淺談西北地區(qū)房建工程濕陷性黃土地基處理研究

徐 昕（蘭州博文科技學院，甘肅 蘭州 730101）

上新世末我國黃土高原地區(qū)高差相對較小，沒有太多的溝壑，比較廣闊、平坦，屬于濕熱的草原環(huán)境。到第四紀初，隨著地殼的不規(guī)則運動，導致青藏高原逐漸上升，改變了原有的地形特征，阻擋了季風的遷移，同時誘發(fā)了大氣環(huán)境的改變。從上新世紀后期開始，我國西北地區(qū)的氣候變成了干旱和半干旱氣候，這也為后期的黃土形成奠定了基礎。黃土的形成距今已有260 萬年以上，其形成過程主要分為三個階段：第一是黃土物質堆積階段，以粉土顆粒為主；第二是形成黃土堆積物的特殊膠結結構；第三是形成風化層或土壤層，或由于天然壓實而失去黃土的特殊外觀和原有的結構特征［1］。

1 黃土的工程特性

最為典型的黃土為棕黃色或黃褐色，是一種粉沙顆粒組成的物質，組成粒徑較小，一般為0.075mm～0.005mm，最大顆粒不超過0.25mm。西北地區(qū)在全國的黃土分布中具有面積廣、厚度大的特點，其厚度一般在50m～200m，極個別地方黃土厚度達到了300m 以上［2］。黃土中礦物質含量有60余種，大部分為水溶鹽。其中，易溶鹽是影響黃土濕陷性指標的重要物質，主要為氧化物和硫酸鎂，極易溶于水或與水發(fā)生反應，導致塌陷；中溶鹽主要為石膏，以結晶的狀態(tài)分布在黃土中，遇水后具有溶解性小的特點，對濕陷性的影響較小；難溶鹽主要為一些碳酸鹽，在黃土中以游離狀態(tài)存在，主要作用是將黃土顆粒黏結在一起，同時也是構成黃土結構的骨架，決定黃土強度的重要指標［3］。通過上述結構分析，濕陷性黃土在自然條件下具有較高的強度和穩(wěn)定性，當其受到水的侵蝕作用時，與水溶鹽發(fā)生反應，迅速發(fā)生變形、收縮，且變形在瞬間完成，屬于不可逆轉的變形，體現(xiàn)在實體工程中會發(fā)生不均勻沉降導致變形、開裂，威脅人身安全及財產損失。針對濕陷性黃土的處理措施，相關學者也對其進行了深入的研究，提出了換填、以土治土等一些處理措施，如何根據(jù)不同等級、不同厚度的濕陷性黃土選擇適當?shù)奶幚泶胧?，還需要進一步的研究。

2 換填墊層法處理濕陷性黃土地基

2.1 原理

換填墊層法是將不良地質段內需要換填的軟弱層挖除，將強度高、穩(wěn)定性好、無侵蝕性的高性能材料進行分層回填、碾壓后施作墊層，形成復合式地基的一種處理方法。房建工程基底處理可采用的換填材料有天然沙礫、灰土等，其中，最為常見的是換填灰土，通過頂部墊層覆蓋，經壓實機具逐層碾壓，使其形成整體受力，從而提高地基承載力的一種方法［4］。

2.2 適用范圍

換填法是一種淺層的復合式地基處理方式，適用于處理各種濕陷性等級、深度淺、范圍小的濕陷性黃土地基，處理深度一般在0.5m～3m，處理范圍相對于其他方式較小，如荷載小、房屋建筑高度小的建筑。

2.3 優(yōu)缺點分析

2.3.1 優(yōu)點分析

①應用范圍廣。換點墊層法可適用于不同等級的自重和非自重濕陷性黃土地基的處理；

②換填墊層法處理濕陷性黃土比較徹底，從根本上解決了黃土的濕陷性，換填完成后承載力高，處理后地基穩(wěn)定性好，建筑物修建完成后工后沉降少；

③換填材料種類繁多，可根據(jù)不同地域料源特點選擇；

④墊層與換填材料組成復合式地基結構，共同受力。受到上部荷載時，首先將荷載傳遞到墊層，通過墊層將荷載擴散，避免了應力集中。

2.3.2 缺點分析

①處理深度受限，使用范圍較小。換填墊層法只能處理一些濕陷性黃土厚度較小的地基處理，針對大厚度黃土、地基處理深度大的超高層建筑時選用其他工藝；

②開挖回填工程量較大，工藝復雜，工期難控制。換填墊層法處治濕陷性黃土需要將原地面下挖一定深度，開挖的土體外運到指定位置，換填材料進場后需分層攤鋪，逐層碾壓，工藝相對煩瑣，且施工過程中受雨雪天氣影響較大，工期目標難以實現(xiàn)；

