對深厚濕陷性黃土地基處理的探討

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摘要：濕陷性黃土是西北地區(qū)常見的一種工程地質(zhì)問題。根據(jù)水利水電工程實踐對幾種常用地基處理方法的具體應(yīng)用以及存在的問題進行了論述，對類似工程的設(shè)計具有指導(dǎo)意義。
關(guān)鍵詞：濕陷性黃土 地基處理 灌注樁 預(yù)浸水

1　黃土分布及概述

　　黃土作為一種常見的工程地基，在世界各地分布很廣，面積達1 300萬km²，約占地球陸地總面積的9．3％。中國黃土主要分布于北緯33°～47°之間，尤以34°～45°之間最為發(fā)育?？偯娣e約為63．5萬km²，占世界黃土分布的4．9％左右。黃土的堆積厚度為世界之最，其厚度中心在洛河和涇河流域的中下游地區(qū)，最大厚度達180～200 m。由此向東西兩邊逐漸減薄。其分布南始于甘肅南部的岷山、陜西的秦嶺、河南的熊耳山、伏牛山，北以陜西白于山、河北燕山為界，西起祁連山，東至太行山。濕陷性黃土約占中國黃土分布面積的60％左右，主要分布于黃河中、下游地區(qū)，厚度最大達30 m左右。并具有自東向西、自南向北其濕陷性逐漸加劇的規(guī)律。

　　黃土按其成因分為原生黃土和次生黃土。一般將不具層理的風(fēng)成黃土稱為原生黃土，原生黃土經(jīng)過流水沖刷、搬遷重新沉積而成的為次生黃土，工程界統(tǒng)稱它們?yōu)辄S土。次生黃土一般具有層理，較原生黃土結(jié)構(gòu)強度要低。黃土在一定壓力（土自重或自重壓力和外壓力）作用下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生的顯著下沉現(xiàn)象，稱之為濕陷。具有濕陷性的黃土稱為濕陷性黃土。濕陷性黃土又分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土。中國現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GBJ25－90對濕陷性黃土從工程角度作了明確劃分，將濕陷系數(shù)δs≥0．015的黃土定義為濕陷性黃土，同時將實測或計算自重濕陷量大于7 cm的濕陷性黃土定義為自重濕陷性黃土，將實測或計算自重濕陷量小于或等于7 cm的濕陷性黃土定義為非自重濕陷性黃土，并將黃土的濕陷等級劃分為輕微（Ⅰ級）、中等（Ⅱ級）、嚴(yán)重（Ⅲ級）、很嚴(yán)重（Ⅳ級）4個級別，這里不再詳述。

　　中國黃土按地質(zhì)形成年代和工程特性基本劃分為下列4個地層。

　?。?）早更新世黃土。簡稱為Q1黃土，形成于距今70～120萬年之間。粉粒和粘粒含量比后期黃土要高，質(zhì)地均勻，致密堅硬，低壓縮，無濕陷性；

　?。?）中更新世黃土。簡稱Q2黃土，形成于距今10～70萬年之間。同樣具有粉粒和粘粒含量比后期黃土要高，質(zhì)地均勻，致密堅硬，低壓縮性的特點。但其最上部已表現(xiàn)出輕微濕陷性，是西北地區(qū)黃土地層的主體；

　　（3）晚更新世黃土。簡稱Q3黃土，形成于距今0．5～10萬年之間。質(zhì)地均勻，但較疏松，肉眼可見大孔，具濕陷性或強烈濕陷性；

　?。?）全新世黃土。簡稱Q4黃土，形成于距今5千年內(nèi)。一般土質(zhì)疏松，肉眼可見大孔，具濕陷性或強烈濕陷性。

　　通常將早期和中期形成的Q1和Q2黃土統(tǒng)稱為老黃土，將其后形成的Q3和Q4黃土稱為新黃土，可以看出通常所說的濕陷性黃土指的就是新黃土。

2　濕陷性黃土地基處理的工程實例

　　中國工程界自解放以來隨著對濕陷性黃土的不斷認(rèn)識，先后于1966年、1978年和1990年分別制定了《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》，簡稱為“66黃土規(guī)范”、“78黃土規(guī)范”以及現(xiàn)在使用的“90黃土規(guī)范”，對濕陷性黃土地區(qū)的工程設(shè)計起到了規(guī)范和指導(dǎo)作用。筆者從事水利水電工程10多年來，先后參與了濕陷性黃土地區(qū)的供水工程、灌溉工程、泵站及電站工程以及游泳池等工程的設(shè)計，多數(shù)工程已正常運行多年，期間也出現(xiàn)過一些問題，在這里摘錄點滴供大家交流和探討。

