湿陷性黄土地区某安置点场地冻胀灾害治理研究＊

裴先科，姜 伟，曹林同，马明亮

（1.甘肃省建材科研设计院有限责任公司，甘肃 兰州 730010；2.甘肃建筑职业技术学院，甘肃 兰州 730050）

0 引言

房屋居住环境是农村脱贫攻坚中最为困难的问题之一，尤其在祖国西北甘肃，地貌复杂多样，多山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交错分布。甘南高原是“世界屋脊”——青藏高原东部边缘一隅，地势高耸，平均海拔超过3 000 m；河西走廊位于祁连山以北，北山以南，东起乌鞘岭，西至甘新交界，是块自东向西、由南而北倾斜的狭长地带。甘肃的地理条件，决定了甘肃地质岩土复杂，人们赖以生存的居住环境差，可以建造房屋及用于生产的土地有限。由于农村经济条件的限制，农民对建筑物建造常识的认识有限，农村房屋改造中出现了临山而建的建筑群，套用标注图施工建于不利场地的建筑群，还有未按房屋构造要求建造的房屋等，因此很多已建造的房屋存在安全隐患。特别是高寒潮湿地理环境，由于山地多、雨水丰富，如果场地选址未进行技术论证，场地勘察不清，施工图设计不科学合理，此类场地建造房屋后，冬季冻胀病害给房屋带来极大危害，给老百姓带来了诸多安全隐患和不便。为改善老百姓的居住环境和生活条件，中央及地方出台了居民安置点的政策，由于可利用土地资源少，许多地方平山填沟造地、沼泽湿地改造、临山洼地整治等。如果处在高寒潮湿地理环境下，此类场地被作为建筑用地后，不进行技术处理和专业论证，将带来的工程病害非常多，治理极其困难，其中场地冻胀病害尤为显著。潘鹏等[1]通过对饱和黄土的冻胀融沉特性研究结果发现：饱和土的冻胀性大，无外界补给水时冻胀率在4%以上，有外界补给水时冻胀率可达14%以上。周志军等[2]通过含水率和温度变化的冻融黄土性能试验结果发现：在相同测试温度下，压缩模量随含水率增大而显著降低，当含水率一定时，土样的压缩模量随着测试的温度降低而降低，其中0°～5°压缩模量降幅最大；刘占良等[3]以张承高速公路黄土路基冻胀性试验研究为背景，发现随着初始含水率增大，膨胀率也会增大，土体膨胀变形的原因在于水变为冰时，会产生体积膨胀。湿陷性黄土地区的地基不均匀与沉降引起基础的变形对建筑物的损害极大，将直接影响建筑物的正常使用；汪过兵[4]研究发现：不均匀湿陷性黄土固结变形会对上部建筑结构造成不同程度的损坏，引发的病害时有发生，严重影响结构使用寿命，对人民群众的生命财产安全造成巨大的威胁。汪过兵等[5]研究表明：地基不均匀湿陷沉降变形极易引发地基、基础局部产生脱空现象。土体冻结是一个极其复杂的过程，也是目前湿陷性黄土地区亟待解决的工程问题之一。

甘肃省某县某村为解决村民安全舒适住房问题，将居民安置点选址在该村某河流的下游处两岸滩地上，占地面积约53 300 m2。该安置点位于高寒潮湿地理环境，多山地，雨水丰富。而在河的南岸是一片沼泽滩地改造场地，建造场地处理不规范，用标准图集对该片场地的房屋建造实施，实施过程及程序不专业规范。建造完成交付使用后，经过一个冬季，发现院落地坪膨胀，抬高地坪，高差达0.32 m；部分墙体被胀土抬高变形，院落内的附属设施给排水管道等遭到破裂。到了春夏季，随着温度的升高，地坪的冻胀恢复，但已造成墙体裂缝损伤现象；房屋的正常使用受到了严重影响，直接影响到人民的生命财产安全。项目组成员针对该安置点的病害通过现场调查、试验等进行综合研究分析并治理，其研究成果为国内湿陷性黄土地区类似工程病害处理提供技术支撑，同时对乡村振兴战略也有着十分重要的意义。

1 工程概况

1.1 建筑概况

该安置点于2013年6月开工建设，2014年10月建设完成。总建筑面积约44 000 m2，涉及住户208户，建筑防火类别为二类，其中河西侧128户，河东侧80户，平面布置如图1所示。

