濕陷性黃土地區(qū)巖土工程勘察和地基處理要點(diǎn)

陳智科

（中國有色金屬工業(yè)西安勘察設(shè)計研究院有限公司，西安710054）

1 引言

濕陷性黃土廣泛分布于我國東北、華東、華中以及西北等地區(qū)，隨著我國“一帶一路”倡議的推進(jìn)，在濕陷性黃土地區(qū)的道路、管道和房屋建筑等工程的數(shù)量快速增加，濕陷性黃土地基的病害更加突顯，嚴(yán)重威脅了這些工程項(xiàng)目的安全性和耐久性[1]。濕陷性黃土地基引發(fā)的工程危害會受到濕陷性黃土地層厚度、浸水量以及上部荷載大小等內(nèi)外因素的影響，這對濕陷性黃土地區(qū)的巖土工程勘察和地基處理提出了更高的要求[2]。目前，在實(shí)際工程中，對于濕陷性黃土地基的勘察和處理仍存在大量勘察不明、處理不合理的情況，導(dǎo)致濕陷性黃土地基引發(fā)的工程病害頻發(fā)。因此，進(jìn)一步探討濕陷性黃土地區(qū)的巖土工程勘察和地基處理要點(diǎn)，為濕陷性黃土地區(qū)的工程病害防治提供指導(dǎo)和建議，對濕陷性黃土地區(qū)的工程建設(shè)有重要意義。

2 濕陷性黃土地區(qū)地質(zhì)特征及工程特性

我國濕陷性黃土主要分布于干旱、半干旱地區(qū)，最常見的濕陷性黃土為上更新統(tǒng)風(fēng)積馬蘭黃土（Q3eol）和全新統(tǒng)風(fēng)積黃土（Q4eol），均是典型的風(fēng)成原生黃土。濕陷性黃土顆粒主要為粉粒，約占總質(zhì)量的50%～70%，粒徑小于0.005 mm 的黏粒含量較少，一般不超過總質(zhì)量的10%。此外，碳酸鹽、硫酸鹽等易溶鹽含量也較高。濕陷性黃土土質(zhì)均勻、結(jié)構(gòu)疏松、多孔隙，垂直節(jié)理非常發(fā)育，具有顯著的結(jié)構(gòu)性。在低含水量的干燥條件下，濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，壓縮性低。但隨著含水量的增加，濕陷性黃土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度降低，部分易溶鹽溶化，導(dǎo)致土層壓縮性急劇增大，從而表現(xiàn)出顯著的濕陷性，引起很大的附加沉降（見圖1）。

圖1 濕陷性黃土附加沉降

根據(jù)濕陷變形的產(chǎn)生是否需要外部附加荷載，可以將濕陷性黃土分為自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土2 類；根據(jù)濕陷性的大小，又可以將濕陷性黃土的濕陷性分為非濕陷性、輕微濕陷性、中等濕陷性和強(qiáng)濕陷性4 個等級。由于濕陷性黃土具有土質(zhì)松散、孔隙多且連通性好、垂直節(jié)理發(fā)育等結(jié)構(gòu)特征，濕陷性黃土的滲透性很強(qiáng)，并且垂直方向滲透系數(shù)通常是水平方向滲透系數(shù)的數(shù)倍，地表水極易浸入很深的地層中，引發(fā)深地層濕陷沉降變形。此外，濕陷性黃土具有很強(qiáng)的水敏性，隨著含水量的增加，強(qiáng)度快速降低，在飽和狀態(tài)下黏聚力的降幅一般可達(dá)50%～90%，而內(nèi)摩擦角的降幅較小，一般為10%～30%。

綜上，濕陷性黃土是干旱、半干旱地區(qū)的一種特殊性質(zhì)的土，具有顯著的濕陷性、很強(qiáng)的滲透性和水敏性，因此，濕陷性黃土地基的勘察和處理具有自己的要點(diǎn)和要求。

3 濕陷性黃土地區(qū)巖土工程勘察要點(diǎn)

濕陷性黃土地基的巖土工程勘察要緊密圍繞濕陷性、滲透性和強(qiáng)度等主要工程性質(zhì)開展，以有針對性、有代表性和準(zhǔn)確性為原則，采用工程測繪、勘探、取樣、現(xiàn)場原位測試、室內(nèi)實(shí)驗(yàn)等多種手段，準(zhǔn)確、全面地測定濕陷性黃土地基的各類物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)。