③環(huán)保方面難以控制。房建工程一般均在繁華的大都市，車輛運輸廢渣及換填材料時輪胎沾染泥土，避免不了對城市的污染。

2.4 工藝重點

換填法施工前需要在開挖界限以外500mm的位置處開挖截水溝，防止因開挖過程中降雨導致開挖邊坡垮塌。換填深度超過2m 的基坑開挖需要進行放坡處理，開挖采用分層法進行，每層厚度控制在500mm 以內，并在開挖過程中設置臨時排水系統(tǒng)，避免基底積水造成承載力下降。開挖后的棄渣通過自卸汽車采用篷布覆蓋運輸?shù)街付ㄎ恢?，車輛駛離前在出廠口設置洗車臺，沖洗輪胎上的泥土。開挖好的基底內按照每輛運輸車輛的方量及虛鋪厚度畫出方格，換填材料運輸至施工現(xiàn)場后卸在方格內，采用推土機推平后碾壓，碾壓過程中逐層檢測壓實度，碾壓完成后進行墊層施工。

3 沖擊碾壓法處理濕陷性黃土地基

3.1 原理

沖擊碾壓處理濕陷性黃土的主要原理是通過牽引車提供動力，拉動由3～5邊形組成的非圓凸輪在一定速度的驅使下轉動，非圓凸輪與地面形成了相對高差，產生重力勢能，非圓凸輪與地面接觸轉化成動能，在被處理的地基上連續(xù)滾動，通過多次搓揉、沖擊、碾壓后，將地基內呈分散狀態(tài)的黃土擠壓密實，迫使小顆粒黃土鑲嵌在大顆粒黃土間的縫隙內，土顆粒重新進行排列組合，使土體內多余的空氣排出，密度增大，提高承載力，降低了沉降風險。

3.2 適用范圍

沖擊碾壓法是一種淺層的地基處理方式，適用于級別較低的（主要為Ⅰ、Ⅱ）自重和非自重濕陷性黃土地基處理，根據(jù)規(guī)范及施工經驗處理深度在0.5m～1.5m，沖擊碾壓過程中影響深度可達到2m 以上，主要應用于大型廠區(qū)建設時的地基處理。

3.3 優(yōu)缺點分析

3.3.1 優(yōu)點分析

①處理范圍大。沖擊碾壓法施工所需的場地不得小于100m，寬度不得小于10m（考慮沖擊碾壓轉彎半徑），處理范圍在幾種常見的地基處理方式中屬于最大；②沖擊能量大，處理效果好。25kJ的沖擊式壓路機在牽引速度在13km/h 的條件下，對地基的壓實效果是振動壓路機的10 倍以上，產生的沖擊能達到2500kN。在高沖擊能的作用下地基逐漸形成板狀結構，達到密實效果；③工藝簡便、資源投入少、施工功效快。沖擊碾壓法施工時只需要對工作面進行簡易處理即可，將坑洼部位補平后即可操作。沖擊碾壓相對于其他工藝資源投入方面僅需要1臺沖擊式壓路機即可完成，勞動力投入方面也較少，功效也是最快的。

3.3.2 缺點分析

①適用范圍小。沖擊碾壓對場地要求高，機械達到一定速度后才能起到壓實效果。沖擊碾壓法不適用于坡度較大、距離已有建筑物或控制點或居民區(qū)較近的地基處理；②噪聲污染大。沖擊碾壓是由大功率牽引車提供動力，產生的噪音較大，在居民區(qū)施工時需設置聲屏障；③產生的沖擊波對周邊環(huán)境影響大。沖擊碾壓時會產生共振，導致沖擊波傳遞，需要在距離結構物一定距離開挖減振溝，且沖擊碾壓過程中揚塵難以控制，施工過程中需要定期灑水降塵。