图1 安置点西侧128户场地处理区域

安置点每户房屋均由正房及偏房组成，均为一层砖木结构，层高3.60 m，长6.9 m，宽3.6 m，承重墙体为370 mm，240 mm厚多孔黏土砖墙，屋架形式为木屋架，如图2所示。基础采用独立基础，基础埋深1.1～1.8 m，大部分基础以卵石层作为持力层，辅助用房基础地面-0.900 m，该安置点偏房采用混凝土墩基础，埋深1.1～1.80 m，墩布置间距约为2.0 m，持力层为卵石层。场地地下水埋深为现自然地面下0.6～1.2 m，地下水为潜水。

图2 房屋现状图

1.2 地质概况

勘探深度6.7～8.1 m，根据勘察，该深度内地层结构简单，场地地层分为上下2层，详细如下：

（1）粉质黏土层：灰黄色—黄褐色，颜色自上而下逐渐变深，稍湿，稍密，呈可塑状态，土质均匀，厚度大；含白云母碎片、腐殖质、青灰黑色淤泥质团块、少量植物根系、蜗牛壳碎片等，层厚1.8～2.20 m，层底标高98.9～97.9 m。

（2）圆砾层（Q4冲击层al+洪积层pl）：杂色，湿，松散—中密，局部为密实，上部粒径较细，下部级配良好。成分以变质岩为主，亚圆—圆形，分选性差，最大粒径120 mm、一般粒径4.0～9.0 mm，层面下1.0 m 以下骨架颗粒含量一般61.8%～72.9%，以砂粒为主，夹有少量粉质黏土团块。

2 安置点地基土试验研究

为查明地基土现状，课题组在安置点布置了3个探坑，探坑深度均约为2.0 m。对探坑内地基土进行现场原状土取样，并对地基土的物理力学性质现状进行检验分析，地基土样如图3所示，地基土芯样如图4所示，研究结果见表1。通过研究发现该安置点地基土塑性指数（IP）为10

表1 原状土样进行室内试验

图3 地基土样

图4 地基土芯样

3 冻融环境

该场地地下水分2层，其中上层水为粉质黏土层中上层滞水，为地表下渗水，水量不大，位置约1 m；下层水属松散沉积物浅部潜水，富含于圆砾层，水面高程2 199.9～2 199.6 m，现场情况如图5所示。在室外自然地面下0.0～1.0 m，地基土含水量22.3%～29.5%，含水量高。

图5 场地地下水

场地南高北低，南北走向较狭长，落差达13.0 m，地下水来水方向多元：有上游河水渗入；该地区常年多雨，有东西两山坡下渗地表水渗入等情况。地下水并不在同一平面，一般钻孔地下水初见水位较深，而稳定水位较浅，主要受河水及大气降水补给、水流方向自西南向东北，最终向东排泄于河流，经检测调查，年季节性水位变幅1.50～1.0 m，渗透系数约为45～55 m/d。根据刨开的基础地基岩土研究发现，地基土反复揉捏出水，如图6所示。

图6 地基土现场情况

根据现场检测、调查、勘探、取样综合研究分析发现：冻胀严重区域的雨季水位-0.100 m；旱季水位-0.150 m；该区域海拔2 180 m 左右，年平均温度7.2 ℃，冬季室外计算温度-11.3 ℃，最低温度-22 ℃，平均-4～8 ℃，室外大气压力0.081 26 MPa；夏季室外大气压力0.080 81 MPa。

4 损伤病害分析研究

该安置点西侧92 户于2018 年集中反映房屋偏房墙体出现裂缝，现场情况如图7 和图8 所示。2019年3月16日—3月24日、3月28日—4月5日先后对该安置点的房屋进行了分析研究，发现该安置点整个场地处在两山之间的低洼地带，场地为一片沼泽地，根据勘测研究结果发现该场地水位较高，地基土含水率高，岩土类别为粉质黏土，属于黄土类；处于不利场地状态。

图7 基础与墙体连接处裂缝

图8 基础与墙体连接处裂缝

4.1 场地膨胀损伤病害分析研究

通过现场勘查、检测，调查剖析，该住房采用换填砂夹石，其余部位换填黄土，含水率比较高；施工时由于影响岩土膨胀因素土质、岩土的含水率、温度、外荷载作用等改变，以及场地处理的碾压、夯实效果等对冻胀产生一定的影响。通过研究分析，该场地膨胀损伤病害的主要原因如下：（1）施工时换填土的含水率控制得不太好，含水率高；（2）整个场地处在两山之间的低洼地带，地表浅水渗流，同时场地的水位较高，导致场地岩土的含水率过高，场地岩土含水率处于饱和状态；（3）无有效排水措施，长期排水不畅，冬季温度较低。场地现场冻胀情况如图9所示。

