对深厚湿陷性黄土地基处理的探讨

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摘要：湿陷性黄土是西北地区常见的一种工程地质问题。根据水利水电工程实践对几种常用地基处理方法的具体应用以及存在的问题进行了论述，对类似工程的设计具有指导意义。
关键词：湿陷性黄土 地基处理 灌注桩 预浸水

1　黄土分布及概述

　　黄土作为一种常见的工程地基，在世界各地分布很广，面积达1 300万km²，约占地球陆地总面积的9．3％。中国黄土主要分布于北纬33°～47°之间，尤以34°～45°之间最为发育。总面积约为63．5万km²，占世界黄土分布的4．9％左右。黄土的堆积厚度为世界之最，其厚度中心在洛河和泾河流域的中下游地区，最大厚度达180～200 m。由此向东西两边逐渐减薄。其分布南始于甘肃南部的岷山、陕西的秦岭、河南的熊耳山、伏牛山，北以陕西白于山、河北燕山为界，西起祁连山，东至太行山。湿陷性黄土约占中国黄土分布面积的60％左右，主要分布于黄河中、下游地区，厚度最大达30 m左右。并具有自东向西、自南向北其湿陷性逐渐加剧的规律。

　　黄土按其成因分为原生黄土和次生黄土。一般将不具层理的风成黄土称为原生黄土，原生黄土经过流水冲刷、搬迁重新沉积而成的为次生黄土，工程界统称它们为黄土。次生黄土一般具有层理，较原生黄土结构强度要低。黄土在一定压力（土自重或自重压力和外压力）作用下，受水浸湿后结构迅速破坏而发生的显著下沉现象，称之为湿陷。具有湿陷性的黄土称为湿陷性黄土。湿陷性黄土又分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。中国现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GBJ25－90对湿陷性黄土从工程角度作了明确划分，将湿陷系数δs≥0．015的黄土定义为湿陷性黄土，同时将实测或计算自重湿陷量大于7 cm的湿陷性黄土定义为自重湿陷性黄土，将实测或计算自重湿陷量小于或等于7 cm的湿陷性黄土定义为非自重湿陷性黄土，并将黄土的湿陷等级划分为轻微（Ⅰ级）、中等（Ⅱ级）、严重（Ⅲ级）、很严重（Ⅳ级）4个级别，这里不再详述。

　　中国黄土按地质形成年代和工程特性基本划分为下列4个地层。

　　（1）早更新世黄土。简称为Q1黄土，形成于距今70～120万年之间。粉粒和粘粒含量比后期黄土要高，质地均匀，致密坚硬，低压缩，无湿陷性；

　　（2）中更新世黄土。简称Q2黄土，形成于距今10～70万年之间。同样具有粉粒和粘粒含量比后期黄土要高，质地均匀，致密坚硬，低压缩性的特点。但其最上部已表现出轻微湿陷性，是西北地区黄土地层的主体；

　　（3）晚更新世黄土。简称Q3黄土，形成于距今0．5～10万年之间。质地均匀，但较疏松，肉眼可见大孔，具湿陷性或强烈湿陷性；

　　（4）全新世黄土。简称Q4黄土，形成于距今5千年内。一般土质疏松，肉眼可见大孔，具湿陷性或强烈湿陷性。

　　通常将早期和中期形成的Q1和Q2黄土统称为老黄土，将其后形成的Q3和Q4黄土称为新黄土，可以看出通常所说的湿陷性黄土指的就是新黄土。

2　湿陷性黄土地基处理的工程实例

　　中国工程界自解放以来随着对湿陷性黄土的不断认识，先后于1966年、1978年和1990年分别制定了《湿陷性黄土地区建筑规范》，简称为“66黄土规范”、“78黄土规范”以及现在使用的“90黄土规范”，对湿陷性黄土地区的工程设计起到了规范和指导作用。笔者从事水利水电工程10多年来，先后参与了湿陷性黄土地区的供水工程、灌溉工程、泵站及电站工程以及游泳池等工程的设计，多数工程已正常运行多年，期间也出现过一些问题，在这里摘录点滴供大家交流和探讨。