2．1　大直徑空心混凝土灌注樁在處理濕陷性黃土地基中的應(yīng)用　　

　　陜西省東雷抽黃續(xù)建工程曾是陜西的重點工程，工程總投資15．0億元，其下寨抽水站是提黃灌溉工程的三級站，筆者有幸參加了該站的設(shè)計工作，該項目的設(shè)計獲得陜西省優(yōu)秀工程設(shè)計一等獎。該站主要建筑物之一出水塔的基礎(chǔ)就是深達17．0 m的自重濕陷性黃土，濕陷等級為Ⅱ級，塔體重量為4 500 t。其上游連接的是直徑達2．0 m的4根廠房出水管道，下游銜接的是渡槽，所以對塔體的基礎(chǔ)處理是極為重要的，一旦塔體沉陷，將直接影響上下游建筑物的安全。

　　地基處理先后對可能采用的灰土擠密樁、碎石震沖樁、靜壓樁、混凝土灌注樁以及沉井等方案進行了逐一比較，灰土擠密樁和碎石震沖樁存在的問題是處理深度不夠和造價較高，采用混凝土灌注樁則造價更高。為了降低造價，項目組邀請了陜西省水電工程局，陜西省水利工程建設(shè)管理局等施工單位的專家進行共同探討，就工程施工方案的可行性進行分析，最后通過了項目組推薦的混凝土灌注樁方案。為了降低造價提高單樁承載力，設(shè)計擬采用空心混凝土灌注樁外加端部擴頭來提高單樁的承載力，經(jīng)過對不同樁徑的反復(fù)試算，最后采用了8根樁徑為2．0 m，壁厚0．3 m，樁端擴頭直徑3．6 m的空心混凝土灌注樁，樁深30 m，樁距6．0 m。負(fù)摩阻力系數(shù)取1．55 t／m²，正摩阻力系數(shù)取3．5 t／m²，樁端標(biāo)準(zhǔn)承載力21 t／m²，修正后為79．8 t／m²，單樁承載力812．4 t。當(dāng)時查到的國內(nèi)最大樁徑為1．6 m，該樁的樁徑已達到國內(nèi)同類工程的最大樁徑。工程實施已近10 a，一直運行正常。

2．2　寧夏揚黃擴灌工程十一泵站廠房濕陷性黃土基礎(chǔ)的處理　　

　　寧夏揚黃擴灌工程十一泵站主副廠房總長度77．5 m，主廠房寬13 m，副廠房寬14．5 m。其基礎(chǔ)為自重濕陷性黃土，厚度達36．5 m，自重濕陷等級為Ⅲ～Ⅳ級，濕陷評價為嚴(yán)重～很嚴(yán)重。由于基礎(chǔ)濕陷等級太高，而且厚度很大，面又廣，經(jīng)過多方比較，基礎(chǔ)處理方案定為采用預(yù)浸水處理消除基礎(chǔ)黃土的濕陷性。設(shè)計在建筑物周邊外放5～10 m范圍內(nèi)（80 m×40 m）布置了6個20 m×20 m的浸水畦塊，浸水坑深80 cm，然后在坑內(nèi)用洛陽鏟挖浸水孔，孔徑8 cm，孔深23 m，孔距5．0 m，孔內(nèi)填入碎石或砂礫石。浸水時，水深保持在淹沒浸水孔0．5 m以上。經(jīng)過224 d的持續(xù)觀測（其中浸水觀測162 d，停水觀測62 d）?？觾?nèi)停水前沉降量為127．5～188．6 cm，平均167．7 cm，停水后沉降量為16．2～85．3 cm，平均167．7 cm。浸水前后累計平均沉降量為215．1 cm。單位面積耗水量33．6 t／m3。

　　浸水停止4個月后，在現(xiàn)場布置探坑3個，探坑深度13 m，在探坑深度范圍內(nèi)每米取樣1件，進行室內(nèi)常規(guī)土工試驗。探坑開挖后發(fā)現(xiàn)，13 m以下的土層仍呈飽和狀態(tài)，不能取樣。根據(jù)土工試驗結(jié)果，在飽和自重壓力下的自重濕陷性系數(shù)（δzs）均小于0．015，計算自重濕陷量△zs＝1．9 cm，小于7 cm。200 kPa壓力下的最大濕陷系數(shù)（δ）也小于0．015，計算總濕陷量△＝6．0 cm。說明基礎(chǔ)黃土的濕陷性已基本消除。

　　實際施工中存在的問題是浸水處理后的泵站場地上層土層，仍呈中～高壓縮性，以中壓縮性為主，其承載力標(biāo)準(zhǔn)值為130～150 kPa。另外，預(yù)浸水后基礎(chǔ)土層含水量過高，接近于飽和狀態(tài)致使后續(xù)工作無法正常進行，這也正是預(yù)浸水處理的弊端。根據(jù)以往工程的經(jīng)驗，預(yù)浸水處理耗時較長，一般停水后要1 a左右的時間才能使土層的含水量降低到最初狀態(tài)，因此在采用預(yù)浸水處理時一定要充分考慮工期問題。另外預(yù)浸水處理只能消除地表6 m以下土層的濕陷性，對于表層6 m范圍內(nèi)的土層還具高壓縮性，應(yīng)結(jié)合使用換填等其他辦法消除其高壓縮的外荷濕陷性。在該工程中施工單位最后對表層8 m范圍內(nèi)的土層采用了水泥粉噴樁處理。

