浅谈陕西地区湿陷性黄土地基评价及处理方法

公路路面再生利用与养护新技术研讨会论文集浅谈陕西地区湿陷性黄土地基评价及处理方法张艳1杨建锋2崔佳1张文军1李义辉1（1西安公路材料再生工程技术研究中心陕西西安7100652西安国通路桥工程有限公司陕西西安710068）摘要：本文简要阐明延安地区黄土湿陷机理和危害，通过对室内土工试验指标的应用，根据现行国家规范标准，针对岩土工程勘察过程中常遇到的问题，详述了湿陷性黄土地基湿陷的评价方法，并对其常用地基处理方法作了简要说明。关键词：湿陷性黄土；湿陷性评价；湿陷等级；处理方法1.前言黄土是一种特殊的第四纪大陆疏散堆积物。黄土按成因分为原生黄土（黄土）和次生黄土（黄土状土）、新近堆积黄土。我国黄土堆积时代包括整个第四纪，面积达64万平方公里。目前，危害较大、研究较多的湿陷性黄土分布面积约为27万平方公里。2.黄土的湿陷机理及其危害2.1黄土湿陷机理黄土是一种颜色呈褐黄—黄褐色；土质不甚均匀；粉粒含量较高；结构疏松，具大孔隙；垂直节理发育；富含钙质粉末；一般具有湿陷性和高压缩性等。黄土是在干旱和半干旱条件下形成的，在干燥少雨的条件下，由于蒸发量大，水分不断减少，盐类析出，胶体凝结，产生了加固粘聚力，在土湿度不很大的情况下，上覆土层不足以克服土中形成的加固粘聚力，因而形成欠压密状态，一旦受水浸湿，加固粘聚力消失，便产生湿陷。2.2黄土湿陷危害黄土的湿陷性指黄土浸水后在外荷载或自重作用下发生下沉的现象。通常在自重压力和附加压力共同作用下产生湿陷的黄土称非自重湿陷性黄土，而仅在自重压力下就产生湿陷的黄土称自重湿陷性黄土。黄土的湿陷变形是由于地基被水浸湿所引起的一种附加变形，这种变形往往是随机的，任何时间任何地段都可能发生，而且变形的速率很大，并且不均匀，易造成地面塌陷，从而导致建筑物倾斜甚至产生裂缝等工程事故，因此，岩土工程勘察过程中，应对黄土的湿陷性及地基湿陷等级作出正确评价，并建议合理的地基处理方案和施工中应注意的问题，以减少工程隐患。3.黄土湿陷试验3.1试验指标根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25—90）和《土工试验方法标准》（GB/T50123-1999），为了判定黄土的湿陷性，并通过计算湿陷量和自重湿陷量最终确定地基湿陷等级，目前常用的试验指标主要有：湿陷系数、自重湿陷系数、湿陷起始压力等。湿陷系数（δs）指单位厚度土体在一定压力作用下变形稳定后饱和浸水所产生的附加湿陷下沉量。公路路面再生利用与养护新技术研讨会论文集自重湿陷系数（δzs）指对应于土的饱和自重压力作用下的湿陷系数。湿陷起始压力（Psh）指黄土浸水发生湿陷所需要的最小压力。3.2试验方法黄土湿陷性指标的确定，主要采用单线法和双线法两种。单线法比双线法更适用于黄土变形的实际情况。双线法简便，工作量小，但与变形的实际情况不完全符合，故以单线法为标准方法。单线法指切取5个环刀土样，分别对每个土样在天然湿度下分级加至不同的规定压力，等压缩稳定后测试土样高度，然后再加水浸湿，测下沉稳定后的高度，再利用公式计算各级压力下的湿陷系数，并绘制湿陷系数与压力关系曲线（如图1）。双线法指切取2个环刀土样，一个土样在天然湿度下分级加压至压缩稳定，并绘制压缩曲线。另一个土样在天然湿度下施加第一级压力后浸水，直至第一级压力下湿陷稳定后，再分级加压至试样在各级压力下浸水变形稳定为止，并绘制出压缩曲线，然后根据两线的差值求出湿陷系数与压力关系曲线（如图2）。图1单线法湿陷系数与压力关系曲线图2双线法湿陷系数与压力关系曲线4.地基湿陷性评价4.1定性评价根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25—90），当湿陷系数δs＜0.015时，应定为非湿陷性黄土，当湿陷系数δs＞0.015时，应定为湿陷性黄土。