3.1 判斷黃土的成因

濕陷性黃土主要是由晚更新世風(fēng)積形成的馬蘭黃土以及全新世風(fēng)積形成的黃土組成，而其他更早年代形成的黃土，如中更新世黃土及其以前的離石黃土等，并不具備濕陷性或僅有輕微的濕陷性。因此，進(jìn)行巖土工程勘察前，要做好濕陷性黃土地層時代與形成原因的分析和判斷，可有效提高后續(xù)勘察工作的效率和精準(zhǔn)性。

3.2 確定勘探方案

濕陷性黃土地基勘探工作應(yīng)注重2 點(diǎn)：（1）確定勘探點(diǎn)的位置。應(yīng)根據(jù)濕陷性黃土地基場地的地貌特征，將勘探點(diǎn)布置在控制性地段，以有效查清地基場地范圍內(nèi)各土層的空間變化規(guī)律，準(zhǔn)確反映濕陷性黃土層在縱向、橫向的連續(xù)性和變化差異，探明地下水位的高度及分布。（2）確定探井深度。為了全面、準(zhǔn)確地探明地層中所有濕陷性黃土層的分布情況和工程性質(zhì)，一般要求探井深度應(yīng)超過濕陷性黃土層厚度，如果濕陷性黃土地層過厚，可利用物理學(xué)取樣方法來確定濕陷性黃土層的下限埋深，從而提高勘探效率和質(zhì)量[3]。

3.3 工程地質(zhì)測繪要點(diǎn)

為保證濕陷性黃土巖土工程勘察工作的質(zhì)量，工程地質(zhì)測繪環(huán)節(jié)必須得到重視，勘察人員應(yīng)測繪濕陷性場地的微地貌，分析微地貌的類型、展布情況及不良地質(zhì)現(xiàn)象，研究地形變化歷史、地層巖性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造特征。此外，勘察人員還需要調(diào)查地下水位的季節(jié)性變化幅度、深度、升降趨勢及其與灌溉情況、地表水體的關(guān)系，地表水下滲和側(cè)向浸水性評估也需要得到重點(diǎn)關(guān)注。

3.4 明確取樣要點(diǎn)

黃土有很強(qiáng)的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在濕陷性黃土地區(qū)取樣時，應(yīng)考慮樣本所具備的物理力學(xué)性質(zhì)，合理布置取樣點(diǎn)。取樣時，勘察人員需要嚴(yán)格依照相關(guān)規(guī)范要求操作，在不影響土樣質(zhì)量的前提下，借助薄壁取土器進(jìn)行取樣，盡可能減少對所取原狀土樣的擾動，保證取樣質(zhì)量和效率，為獲取有效試驗(yàn)樣本和準(zhǔn)確反映現(xiàn)場地基土的物理力學(xué)特性提供保障。

3.5 勘察試驗(yàn)要點(diǎn)

勘察試驗(yàn)要在嚴(yán)格遵循相關(guān)規(guī)范要求、真實(shí)反映工程實(shí)際條件的基礎(chǔ)上，對采集到的濕陷性黃土樣本進(jìn)行室內(nèi)土工試驗(yàn)，準(zhǔn)確測定各黃土層的濕陷系數(shù)、滲透系數(shù)、重度、天然含水量、天然孔隙比和強(qiáng)度指標(biāo)等工程物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際天然工況和相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)確定濕陷性黃土地基各黃土層的濕陷性等級，對濕陷類型以及濕陷等級進(jìn)行劃分，確定地基承載力。需要注意的是，在對濕陷性黃土進(jìn)行土工試驗(yàn)時，應(yīng)盡量減少土體擾動問題，保持土樣的完整性和結(jié)構(gòu)性，得到具有代表性且準(zhǔn)確的物理力學(xué)指標(biāo)。

3.6 提升管理效率

在對濕陷性黃土進(jìn)行巖土工程勘察的過程中，應(yīng)結(jié)合其特征，制訂具備良好可行性的勘察方案，并且在不同的勘察階段，需要選擇不同的勘察方法，這樣才能保證巖土工程勘察工作高效完成，對濕陷性黃土進(jìn)行科學(xué)的巖土工程勘察評價，給出合理的濕陷性黃土地基處理建議和基礎(chǔ)設(shè)計建議。同時，要做好試驗(yàn)人員的培訓(xùn)工作，使試驗(yàn)人員的專業(yè)能力與綜合素質(zhì)得到進(jìn)一步提升，加強(qiáng)對勘察過程的監(jiān)督管理，借助科學(xué)的評測方法和分析方法，保證巖土工程勘察的合理性和準(zhǔn)確性。

