浅谈西北地区房建工程湿陷性黄土地基处理研究

徐 昕（兰州博文科技学院，甘肃 兰州 730101）

上新世末我国黄土高原地区高差相对较小，没有太多的沟壑，比较广阔、平坦，属于湿热的草原环境。到第四纪初，随着地壳的不规则运动，导致青藏高原逐渐上升，改变了原有的地形特征，阻挡了季风的迁移，同时诱发了大气环境的改变。从上新世纪后期开始，我国西北地区的气候变成了干旱和半干旱气候，这也为后期的黄土形成奠定了基础。黄土的形成距今已有260 万年以上，其形成过程主要分为三个阶段：第一是黄土物质堆积阶段，以粉土颗粒为主；第二是形成黄土堆积物的特殊胶结结构；第三是形成风化层或土壤层，或由于天然压实而失去黄土的特殊外观和原有的结构特征［1］。

1 黄土的工程特性

最为典型的黄土为棕黄色或黄褐色，是一种粉沙颗粒组成的物质，组成粒径较小，一般为0.075mm～0.005mm，最大颗粒不超过0.25mm。西北地区在全国的黄土分布中具有面积广、厚度大的特点，其厚度一般在50m～200m，极个别地方黄土厚度达到了300m 以上［2］。黄土中矿物质含量有60余种，大部分为水溶盐。其中，易溶盐是影响黄土湿陷性指标的重要物质，主要为氧化物和硫酸镁，极易溶于水或与水发生反应，导致塌陷；中溶盐主要为石膏，以结晶的状态分布在黄土中，遇水后具有溶解性小的特点，对湿陷性的影响较小；难溶盐主要为一些碳酸盐，在黄土中以游离状态存在，主要作用是将黄土颗粒黏结在一起，同时也是构成黄土结构的骨架，决定黄土强度的重要指标［3］。通过上述结构分析，湿陷性黄土在自然条件下具有较高的强度和稳定性，当其受到水的侵蚀作用时，与水溶盐发生反应，迅速发生变形、收缩，且变形在瞬间完成，属于不可逆转的变形，体现在实体工程中会发生不均匀沉降导致变形、开裂，威胁人身安全及财产损失。针对湿陷性黄土的处理措施，相关学者也对其进行了深入的研究，提出了换填、以土治土等一些处理措施，如何根据不同等级、不同厚度的湿陷性黄土选择适当的处理措施，还需要进一步的研究。

2 换填垫层法处理湿陷性黄土地基

2.1 原理

换填垫层法是将不良地质段内需要换填的软弱层挖除，将强度高、稳定性好、无侵蚀性的高性能材料进行分层回填、碾压后施作垫层，形成复合式地基的一种处理方法。房建工程基底处理可采用的换填材料有天然沙砾、灰土等，其中，最为常见的是换填灰土，通过顶部垫层覆盖，经压实机具逐层碾压，使其形成整体受力，从而提高地基承载力的一种方法［4］。

2.2 适用范围

换填法是一种浅层的复合式地基处理方式，适用于处理各种湿陷性等级、深度浅、范围小的湿陷性黄土地基，处理深度一般在0.5m～3m，处理范围相对于其他方式较小，如荷载小、房屋建筑高度小的建筑。

2.3 优缺点分析

2.3.1 优点分析

①应用范围广。换点垫层法可适用于不同等级的自重和非自重湿陷性黄土地基的处理；

②换填垫层法处理湿陷性黄土比较彻底，从根本上解决了黄土的湿陷性，换填完成后承载力高，处理后地基稳定性好，建筑物修建完成后工后沉降少；

③换填材料种类繁多，可根据不同地域料源特点选择；

④垫层与换填材料组成复合式地基结构，共同受力。受到上部荷载时，首先将荷载传递到垫层，通过垫层将荷载扩散，避免了应力集中。

2.3.2 缺点分析

①处理深度受限，使用范围较小。换填垫层法只能处理一些湿陷性黄土厚度较小的地基处理，针对大厚度黄土、地基处理深度大的超高层建筑时选用其他工艺；

②开挖回填工程量较大，工艺复杂，工期难控制。换填垫层法处治湿陷性黄土需要将原地面下挖一定深度，开挖的土体外运到指定位置，换填材料进场后需分层摊铺，逐层碾压，工艺相对烦琐，且施工过程中受雨雪天气影响较大，工期目标难以实现；