4.2湿陷类型划分湿陷性分为自重湿陷性和非自重湿陷性,当湿陷系数δs＞0.015时，应定为湿陷性黄土,当自重湿陷系数δzs＞0.015时，可以说黄土具自重湿陷性,但并不能说是自重湿陷性黄土场地,其划分应根据计算的自重湿陷量Δzs大小确定,当计算的自重湿陷量Δzs＞7cm时,判定为自重湿陷性黄土场地,当计算的自重湿陷量Δzs＜7cm时,仍判定为非自重湿陷性黄土场地。自重湿陷量Δzs按下式计算:Δzs=β0∑δzsihi式中:δzsi—第i层土的自重湿陷系数hi—第i层土的厚度（cm）公路路面再生利用与养护新技术研讨会论文集β0—因土质地区而异的修正系数自重湿陷量Δzs的累计可自天然地面（当挖、填方的厚度和面积较大时，自设计地面）算起，至其下部全部湿陷性黄土层的底面为止，其中自重湿陷系数δzs＜0.015的土层不应累计。一般以探井数据为准，且取样间距宜为1.00m。4.3湿陷等级确定根据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25—90），湿陷性黄土地基湿陷等级有四级，分级标准不仅考虑了黄土的自重湿陷量Δzs，而且利用了黄土的总湿陷量Δs，根据计算出的自重湿陷量Δzs和总湿陷量Δs，按下表1确定地基湿陷等级。地基湿陷等级分类表1注：1、当总湿陷量30cmΔs≤50cm，计算自重湿陷量7cmΔzs≤30cm时，可判为Ⅱ级。2、当总湿陷量Δs≥50cm，计算自重湿陷量Δzs≥30cm，可判为Ⅲ级。总湿陷量Δs按下式计算：Δs=∑βδsihi式中：δsi—第i层土的湿陷系数hi—第i层土的厚度（cm）β—考虑地基土的侧向挤出和浸水机率等因素的修正系数。基底下5m（或压缩层）深度内可取1.5；5m以下,在非自重湿陷性黄土场地可不计算，在自重湿陷性黄土场地可参照β0取值。总湿陷量应自基础底面算起。在非自重湿陷性黄土场地，累计至基底下5m（或压缩层）深度止，在自重湿陷性黄土场地，对甲、乙类建筑，应按穿透湿陷性土层的取土勘探点，累计至非湿陷性土层顶面止，对丙、丁类建筑，当基底下湿陷性土层厚度大于10m时，其累计深度根据工程所在地区确定，其中湿陷系数δs小于0.015的土层不应累计。一般以探井数据为准，且取样间距宜为1.00m。4.4湿陷起始压力的应用湿陷起始压力对判定黄土是否具自重湿陷性有重要参考作用。一般情况下，在自重湿陷性黄土场地，其湿陷起始压力总是低于该土的饱和自重压力，在非自重湿陷性黄土场地，湿陷起始压力通常不小于该土的饱和自重压力。对湿陷性黄土场地来说，湿陷起始压力大小对基础设计及地基处理也有一定的指导作用。5.地基处理原则在湿陷性黄土场地进行建设,应根据湿陷性黄土的特点和工程要求，因地制宜,采取总湿陷量Δs（cm）7Δzs≤35Δzs≤7湿陷类型非自重湿陷性场地自重湿陷性场地Δs≤30Δzs≤7Ⅰ（轻微）Ⅱ（中等）Ⅱ（中等）30Δs≤607Δzs≤35Ⅱ或ⅢΔzs35Ⅲ（严重）Δs607Δzs≤35Ⅲ（严重）Δzs35Ⅳ（很严重）公路路面再生利用与养护新技术研讨会论文集以地基处理为主的综合措施，防止地基沉陷，保证建筑物的安全和正常使用。湿陷性黄土地基的处理应符合下列要求：对甲类建筑应消除地基的全部湿陷量或穿透全部湿陷性土层；对乙、丙类建筑应消除地基的部分湿陷量；对丁类建筑可不作地基处理，但宜按土的不同湿陷性程度采取基本防水和适当的结构措施。各类建筑消除地基湿陷量的最小处理厚度应符合《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25—90）有关规定。设计与施工时应采取防雨、防冻措施，并应防止地面水流入已处理和未处理的基坑（或槽）内。6.