4.2 房屋损伤病害分析研究

通过研究分析，该场地的场地房屋损伤病害的主要原因如下：整个场地处在两山之间的低洼地带，地表浅水渗流，地下水位为自然地面下0.6～1.2 m，受毛细水压力作用，地基土长期处于饱和状态。该地区标准冻深为1.20 m，场地冻结深度计算结果为0.96 m，平均冻土深度为0.9 m。由于建筑物围墙及偏房部分基础为埋深小于1.2 m 混凝土墩基础，不满足抗冻拔稳定性要求，且上部结构为单层砖木结构，荷载小，因此冬季冻胀极易造成房屋墙体开裂等病害损伤。

4.3 治理措施研究

降低场地含水率技术手段和降水处理是该场地治理的关键。经过研究论证分析决定：（1）对该场地室外环境进行整治，降低地下水位，即通过采用渗井、盲管及暗渠技术，将水位降至最深冻土层以下，即将-0.100 m 水位降到-1.100 m 水位线以下；（2）对墩基础及基底冻胀土体进行防冻胀处理；（3）对该工程主体结构进行加固处理、并更换危险构件；（4）对部分裂缝严重、墙体歪闪较大房屋应立即进行拆除。同时，做好整个场地的排水措施，形成明排和暗排相呼应的降排水系统。

5 病害诊治关键技术

5.1 盲管及渗井理论研究

在居民区巷道设置渗水井及盲管，同时在盲沟管线上设置盲沟排渗收集井，如图10所示。其主要排水循序如下：暗渠→渗水井→盲管→钢筋混凝土雨排水沟内，然后将钢筋混凝土雨排水沟的水及地表雨水通过明沟一起排入河沟；最后通过排水沟将水排入河道，如图11所示。

图11 渗井、盲管及暗渠布置示意图（单位：mm）

（1）盲沟流量公式：

式中：地下水位高度：hc=1.4 m；盲沟内的水流深度：hg=0.5 m；含水层材料砾石的渗透系数：ks=0.6 m/s；地下水位受盲沟影响而降落的水平距离：Ls=929.52m。

盲沟流量：Qs=0.000 3m/（s∙m）

因水由2 侧流入盲沟，上述盲沟流量乘以2，则最终盲沟流量：Qs=0.000 6m/（s∙m）

（2）盲沟埋置深度公式：

式中：冻结深度：Z=1.2 m；冻结地区沿中线处冻结线至毛细水上升曲线的间距：p=0.25 m；毛细水上升高度：e=0.04 m；水力降落曲线最大高度：f=0.60 m；盲沟底部的水柱高度：h3=0.4 m；边沟深度：h1=0.6 m。

盲沟埋深经过计算为1.89 m，本次实际试验为2.0 m。

5.2 暗渠研究

在居民区安置点场地2 侧设置暗渠，其横断面图如图12 所示，将所有通过暗渠的水渗集于盲管，再由盲管汇集于钢筋混凝土雨排水沟内；从排水沟导入室外河流。

图12 暗渠横断面示意图（单位：mm）

6 结论

该安置点整个场地处在两山之间的低洼地带，建筑物围墙及房屋部分基础为埋深小于1.2 m且上部结构为单层砖木结构，地下水位为自然地面下0.6～1.2 m；由于荷载小、地表浅水渗流，受毛细水压力作用，地基土长期处于饱和状态。冬季冻胀造极易成房屋损伤病害，通过应用渗井、盲管、暗渠综合治理技术研究得出以下主要结论。

（1）通过盲沟的水流量计算分析，盲沟的流量为0.000 6m/（s∙m）；盲沟埋深为2.0 m。

（2）通过该技术施工后第1个冬季温度最低时，地下水位显著下降，下降到-1.200 m以下，冻胀现象基本消失。

（3）通过该技术施工后第2个冬季温度最低时，地下水位下降至-1.400 m以下，冻胀现象完全消失。

（4）通过该技术施工后，该场地地下水位以上岩土的含水率逐年降低，冻胀引起的地面设施的破坏现象基本消失。

目前已经历了4 个冻胀期，其冻胀灾害得到了有效的治理。其研究成果为湿陷性黄土地区黄土地基冻胀灾害治理等提供科学依据。