3.4 工藝重點

沖擊碾壓施工前先將需處理的基底采用白灰標記，查閱是否存在地下管道，與已有建筑物的距離是否滿足施工要求，標記出沖擊式壓路機行駛的安全區(qū)域。碾壓方式采用壓排法，輪跡重疊200mm～300mm，開始碾壓后應盡量保持連續(xù)，設專人記錄碾壓遍數(shù)，碾壓一定遍數(shù)后觀測沉降差。碾壓過程中如出現(xiàn)較大的波峰時，應將波峰刮平后，按照反方向碾壓。根據(jù)施工經驗，25kJ 的沖擊式壓路機速度在13km/h 時碾壓效果最佳，速度慢時，所產生的沖擊能小，達不到預期效果，速度過快時，沖擊輪還未完全接觸到被碾壓基底就彈開，影響壓實效果，且碾壓速度過快還會存在翻車的安全隱患，同時可能損壞機械。

4 強夯法處理濕陷性黃土地基

4.1 原理

強夯法是利用黃土具有的大孔隙特性，通過大型履帶式吊裝設備將注入混凝土的夯錘或鑄鐵錘（夯錘帶有一定數(shù)量排氣孔），吊裝至一定高度后通過自動脫鉤裝置，夯錘脫離吊裝設備的束縛，呈現(xiàn)自由落體，產生重力勢能，接觸到地面時夯錘的重力勢能轉換成動能。在短時間內基底夯錘與地面接觸形成巨大的沖擊能，對基底的濕陷性黃土進行沖切，破壞其原有結構，形成夯坑，通過反復多次沖擊，土體在瞬間受到荷載、卸載的重復作用，周邊產生裂縫，水分順著孔隙排出，擠密周圍土體，達到降低土體孔隙率、提升地基承載能力的目的［5］。

4.2 適用范圍

強夯法是一種深層的地基處理方式，適用于各種等級的濕陷性黃土，其處理深度可達到12m，影響處理深度的因素有黃土的濕陷性等級、夯錘重量、夯錘提升高度等，主要應用于濕陷性等級較大的大型廠區(qū)建設的地基處理。

4.3 優(yōu)缺點分析

4.3.1 優(yōu)點分析

①工藝簡單、操作方便，加固后地基較穩(wěn)定。強夯處理前對場地進行平整，放樣好夯點，吊裝設備吊起夯錘后自由落體，夯擊地面后通過自動脫鉤裝置掛好落錘進行下一個點位夯實。強夯法施工后與原有地基進行對比，壓縮模量降低5～10 倍，強度提高3～5 倍；②適用范圍廣泛，工程造價低。強夯法可適用于各種等級的濕陷性黃土，無須大開挖或加入其他材料，相較換填法可減少50%造價，較管樁減少60%造價；③施工效率高，工期有保障。強夯法的施工功效為30000m2/月，相較換填、灰土擠密樁等工藝可縮短一半以上的工期；④作業(yè)現(xiàn)場文明施工易控制。強夯施工前夯點進行適當灑水，夯擊過程中可減少揚塵對周邊環(huán)境的破壞。

4.3.2 缺點分析

①對周邊建筑物擾動較大。強夯法施工所產生的單擊夯擊能在1000kN·m～8000kN·m，對周邊建筑物的影響較大，如1000kN·m 的夯擊能影響范圍為40m，8000kN·m 的夯擊能影響范圍在85m，周圍存在建筑物時，需要開挖深度大于2m 的減振溝；②對處理的地基含水率要求較高。強夯法施時應檢測地基的含水率，滿足要求后組織施工。如含水率過大，施工過程中出現(xiàn)彈簧現(xiàn)象，需進行翻曬或換填；③宜在較大的場地施工。強夯適宜在寬闊平坦的地方施工，對于狹小空間采取其他的處理方式。

4.4 工藝重點

強夯施工前應充分了解夯擊區(qū)域與已有建筑物的距離，盡可能避開高壓線塔、地下工程等已有建筑物，并檢查機械的運行能力，起吊夯錘的鋼絲繩是否存在斷絲、纏繞混亂現(xiàn)象，夯錘排氣孔是否通暢等（排氣孔主要目的是方便夯擊完成后提錘）。檢測土體含水率，過大時應開挖翻曬，過小時在原地面鉆孔，孔內注入水潤濕土體，達到最佳含水率后施工。作業(yè)時應按照設計圖紙的點位進行測量放樣，夯點的布設按照等邊三角形，兩個夯點的中心距離按照夯錘直徑的1.5倍設置。夯擊作業(yè)時，分為主夯、副夯、滿夯三個階段實施，其中，主夯按照放樣好的點位進行夯實，副夯時在相鄰主夯點位之間的間隙內夯實，滿夯時按照搭接1/4進行夯實，且夯擊能按照主夯的50%考慮即可，前后兩次夯擊應間隔一定的時間，夯擊過程中應控制落錘高度，避免提錘過高，沖擊能過大，導致夯錘吸附在基坑內無法取出。

