濕陷性黃土地基處理方法進(jìn)展與實(shí)踐

張 茹

我國(guó)地域遼闊,地質(zhì)條件復(fù)雜,土的類別繁多,有些土由于不同的地理環(huán)境、氣候條件、地質(zhì)成因及物質(zhì)成分等原因,具有與一般土類顯著不同的特殊工程性質(zhì)。濕陷性黃土就是其中一種,當(dāng)其作為建筑地基時(shí),浸水后在自重及外荷載作用下易發(fā)生顯著沉陷,從而引起建筑物不均勻沉降,是造成黃土地區(qū)地基發(fā)生事故的主要原因,如果不根據(jù)其特點(diǎn)采取相應(yīng)的治理措施,就會(huì)造成工程事故。本文針對(duì)濕陷性黃土的工程特性,從實(shí)踐中加以總結(jié),指出地基處理的相應(yīng)方法,以供參考。

1 黃土地基濕陷性原因分析及類型判別

1.1 黃土地基濕陷性原因分析

黃土廣泛分布于我國(guó)西北及華北地區(qū),是第四紀(jì)干旱及半干旱氣候條件下形成的特殊沉積物。黃土中粉粒含量可達(dá)60%～70%,其中含有大量的碳酸鹽、硫酸鹽及氯化物等可溶鹽類,具有肉眼可見(jiàn)的大孔隙,豎直節(jié)理發(fā)育,能保持直立的邊坡。在黃土形成的過(guò)程中,季節(jié)性的短期降雨把松散的粉粒粘結(jié)起來(lái),而長(zhǎng)期干旱的氣候又使土中的水分不斷蒸發(fā),于是少量的水分連同溶于其中的鹽分便集中在粗粉粒的接觸點(diǎn)處,可溶性鹽類逐漸沉淀而成為膠結(jié)物。隨著含水量的減少,土粒彼此靠近,顆粒間的分子引力以及結(jié)合水和毛細(xì)水的聯(lián)結(jié)力也逐漸增大,這些因素都增強(qiáng)了土粒間的抵抗力,阻止了土粒間的自重壓密,形成了以粗粉粒為主體骨架的多孔隙結(jié)構(gòu)。黃土的結(jié)構(gòu)特征及其物質(zhì)組成是產(chǎn)生濕陷的內(nèi)在因素,而水的浸潤(rùn)和壓力作用是產(chǎn)生濕陷的外部條件。當(dāng)黃土受水浸濕時(shí),土粒間的可溶鹽類被水溶解或軟化,骨架強(qiáng)度隨之降低,土體在上覆土重或在自重壓力與附加壓力的共同作用下,其結(jié)構(gòu)迅速破壞,土粒向大孔滑移,從而導(dǎo)致大量的附加沉陷,這種黃土稱為濕陷性黃土。

1.2 濕陷性黃土地基類型判別

當(dāng)黃土的濕陷系數(shù)δs≥0.015時(shí)即為濕陷性黃土,濕陷性黃土又可分為自重濕陷性和非自重濕陷性黃土兩種類型。濕陷性黃土受水浸濕后,在其自重壓力下發(fā)生濕陷的,稱為自重濕陷性黃土,而在自重壓力和附加壓力共同作用下才發(fā)生濕陷的,稱為非自重濕陷性黃土。對(duì)于這兩種類型,可用室內(nèi)壓縮試驗(yàn)測(cè)定的自重濕陷系數(shù)來(lái)判斷,當(dāng)δzs＜0.015時(shí)為非自重濕陷性黃土,δzs≥0.015時(shí)為自重濕陷性黃土,也可在地基勘察中進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)試坑浸水試驗(yàn),按實(shí)測(cè)自重濕陷量來(lái)判定。

2 濕陷性黃土地基處理方法

2.1 灰土墊層法

灰土墊層是先將需要處理的濕陷性黃土挖除,換之以消石灰和粉質(zhì)黏土的混合體,經(jīng)摻水拌和后分層壓實(shí)?；彝辆哂幸欢ǖ哪z凝強(qiáng)度和水穩(wěn)定性,質(zhì)量合格的灰土墊層本身承載力標(biāo)準(zhǔn)值可達(dá)到 fk=200 kPa～250 kPa,壓縮模量 Es=20 MPa～40 MPa,具有較好的承載力、較低的壓縮性和良好的耐久性、水穩(wěn)性及不透水性。灰土的這種特性取決于灰土的壓實(shí)度和摻灰量。摻灰量用消石灰和土料的體積配合比表示,一般為2∶8或3∶7等,根據(jù)設(shè)計(jì)要求確定。

2.2 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是將重錘(一般100 kN～400 kN)以8 m～20 m落距(最高可達(dá)40 m)下落,在巨大的沖擊能作用下,進(jìn)行地基深層夯實(shí)加固的方法。強(qiáng)夯在土體中產(chǎn)生縱波(壓縮波)和橫波(剪切波),縱波破壞土體骨架結(jié)構(gòu),使土粒間產(chǎn)生位移,而橫波破壞土粒間的聯(lián)結(jié),使土體骨架產(chǎn)生新的沉降和壓密。

強(qiáng)夯法施工設(shè)計(jì)參數(shù)主要有有效加固深度、夯擊能、夯擊遍數(shù)、間歇時(shí)間、夯點(diǎn)布置及間距等。強(qiáng)夯法有效加固深度是指夯后地基承載力達(dá)到設(shè)計(jì)要求或濕陷性消除的土層厚度,是強(qiáng)夯法應(yīng)用的核心問(wèn)題,過(guò)去實(shí)際應(yīng)用中多用Menard公式來(lái)計(jì)算:

其中,W為錘重,kN;H為落距,m;a為系數(shù),取0.3～1.0。

但由于式中a值變化范圍較大,量綱也不相符,近幾年來(lái)國(guó)內(nèi)外大量試驗(yàn)研究及工程實(shí)測(cè)資料表明:采用Menard公式估算有效加固深度將會(huì)得到偏大的結(jié)果。實(shí)際上影響有效加固深度的因素很多,除了錘重和落距以外,地基土的性質(zhì)、不同土層的厚度及其他強(qiáng)夯設(shè)計(jì)參數(shù)等都與有效加固深度有著密切的關(guān)系。因此,在強(qiáng)夯加固地基的實(shí)踐中,許多學(xué)者從各方面提出了各種不同的計(jì)算公式。如李學(xué)亮提出:,S為錘底面積,其余同前;h0為夯坑深度,m;ρd為夯前土體干密度,t/(s2·m3)。

強(qiáng)夯是處理濕陷性黃土地基的一種行之有效的方法,具有適用范圍廣,土方開(kāi)挖少,施工簡(jiǎn)便,工期短,費(fèi)用低等優(yōu)點(diǎn),經(jīng)強(qiáng)夯處理后的濕陷性黃土地基,不但能基本消除濕陷性,而且還能提高承載力。

其中,E為單位面積夯擊能,kJ/m2

2.3 灰土擠密樁法

灰土擠密樁法屬于一種柔性樁復(fù)合地基,它是通過(guò)夯實(shí)的樁身和擠密的樁間土提高地基強(qiáng)度,又通過(guò)樁間土的擠密達(dá)到消除濕陷性的目的,是濕陷性黃土地區(qū)重要的地基處理方法之一。灰土擠密樁一般適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土,處理深度5 m～15 m。施工時(shí),先利用沉管、沖擊或爆擴(kuò)等方法在地基中擠土成孔,然后向孔內(nèi)夯填灰土成樁。成樁時(shí),通過(guò)成孔過(guò)程中的橫向擠壓作用,樁孔內(nèi)的土被擠向周圍,使樁間土得以擠密,然后將備好的灰土分層填入樁孔內(nèi),并分層搗實(shí)至設(shè)計(jì)標(biāo)高,二者分別與擠密的樁間土組成復(fù)合地基,共同承受基礎(chǔ)的上部荷載。灰土通常采用3∶7灰土或2∶8灰土(石灰與土的體積比),在最優(yōu)含水量狀態(tài)下進(jìn)行分層夯實(shí),其壓實(shí)系數(shù)不宜小于0.97。樁徑一般采用300 mm～600 mm,樁距控制在2倍～2.5倍樁徑比較合理,樁孔按正三角形布置,樁間土擠密后3個(gè)孔之間土的平均擠密系數(shù)不宜小于0.93。樁孔深度應(yīng)根據(jù)建筑物的分類情況、濕陷類型、濕陷等級(jí)、濕陷土層厚度綜合確定。

甘肅慶陽(yáng)某綜合樓位于嚴(yán)重自重濕陷性黃土地區(qū),地基處理時(shí)采用灰土擠密樁法,檢測(cè)結(jié)果表明,壓實(shí)系數(shù)平均達(dá)到0.98,干密度由原來(lái)的1.21 g/cm3～1.55 g/cm3提高到1.57 g/cm3～1.67 g/cm3,濕陷系數(shù)由最大0.116降為最大0.014,濕陷性消除,壓縮性由高壓縮性降低為中低壓縮性,經(jīng)靜載荷試驗(yàn)確定的復(fù)合地基承載力達(dá)250 kPa。

2.4 預(yù)浸水法

對(duì)于自重濕陷性黃土,可在施工前在建筑場(chǎng)地構(gòu)筑小埝,圍成淺塘,向塘中注水并保持一定的水深,讓水充分浸入土中,使土產(chǎn)生自重濕陷。若土層很厚,可先在土層中鉆孔,填以粗砂和碎石形成砂井,然后在塘內(nèi)放水浸泡,水深保持0.3 m～0.5 m。預(yù)浸水法要注意濕陷觀測(cè),包括地層濕陷、地表變形觀測(cè)和耗水量變化觀測(cè)等內(nèi)容。預(yù)浸水前,在遠(yuǎn)離浸水范圍外的位置埋設(shè)一永久性水準(zhǔn)點(diǎn),先觀測(cè)一次,浸水開(kāi)始后,每天定時(shí)觀測(cè)一次,同時(shí)每天記錄注水時(shí)間、水量并及時(shí)整理觀測(cè)資料,當(dāng)最后5 d平均濕陷量小于5 mm時(shí),即可認(rèn)為濕陷變形完成,浸水及觀測(cè)可停止。預(yù)浸水法處理地基方法簡(jiǎn)單、投資低,但需要一定的浸水時(shí)間才能施工,而且因上部4 m～5 m土體的自重小,不足以消除濕陷性,需采取其他處理措施。

3 結(jié)語(yǔ)

濕陷性黃土地基的處理,應(yīng)針對(duì)不同的自然條件和工程特點(diǎn),本著“因地制宜、經(jīng)濟(jì)合理”的原則,采取適當(dāng)?shù)奶幚泶胧?必要時(shí)考慮綜合處置方案,以達(dá)到消除或降低濕陷性的目的。

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