2．1　大直径空心混凝土灌注桩在处理湿陷性黄土地基中的应用　　

　　陕西省东雷抽黄续建工程曾是陕西的重点工程，工程总投资15．0亿元，其下寨抽水站是提黄灌溉工程的三级站，笔者有幸参加了该站的设计工作，该项目的设计获得陕西省优秀工程设计一等奖。该站主要建筑物之一出水塔的基础就是深达17．0 m的自重湿陷性黄土，湿陷等级为Ⅱ级，塔体重量为4 500 t。其上游连接的是直径达2．0 m的4根厂房出水管道，下游衔接的是渡槽，所以对塔体的基础处理是极为重要的，一旦塔体沉陷，将直接影响上下游建筑物的安全。

　　地基处理先后对可能采用的灰土挤密桩、碎石震冲桩、静压桩、混凝土灌注桩以及沉井等方案进行了逐一比较，灰土挤密桩和碎石震冲桩存在的问题是处理深度不够和造价较高，采用混凝土灌注桩则造价更高。为了降低造价，项目组邀请了陕西省水电工程局，陕西省水利工程建设管理局等施工单位的专家进行共同探讨，就工程施工方案的可行性进行分析，最后通过了项目组推荐的混凝土灌注桩方案。为了降低造价提高单桩承载力，设计拟采用空心混凝土灌注桩外加端部扩头来提高单桩的承载力，经过对不同桩径的反复试算，最后采用了8根桩径为2．0 m，壁厚0．3 m，桩端扩头直径3．6 m的空心混凝土灌注桩，桩深30 m，桩距6．0 m。负摩阻力系数取1．55 t／m²，正摩阻力系数取3．5 t／m²，桩端标准承载力21 t／m²，修正后为79．8 t／m²，单桩承载力812．4 t。当时查到的国内最大桩径为1．6 m，该桩的桩径已达到国内同类工程的最大桩径。工程实施已近10 a，一直运行正常。

2．2　宁夏扬黄扩灌工程十一泵站厂房湿陷性黄土基础的处理　　

　　宁夏扬黄扩灌工程十一泵站主副厂房总长度77．5 m，主厂房宽13 m，副厂房宽14．5 m。其基础为自重湿陷性黄土，厚度达36．5 m，自重湿陷等级为Ⅲ～Ⅳ级，湿陷评价为严重～很严重。由于基础湿陷等级太高，而且厚度很大，面又广，经过多方比较，基础处理方案定为采用预浸水处理消除基础黄土的湿陷性。设计在建筑物周边外放5～10 m范围内（80 m×40 m）布置了6个20 m×20 m的浸水畦块，浸水坑深80 cm，然后在坑内用洛阳铲挖浸水孔，孔径8 cm，孔深23 m，孔距5．0 m，孔内填入碎石或砂砾石。浸水时，水深保持在淹没浸水孔0．5 m以上。经过224 d的持续观测（其中浸水观测162 d，停水观测62 d）。坑内停水前沉降量为127．5～188．6 cm，平均167．7 cm，停水后沉降量为16．2～85．3 cm，平均167．7 cm。浸水前后累计平均沉降量为215．1 cm。单位面积耗水量33．6 t／m3。

　　浸水停止4个月后，在现场布置探坑3个，探坑深度13 m，在探坑深度范围内每米取样1件，进行室内常规土工试验。探坑开挖后发现，13 m以下的土层仍呈饱和状态，不能取样。根据土工试验结果，在饱和自重压力下的自重湿陷性系数（δzs）均小于0．015，计算自重湿陷量△zs＝1．9 cm，小于7 cm。200 kPa压力下的最大湿陷系数（δ）也小于0．015，计算总湿陷量△＝6．0 cm。说明基础黄土的湿陷性已基本消除。

　　实际施工中存在的问题是浸水处理后的泵站场地上层土层，仍呈中～高压缩性，以中压缩性为主，其承载力标准值为130～150 kPa。另外，预浸水后基础土层含水量过高，接近于饱和状态致使后续工作无法正常进行，这也正是预浸水处理的弊端。根据以往工程的经验，预浸水处理耗时较长，一般停水后要1 a左右的时间才能使土层的含水量降低到最初状态，因此在采用预浸水处理时一定要充分考虑工期问题。另外预浸水处理只能消除地表6 m以下土层的湿陷性，对于表层6 m范围内的土层还具高压缩性，应结合使用换填等其他办法消除其高压缩的外荷湿陷性。在该工程中施工单位最后对表层8 m范围内的土层采用了水泥粉喷桩处理。