5 灰土擠密樁法處理濕陷性黃土地基

5.1 原理

灰土擠密樁是利用打樁機提供的動力通過錘擊將管樁打入需要處理的地基內，使其側向擠密成孔，管樁打入時擠壓土體向四周發(fā)生水平位移，促使相鄰灰土擠密樁樁間土的壓實度增大、孔隙率減小。成孔后立即在孔內填筑一定比例的灰土分層夯填至孔口，分層夯填過程中對土體進行擠壓，形成密實且具有一定強度的樁體，同時，樁間土與樁體相互擠壓摩擦形成整體。填筑材料灰土（主要成分為熟石灰和土）中夾雜著一些未熟化的石灰，在熟化過程中吸收土體內的水分，體積膨脹對土體再次進行擠密，施作墊層后形成復合地基以承受上部荷載［6］。

5.2 適用范圍

灰土擠密樁法是一種深層的復合式地基處理方式，適用于Ⅱ～Ⅳ級的濕陷性黃土地基，處理深度一般為5m～15m，其擠密效果主要受機械能力、地基含水率等諸多因素影響，可應用于高層建筑及大型機械不能到達的地基處理，如沖擊碾壓、強夯。

5.3 優(yōu)缺點分析

5.3.1 優(yōu)點分析

①處理深度大，加固效果好。相對于上述工藝中濕陷性黃土的處理深度是最大的?；彝翑D密樁施工時分三次對樁間土進行擠密，分別是打樁過程中管樁對土體的擠密、分層夯填灰土時對樁間土擠密、夯填灰土完成后生石灰熟化過程中體積膨脹對樁間土擠密，最后樁體牢固地鑲嵌在樁間土內，形成穩(wěn)定的受力結構；②填筑材料廉價，取材方便?；彝翑D密樁所需的材料為土和熟石灰按照一定比例拌合而成，土可就地取材，石灰的價格相對便宜。

5.3.2 缺點分析

①施工功效慢。房建工程中灰土擠密樁都是以群樁方式存在的，其施工功效為6m/h，地基處理時間相對較長；②質量通病多。灰土擠密樁主要存在縮孔、塌孔、斷樁等質量通病，且質量通病發(fā)生后無法彌補，出現(xiàn)質量通病后在其他位置重新打設，影響整體受力結構；③環(huán)境污染大。石灰運輸、裝卸、拌合及灰土夯填過程中均會出現(xiàn)較大規(guī)模的揚塵，且揚塵不宜控制，對周邊居民及環(huán)境影響較大。

5.4 工藝重點

灰土擠密樁施工前先平整場地，方便打樁機來回移位，機械就位后鉆桿對準放樣好的孔位，打樁過程中隨時校準鉆桿的豎直度，成孔時應按照先慢后快、隔行跳打的順序打設，打入設計深度后緩慢拔出鉆桿。灰土采用廠拌法集中拌合后通過自卸車運輸至施工現(xiàn)場，對拌合及運輸環(huán)境進行封閉，防止揚塵污染環(huán)境。運輸至施工現(xiàn)場后，將灰土填入孔內分層夯實，按照孔徑計算填筑300mm 所需的灰土填入孔內夯實，逐層填筑至孔口位置。

6 結語

隨著西北地區(qū)城市化的快速推進，房建工程迎來了巨大的發(fā)展契機。濕陷性黃土是制約其發(fā)展的最大阻礙，如何有效地消除濕陷性黃土帶來的危害，成了每一位工程建設者深思熟慮的問題。為了保證房建工程的穩(wěn)定性，在西北地區(qū)濕陷性黃土施工前要深入調查黃土的物理力學特性，準確定位濕陷性等級，針對不同性質的濕陷性黃土制定切實可行的處理措施，才能根本解決地基沉降問題。闡述了西北地區(qū)黃土的工程特性，分析了換填墊層法、沖擊碾壓法、強夯法、灰土擠密樁法的工藝原理、適用范圍、優(yōu)缺點及工藝重點，對濕陷性黃土地區(qū)房建工程工藝選擇有著重要意義。