③环保方面难以控制。房建工程一般均在繁华的大都市，车辆运输废渣及换填材料时轮胎沾染泥土，避免不了对城市的污染。

2.4 工艺重点

换填法施工前需要在开挖界限以外500mm的位置处开挖截水沟，防止因开挖过程中降雨导致开挖边坡垮塌。换填深度超过2m 的基坑开挖需要进行放坡处理，开挖采用分层法进行，每层厚度控制在500mm 以内，并在开挖过程中设置临时排水系统，避免基底积水造成承载力下降。开挖后的弃渣通过自卸汽车采用篷布覆盖运输到指定位置，车辆驶离前在出厂口设置洗车台，冲洗轮胎上的泥土。开挖好的基底内按照每辆运输车辆的方量及虚铺厚度画出方格，换填材料运输至施工现场后卸在方格内，采用推土机推平后碾压，碾压过程中逐层检测压实度，碾压完成后进行垫层施工。

3 冲击碾压法处理湿陷性黄土地基

3.1 原理

冲击碾压处理湿陷性黄土的主要原理是通过牵引车提供动力，拉动由3～5边形组成的非圆凸轮在一定速度的驱使下转动，非圆凸轮与地面形成了相对高差，产生重力势能，非圆凸轮与地面接触转化成动能，在被处理的地基上连续滚动，通过多次搓揉、冲击、碾压后，将地基内呈分散状态的黄土挤压密实，迫使小颗粒黄土镶嵌在大颗粒黄土间的缝隙内，土颗粒重新进行排列组合，使土体内多余的空气排出，密度增大，提高承载力，降低了沉降风险。

3.2 适用范围

冲击碾压法是一种浅层的地基处理方式，适用于级别较低的（主要为Ⅰ、Ⅱ）自重和非自重湿陷性黄土地基处理，根据规范及施工经验处理深度在0.5m～1.5m，冲击碾压过程中影响深度可达到2m 以上，主要应用于大型厂区建设时的地基处理。

3.3 优缺点分析

3.3.1 优点分析

①处理范围大。冲击碾压法施工所需的场地不得小于100m，宽度不得小于10m（考虑冲击碾压转弯半径），处理范围在几种常见的地基处理方式中属于最大；②冲击能量大，处理效果好。25kJ的冲击式压路机在牵引速度在13km/h 的条件下，对地基的压实效果是振动压路机的10 倍以上，产生的冲击能达到2500kN。在高冲击能的作用下地基逐渐形成板状结构，达到密实效果；③工艺简便、资源投入少、施工功效快。冲击碾压法施工时只需要对工作面进行简易处理即可，将坑洼部位补平后即可操作。冲击碾压相对于其他工艺资源投入方面仅需要1台冲击式压路机即可完成，劳动力投入方面也较少，功效也是最快的。

3.3.2 缺点分析

①适用范围小。冲击碾压对场地要求高，机械达到一定速度后才能起到压实效果。冲击碾压法不适用于坡度较大、距离已有建筑物或控制点或居民区较近的地基处理；②噪声污染大。冲击碾压是由大功率牵引车提供动力，产生的噪音较大，在居民区施工时需设置声屏障；③产生的冲击波对周边环境影响大。冲击碾压时会产生共振，导致冲击波传递，需要在距离结构物一定距离开挖减振沟，且冲击碾压过程中扬尘难以控制，施工过程中需要定期洒水降尘。

