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(shí)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(jìn)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(dá)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(dá)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(dá)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(qiáng)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(shí)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(shí)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(jiān)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(jiān)硬，低壓縮性的特點(diǎn)。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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(yùn)行多年，期間也出現(xiàn)過一些問題，在這里摘錄點(diǎn)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(diǎn)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(xiàng)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(dá)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(dá)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(jìn)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(xiàng)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(jìn)行共同探討，就工程施工方案的可行性進(jìn)行分析，最后通過了項(xiàng)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(kuò)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(kuò)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(dá)到國內(nèi)同類工程的最大樁徑。工程實(shí)施已近10 a，一直運(yùn)行正常。

2．2　寧夏揚(yáng)黃擴(kuò)灌工程十一泵站廠房濕陷性黃土基礎(chǔ)的處理　　

　　寧夏揚(yáng)黃擴(kuò)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(dá)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(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)。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(yàn)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(shí)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(jìn)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(yàn)，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(shí)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(qiáng)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(jìn)行處理，改善其土壤結(jié)構(gòu)和基本特性，以達(dá)到消除其濕陷性的目的。這種方法的缺點(diǎn)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(diǎn)是施工方便，費(fèi)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(dá)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(dú)立建筑物的基礎(chǔ)處理。缺點(diǎn)是投資費(fèi)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(dá)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(shí)際中遇到過類似的問題。

　　在寧夏揚(yáng)黃擴(kuò)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(yùn)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(dá)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(duì)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(yùn)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(jìn)行的管道漏水影響范圍的試驗(yàn)，連續(xù)漏水23～153 d，漏水量600～1 400 t，試驗(yàn)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(yàn)，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?yàn)樵摰貐^(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(jì)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(shí)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(yàn)也比較豐富，以上僅是個人的一點(diǎn)體會和看法，提出來和大家探討。

參考文獻(xiàn)

［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