约为100～150 万元，而拆除及重建的费用约为100～120 万元。为达到治本目的，选择后者。

方案一：由原来的条形基础改为第二次桩承载力结合基础梁，桩长约10m。方案二：在原有基础的高度再向下深挖3m，与旁边地下室的基础平面处于同一平面，设置一大筏板作为整体式地下承台，从而防范沉降，再以砖墙作为承重结构向上至地面。

方案一由于桩机再次进场与再次采购桩的困难以及成本高而遭到否决。方案二在施工的便利性与经济性方面都具有优势，通过对比选择方案二，可达到事先水浸与深埋满堂筏板结构的双重防范效果，有效防范再度发生水患。

7 结语

本文选择某案例工程分析其沉降的原因与表现形式，从理论视角分析了建筑物沉降的组成及其与时间的相关性。进一步分析了黄土特征与黄土的湿陷性特征，从黄土的特点、分布、结构三方面与黄土的湿陷性现象、湿陷性系数、湿陷成因、湿陷的影响因素四方面进行了阐述，得出湿陷性黄土地基的沉降规律与特征。最后总结了防范沉降与纠偏的主要措施与方法，介绍了案例所采用的纠偏方法。