地基处理方法黄（陵）延（安）高速公路十五标路段所处黄土高原，黄土是主要的土源，本段有七公里顺河流设计，其中有一半以上路段都属湿陷性黄土地基，对路基施工造成一定难度，路基施工前就必须对此进行处理。经过对地质条件考察，对地基的处理分别采用了换填法、深层拌和法（粉喷桩）、砂桩、砂砾垫层、强夯等几种处理方法。6.1．换填法6.1.1开挖换填法适用于小面积湿陷性黄土地基处理，这种地基可以用机械进行直接开挖。施工工序：a)维护防止河流水流至要开挖的基坑内；b)开挖：机械开挖；c)排水：避免基坑开挖后坑内积水，造成施工不便；d)回填：采用机械配合人工回填片石（具有强度高、压缩性小、透水性好），人工排砌一层，约30㎝左右，一层片石排砌完后，用直径小于10㎝、含泥量小于5﹪的砂砾石回填，厚度10㎝，砂砾石的作用主要用于填充片石之间的缝隙和正平，砂砾石填完后用拖式凸轮压路机进行震动碾压，完后再进行片石排砌，逐层回填至（片石、砾石，具有强度高、压缩性小、透水性好）至高出河流平均水位线填土施工。6.1.2强制换填法适用湿陷性黄土层较浅或局部具有湿陷性黄土地段，利用片石自身的重量将软地基挤向周围。6.2．拌和法（表层拌和法、深层拌和法）深层拌和法中的喷射粉体缴搅拌法（粉喷桩）：a)平整场地；安装好深层混合搅拌机，转动搅拌翼片，边切土边靠自重下沉，待搅拌翼片下沉到预定深度时，开始压入固化剂（水泥），用压缩空气将粉状水泥压送到搅拌翼片处，待搅拌翼片旋转时从翼片背面形成的空隙部位喷射出来，喷射出来的水泥粘附在含水分的软土上，通过翼片搅拌。输送水泥的压缩空气则经过转轴的四周排出地面。为了保证加固土的均匀性和质量，需进行二次搅拌（1∕3）桩长。公路路面再生利用与养护新技术研讨会论文集b)在短时间内可得到较高的强度，压缩性能得到改善，对周围环境的影响小，几乎不需要弃土。6.3砂桩利用振动、冲击或打入套管等方法成桩（孔径一般为30～60㎝），然后向孔内填入中、粗砂，再加以夯实挤密形成土中桩体而加固地基的方法。作用：挤密地基土，降低孔隙比，提高地基土抗剪强度，减少沉降。还可以与原地基构成复合地基，从而提高地基承载力和稳定性。6.4砂砾垫层法是将基础底面以下一定范围的黄土换填成经分层夯实的砂砾作为持理层，其强度高，另外原黄土也由持力层转换成下卧层，其承载力随埋置深度的增加而提高，相对原土，砂砾垫层的压缩性小，基础沉降量减小。砂砾垫层要进行分层振动碾压，每层一般为15～20㎝，整个砂砾垫层厚度一般为0.5～1.0M之间，太厚施工困难，太薄效果较差。在铺垫过程中不要扰动垫层下的软弱土层，防止践踏、受冻、浸泡或暴晒过久，垫层底面宜尽量水平。6.5强夯法（动力固结法）a)施工简单，加固效果好，使用经济；b)经强夯法处理的地基、其承载力可提高2～5倍，压缩性降低2～10倍；c)强夯的原理是以8～12T的重锤，8～20M落距对土基进行强力夯击，利用冲击波和动压力达到土基加固的目的。以上几种是公路设计中经常出现的对黄土地基的处理方法，在黄（陵）延（安）高速都比较普遍的被应用，效果都很显著。7.结束语湿陷性黄土属特殊性岩土，不经处理一般不能直接作基础持力层，以免造成工程事故。黄土分布区的岩土工程勘察工作，应严格按照《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25—90）有关规定执行，并宜布适量探井，以探井数据评价场地的地基湿陷等级。参考文献[1]中华人民共和国国家标准.湿陷性黄土地区建筑规范(GBJ25-90)[S].中国建筑工业出版社.1991.[2]中华人民共和国国家标准.土工试验方法标准(GB/T50123-1999)[S].中国建筑工业出版社.1999.[3]中华人民共和国国家标准.岩土工程勘察规范(GB50021-2001)[S].中国建筑工业出版社.2002.[4]中华人民共和国行业标准.公路土工试验规程（JGGE40-2007）.人民交通出版社.2007