3.4 工艺重点

冲击碾压施工前先将需处理的基底采用白灰标记，查阅是否存在地下管道，与已有建筑物的距离是否满足施工要求，标记出冲击式压路机行驶的安全区域。碾压方式采用压排法，轮迹重叠200mm～300mm，开始碾压后应尽量保持连续，设专人记录碾压遍数，碾压一定遍数后观测沉降差。碾压过程中如出现较大的波峰时，应将波峰刮平后，按照反方向碾压。根据施工经验，25kJ 的冲击式压路机速度在13km/h 时碾压效果最佳，速度慢时，所产生的冲击能小，达不到预期效果，速度过快时，冲击轮还未完全接触到被碾压基底就弹开，影响压实效果，且碾压速度过快还会存在翻车的安全隐患，同时可能损坏机械。

4 强夯法处理湿陷性黄土地基

4.1 原理

强夯法是利用黄土具有的大孔隙特性，通过大型履带式吊装设备将注入混凝土的夯锤或铸铁锤（夯锤带有一定数量排气孔），吊装至一定高度后通过自动脱钩装置，夯锤脱离吊装设备的束缚，呈现自由落体，产生重力势能，接触到地面时夯锤的重力势能转换成动能。在短时间内基底夯锤与地面接触形成巨大的冲击能，对基底的湿陷性黄土进行冲切，破坏其原有结构，形成夯坑，通过反复多次冲击，土体在瞬间受到荷载、卸载的重复作用，周边产生裂缝，水分顺着孔隙排出，挤密周围土体，达到降低土体孔隙率、提升地基承载能力的目的［5］。

4.2 适用范围

强夯法是一种深层的地基处理方式，适用于各种等级的湿陷性黄土，其处理深度可达到12m，影响处理深度的因素有黄土的湿陷性等级、夯锤重量、夯锤提升高度等，主要应用于湿陷性等级较大的大型厂区建设的地基处理。

4.3 优缺点分析

4.3.1 优点分析

①工艺简单、操作方便，加固后地基较稳定。强夯处理前对场地进行平整，放样好夯点，吊装设备吊起夯锤后自由落体，夯击地面后通过自动脱钩装置挂好落锤进行下一个点位夯实。强夯法施工后与原有地基进行对比，压缩模量降低5～10 倍，强度提高3～5 倍；②适用范围广泛，工程造价低。强夯法可适用于各种等级的湿陷性黄土，无须大开挖或加入其他材料，相较换填法可减少50%造价，较管桩减少60%造价；③施工效率高，工期有保障。强夯法的施工功效为30000m2/月，相较换填、灰土挤密桩等工艺可缩短一半以上的工期；④作业现场文明施工易控制。强夯施工前夯点进行适当洒水，夯击过程中可减少扬尘对周边环境的破坏。

4.3.2 缺点分析

①对周边建筑物扰动较大。强夯法施工所产生的单击夯击能在1000kN·m～8000kN·m，对周边建筑物的影响较大，如1000kN·m 的夯击能影响范围为40m，8000kN·m 的夯击能影响范围在85m，周围存在建筑物时，需要开挖深度大于2m 的减振沟；②对处理的地基含水率要求较高。强夯法施时应检测地基的含水率，满足要求后组织施工。如含水率过大，施工过程中出现弹簧现象，需进行翻晒或换填；③宜在较大的场地施工。强夯适宜在宽阔平坦的地方施工，对于狭小空间采取其他的处理方式。

4.4 工艺重点

强夯施工前应充分了解夯击区域与已有建筑物的距离，尽可能避开高压线塔、地下工程等已有建筑物，并检查机械的运行能力，起吊夯锤的钢丝绳是否存在断丝、缠绕混乱现象，夯锤排气孔是否通畅等（排气孔主要目的是方便夯击完成后提锤）。检测土体含水率，过大时应开挖翻晒，过小时在原地面钻孔，孔内注入水润湿土体，达到最佳含水率后施工。作业时应按照设计图纸的点位进行测量放样，夯点的布设按照等边三角形，两个夯点的中心距离按照夯锤直径的1.5倍设置。夯击作业时，分为主夯、副夯、满夯三个阶段实施，其中，主夯按照放样好的点位进行夯实，副夯时在相邻主夯点位之间的间隙内夯实，满夯时按照搭接1/4进行夯实，且夯击能按照主夯的50%考虑即可，前后两次夯击应间隔一定的时间，夯击过程中应控制落锤高度，避免提锤过高，冲击能过大，导致夯锤吸附在基坑内无法取出。