3　湿陷性黄土地基处理的方法探讨

　　中国在解放后对于湿陷性黄土地基处理的实践已有几十年了，具体方法也很多，但归纳起来其基本思路不外乎以下几种：

　　（1）基本消除基础已有土层的湿陷性；其常用方法有强夯、换土、挤密桩等。这是对于土层较薄（10m以内）时采用的办法。当土层深厚时，常用办法就是预浸水处理。这类办法是通过工程措施，针对湿陷土层本身进行处理，改善其土壤结构和基本特性，以达到消除其湿陷性的目的。这种方法的缺点是对于深厚湿陷性黄土来说，耗时太长，往往影响工期。优点是施工方便，费用较低；

　　（2）使建筑物基础穿透湿陷性黄土层，传力于湿陷土层以下的持力土层上，达到躲过湿陷性黄土层的目的。常用方法就是桩基，尤以灌注桩为主。这种方法避过了湿陷性土层，使基础传力于湿陷土层以下的持力土层上，相对来说比较安全可靠，所以被广泛应用于比较重要的独立建筑物的基础处理。缺点是投资费用较大；

　　（3）充分作好建筑物基础的隔水层，使基础湿陷性黄土地基无法浸水，以达到避免地基湿陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油毡以及各种PVC和PE膜。这种方法常常用于对基础承载力要求不高的设施，如游泳池、供水管床、渠道等。

　　另外，值得探讨的是，对于大厚度湿陷性黄土是否一定要消除其湿陷性？笔者在工程实际中遇到过类似的问题。

　　在宁夏扬黄扩灌工程设计中，通过调查发现当地很多建筑物其基础虽然较深，但并没有对基础作特殊处理，运行多年也未发现湿陷问题。过后通过调查分析发现，原因在于该地区常年降雨量很小，在 180～400 mm之间，而蒸发量却达到1 800～2 200mm，蒸发量相当于降雨量的5～10倍，即便是发生大暴雨，雨水也无法浸透深厚的湿陷土层。据宁夏自治区水电设计院地质勘测队对原固海老灌区地下水变化的大量调查发现，老灌区十多年来的灌溉运行并没有影响到地下水位的变化，且大量的灌溉水量仅仅只能引起地表10 m范围内的土壤含水量发生变化，10 m以下土层含水量保持在稳定状态。另据原建工部建筑科学研究院和西安市自来水公司等单位曾在西安韩森寨一带进行的管道漏水影响范围的试验，连续漏水23～153 d，漏水量600～1 400 t，试验结果，最大浸湿范围为5．0～7．3 m。同时用350mm的混凝土管做试验，漏水32 d后，浸湿范围基本稳定，最大影响半径为5．0 m。这也就引起了思考，对于大厚度湿陷性黄土是否一定要彻底消除其湿陷性？笔者认为这个问题很值得研究，尤其在西北地区，因为该地区湿陷土层较厚，经常在20 m以上，甚至象前面提到的36．5 m深。完全消除这些土层的湿陷性或彻底穿透湿陷土层往往要花很大代价，所以对这一问题的深入研究具有直接的经济效益，能够大量节约工程投资，缩短工程工期。此时应对建筑物使用条件和所处的周边环境作适当调查，具体问题具体分析，只要建筑物的基础承载力满足要求，外界来水又无法浸湿湿陷性地基时，完全可以考虑将建筑物基础坐落于湿陷土层上。事实上，很多游泳池、输水渠（管）道也就建在湿陷性土层上。对于基础承载力要求较高的较大型的建筑物，当基础埋深较大如箱基等，其地基承载力常常是可以满足要求的，此时就可以考虑不消除其地基土层的湿陷性，只要作好隔水处理即可。这样处理可以节约大量资金和工期，对于中小型深基坑厂房很值得借鉴。

4　结语

　　湿陷性黄土在西北地区分布较广，积累的工程经验也比较丰富，以上仅是个人的一点体会和看法，提出来和大家探讨。

参考文献

［1］钱鸿缙，王继唐．湿陷性黄土地基［M］．北京：中国建筑工业出版社，1985．

［2］GBJG25－90．湿陷性黄土地区建筑规范［S］．西北水电