4 濕陷性黃土地區(qū)的地基處理方法

黃土的濕陷性是黃土地區(qū)地基處理主要關(guān)注的問題，目前，淺層濕陷性黃土地基處理方法已較為成熟，但深厚濕陷性黃土地基處理方法尚未形成系統(tǒng)的方案。當(dāng)前常用的濕陷性黃土地基處理方法有預(yù)浸水法、化學(xué)加固法、換填墊層法、強(qiáng)夯加固法等。

4.1 預(yù)浸水法

對于自重濕陷性黃土地基的處理，可以利用其本身的自重濕陷特征，在建筑工程施工前，做好地基的浸水處理，確保其能夠在自重作用下完成濕陷沉降變形，然后再進(jìn)行建筑施工。一般來講，預(yù)浸水法能夠?qū)ν翆雍穸瘸^10 m、自重濕陷量超過50 cm 的濕陷性黃土地基進(jìn)行處理，但這種方法適用于處理的黃土厚度小于6 m 的土層，因其自重壓力偏低，仍然具有一定的濕陷性，必須做進(jìn)一步的處理才能確保地基的穩(wěn)定性和承載能力。

4.2 化學(xué)加固法

化學(xué)加固法在濕陷性黃土地基處理方面的應(yīng)用有2 種形式，均適用于地下水位以上的地基加固。（1）單液硅化加固法：需要向地基中加入水玻璃混合溶液，在自重濕陷性場地，溶液能夠通過預(yù)先設(shè)置的灌注孔滲透到地基土中；對于非自重濕陷性場地，則需要施加一定的壓力，將溶液壓入地基中；（2）堿液加固法：需要向地基中加入堿液，適用于非自重濕陷性黃土場地中已有建筑的地基加固。對比其他方法，化學(xué)加固法見效更快，工期更短，但是，成本相對較高，在滲透系數(shù)低的黃土地基中并不適用。

4.3 換填墊層法

換填墊層法簡單來講，是將濕陷性土層挖除，利用素土或灰土進(jìn)行回填，配合分層夯實(shí)的方式來對地基進(jìn)行加固。在進(jìn)行換填的過程中，根據(jù)實(shí)際情況，可以選擇局部換填或整片換填，適用于地下水位以上的地基處理。在對地基進(jìn)行加固前，必須確定最佳摻灰比例，一般情況下，石灰摻量比例約為6%。在石灰土換填完成后，地基強(qiáng)度可以得到顯著提升。但是，從實(shí)際施工角度來看，換填墊層加固法需要對大量土方進(jìn)行開挖，工程量大且施工周期長，會對周邊環(huán)境造成一定影響。

4.4 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法的基本原理是利用重型設(shè)備將夯錘提到一定的高度，然后自由落下，對地基進(jìn)行反復(fù)夯擊，以達(dá)到加固地基的目的。強(qiáng)夯法適用于飽和度Sr＜60%的濕陷性黃土地基的局部或整片處理，一般可處理基底以下3～12 m 范圍內(nèi)的地層。強(qiáng)夯過程會在地基土層內(nèi)部產(chǎn)生很大的沖擊，提高地基土密實(shí)度，有效消除濕陷性黃土地基濕陷性，提高地基承載力；另外，可以利用大顆粒材料對夯坑進(jìn)行回填，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)強(qiáng)夯置換地基加固。但是，應(yīng)用強(qiáng)夯法在施工過程中會產(chǎn)生很大的噪聲和振動，容易對周圍環(huán)境和已有建筑物造成負(fù)面影響，應(yīng)做好相關(guān)評估和防護(hù)。

5 結(jié)語

綜上所述，在對濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行巖土工程勘察時，應(yīng)緊密結(jié)合濕陷性黃土的工程性質(zhì)，判斷土層的性質(zhì)和成因，做好勘察方案設(shè)計和取樣工作，嚴(yán)格遵循土工試驗(yàn)測試要求，獲取準(zhǔn)確、真實(shí)、具有代表性的地基土物理力學(xué)指標(biāo)，為后續(xù)地基處理和基礎(chǔ)設(shè)計提供參考依據(jù)。在地基處理環(huán)節(jié)，應(yīng)從濕陷性黃土實(shí)際工況出發(fā)，選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，最大限度地消除地基的濕陷性，提升地基土的?qiáng)度和穩(wěn)定性，保障建筑工程施工質(zhì)量和施工安全。