3　濕陷性黃土地基處理的方法探討

　　中國在解放后對于濕陷性黃土地基處理的實踐已有幾十年了，具體方法也很多，但歸納起來其基本思路不外乎以下幾種：

　?。?）基本消除基礎(chǔ)已有土層的濕陷性；其常用方法有強夯、換土、擠密樁等。這是對于土層較?。?0m以內(nèi)）時采用的辦法。當(dāng)土層深厚時，常用辦法就是預(yù)浸水處理。這類辦法是通過工程措施，針對濕陷土層本身進行處理，改善其土壤結(jié)構(gòu)和基本特性，以達到消除其濕陷性的目的。這種方法的缺點是對于深厚濕陷性黃土來說，耗時太長，往往影響工期。優(yōu)點是施工方便，費用較低；

　?。?）使建筑物基礎(chǔ)穿透濕陷性黃土層，傳力于濕陷土層以下的持力土層上，達到躲過濕陷性黃土層的目的。常用方法就是樁基，尤以灌注樁為主。這種方法避過了濕陷性土層，使基礎(chǔ)傳力于濕陷土層以下的持力土層上，相對來說比較安全可靠，所以被廣泛應(yīng)用于比較重要的獨立建筑物的基礎(chǔ)處理。缺點是投資費用較大；

　?。?）充分作好建筑物基礎(chǔ)的隔水層，使基礎(chǔ)濕陷性黃土地基無法浸水，以達到避免地基濕陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油氈以及各種PVC和PE膜。這種方法常常用于對基礎(chǔ)承載力要求不高的設(shè)施，如游泳池、供水管床、渠道等。

　　另外，值得探討的是，對于大厚度濕陷性黃土是否一定要消除其濕陷性？筆者在工程實際中遇到過類似的問題。

　　在寧夏揚黃擴灌工程設(shè)計中，通過調(diào)查發(fā)現(xiàn)當(dāng)?shù)睾芏嘟ㄖ锲浠A(chǔ)雖然較深，但并沒有對基礎(chǔ)作特殊處理，運行多年也未發(fā)現(xiàn)濕陷問題。過后通過調(diào)查分析發(fā)現(xiàn)，原因在于該地區(qū)常年降雨量很小，在 180～400 mm之間，而蒸發(fā)量卻達到1 800～2 200mm，蒸發(fā)量相當(dāng)于降雨量的5～10倍，即便是發(fā)生大暴雨，雨水也無法浸透深厚的濕陷土層。據(jù)寧夏自治區(qū)水電設(shè)計院地質(zhì)勘測隊對原固海老灌區(qū)地下水變化的大量調(diào)查發(fā)現(xiàn)，老灌區(qū)十多年來的灌溉運行并沒有影響到地下水位的變化，且大量的灌溉水量僅僅只能引起地表10 m范圍內(nèi)的土壤含水量發(fā)生變化，10 m以下土層含水量保持在穩(wěn)定狀態(tài)。另據(jù)原建工部建筑科學(xué)研究院和西安市自來水公司等單位曾在西安韓森寨一帶進行的管道漏水影響范圍的試驗，連續(xù)漏水23～153 d，漏水量600～1 400 t，試驗結(jié)果，最大浸濕范圍為5．0～7．3 m。同時用350mm的混凝土管做試驗，漏水32 d后，浸濕范圍基本穩(wěn)定，最大影響半徑為5．0 m。這也就引起了思考，對于大厚度濕陷性黃土是否一定要徹底消除其濕陷性？筆者認(rèn)為這個問題很值得研究，尤其在西北地區(qū)，因為該地區(qū)濕陷土層較厚，經(jīng)常在20 m以上，甚至象前面提到的36．5 m深。完全消除這些土層的濕陷性或徹底穿透濕陷土層往往要花很大代價，所以對這一問題的深入研究具有直接的經(jīng)濟效益，能夠大量節(jié)約工程投資，縮短工程工期。此時應(yīng)對建筑物使用條件和所處的周邊環(huán)境作適當(dāng)調(diào)查，具體問題具體分析，只要建筑物的基礎(chǔ)承載力滿足要求，外界來水又無法浸濕濕陷性地基時，完全可以考慮將建筑物基礎(chǔ)坐落于濕陷土層上。事實上，很多游泳池、輸水渠（管）道也就建在濕陷性土層上。對于基礎(chǔ)承載力要求較高的較大型的建筑物，當(dāng)基礎(chǔ)埋深較大如箱基等，其地基承載力常常是可以滿足要求的，此時就可以考慮不消除其地基土層的濕陷性，只要作好隔水處理即可。這樣處理可以節(jié)約大量資金和工期，對于中小型深基坑廠房很值得借鑒。

4　結(jié)語

　　濕陷性黃土在西北地區(qū)分布較廣，積累的工程經(jīng)驗也比較豐富，以上僅是個人的一點體會和看法，提出來和大家探討。

參考文獻

［1］錢鴻縉，王繼唐．濕陷性黃土地基［M］．北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985．

［2］GBJG25－90．濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范［S］．西北水電