5 灰土挤密桩法处理湿陷性黄土地基

5.1 原理

灰土挤密桩是利用打桩机提供的动力通过锤击将管桩打入需要处理的地基内，使其侧向挤密成孔，管桩打入时挤压土体向四周发生水平位移，促使相邻灰土挤密桩桩间土的压实度增大、孔隙率减小。成孔后立即在孔内填筑一定比例的灰土分层夯填至孔口，分层夯填过程中对土体进行挤压，形成密实且具有一定强度的桩体，同时，桩间土与桩体相互挤压摩擦形成整体。填筑材料灰土（主要成分为熟石灰和土）中夹杂着一些未熟化的石灰，在熟化过程中吸收土体内的水分，体积膨胀对土体再次进行挤密，施作垫层后形成复合地基以承受上部荷载［6］。

5.2 适用范围

灰土挤密桩法是一种深层的复合式地基处理方式，适用于Ⅱ～Ⅳ级的湿陷性黄土地基，处理深度一般为5m～15m，其挤密效果主要受机械能力、地基含水率等诸多因素影响，可应用于高层建筑及大型机械不能到达的地基处理，如冲击碾压、强夯。

5.3 优缺点分析

5.3.1 优点分析

①处理深度大，加固效果好。相对于上述工艺中湿陷性黄土的处理深度是最大的。灰土挤密桩施工时分三次对桩间土进行挤密，分别是打桩过程中管桩对土体的挤密、分层夯填灰土时对桩间土挤密、夯填灰土完成后生石灰熟化过程中体积膨胀对桩间土挤密，最后桩体牢固地镶嵌在桩间土内，形成稳定的受力结构；②填筑材料廉价，取材方便。灰土挤密桩所需的材料为土和熟石灰按照一定比例拌合而成，土可就地取材，石灰的价格相对便宜。

5.3.2 缺点分析

①施工功效慢。房建工程中灰土挤密桩都是以群桩方式存在的，其施工功效为6m/h，地基处理时间相对较长；②质量通病多。灰土挤密桩主要存在缩孔、塌孔、断桩等质量通病，且质量通病发生后无法弥补，出现质量通病后在其他位置重新打设，影响整体受力结构；③环境污染大。石灰运输、装卸、拌合及灰土夯填过程中均会出现较大规模的扬尘，且扬尘不宜控制，对周边居民及环境影响较大。

5.4 工艺重点

灰土挤密桩施工前先平整场地，方便打桩机来回移位，机械就位后钻杆对准放样好的孔位，打桩过程中随时校准钻杆的竖直度，成孔时应按照先慢后快、隔行跳打的顺序打设，打入设计深度后缓慢拔出钻杆。灰土采用厂拌法集中拌合后通过自卸车运输至施工现场，对拌合及运输环境进行封闭，防止扬尘污染环境。运输至施工现场后，将灰土填入孔内分层夯实，按照孔径计算填筑300mm 所需的灰土填入孔内夯实，逐层填筑至孔口位置。

6 结语

随着西北地区城市化的快速推进，房建工程迎来了巨大的发展契机。湿陷性黄土是制约其发展的最大阻碍，如何有效地消除湿陷性黄土带来的危害，成了每一位工程建设者深思熟虑的问题。为了保证房建工程的稳定性，在西北地区湿陷性黄土施工前要深入调查黄土的物理力学特性，准确定位湿陷性等级，针对不同性质的湿陷性黄土制定切实可行的处理措施，才能根本解决地基沉降问题。阐述了西北地区黄土的工程特性，分析了换填垫层法、冲击碾压法、强夯法、灰土挤密桩法的工艺原理、适用范围、优缺点及工艺重点，对湿陷性黄土地区房建工程工艺选择有着重要意义。