濕陷性黃土地區(qū)某安置點(diǎn)場地凍脹災(zāi)害治理研究＊

裴先科，姜 偉，曹林同，馬明亮

（1.甘肅省建材科研設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，甘肅 蘭州 730010；2.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730050）

0 引言

房屋居住環(huán)境是農(nóng)村脫貧攻堅(jiān)中最為困難的問題之一，尤其在祖國西北甘肅，地貌復(fù)雜多樣，多山地、高原、平川、河谷、沙漠、戈壁交錯分布。甘南高原是“世界屋脊”——青藏高原東部邊緣一隅，地勢高聳，平均海拔超過3 000 m；河西走廊位于祁連山以北，北山以南，東起烏鞘嶺，西至甘新交界，是塊自東向西、由南而北傾斜的狹長地帶。甘肅的地理?xiàng)l件，決定了甘肅地質(zhì)巖土復(fù)雜，人們賴以生存的居住環(huán)境差，可以建造房屋及用于生產(chǎn)的土地有限。由于農(nóng)村經(jīng)濟(jì)條件的限制，農(nóng)民對建筑物建造常識的認(rèn)識有限，農(nóng)村房屋改造中出現(xiàn)了臨山而建的建筑群，套用標(biāo)注圖施工建于不利場地的建筑群，還有未按房屋構(gòu)造要求建造的房屋等，因此很多已建造的房屋存在安全隱患。特別是高寒潮濕地理環(huán)境，由于山地多、雨水豐富，如果場地選址未進(jìn)行技術(shù)論證，場地勘察不清，施工圖設(shè)計(jì)不科學(xué)合理，此類場地建造房屋后，冬季凍脹病害給房屋帶來極大危害，給老百姓帶來了諸多安全隱患和不便。為改善老百姓的居住環(huán)境和生活條件，中央及地方出臺了居民安置點(diǎn)的政策，由于可利用土地資源少，許多地方平山填溝造地、沼澤濕地改造、臨山洼地整治等。如果處在高寒潮濕地理環(huán)境下，此類場地被作為建筑用地后，不進(jìn)行技術(shù)處理和專業(yè)論證，將帶來的工程病害非常多，治理極其困難，其中場地凍脹病害尤為顯著。潘鵬等[1]通過對飽和黃土的凍脹融沉特性研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)：飽和土的凍脹性大，無外界補(bǔ)給水時凍脹率在4%以上，有外界補(bǔ)給水時凍脹率可達(dá)14%以上。周志軍等[2]通過含水率和溫度變化的凍融黃土性能試驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)：在相同測試溫度下，壓縮模量隨含水率增大而顯著降低，當(dāng)含水率一定時，土樣的壓縮模量隨著測試的溫度降低而降低，其中0°～5°壓縮模量降幅最大；劉占良等[3]以張承高速公路黃土路基凍脹性試驗(yàn)研究為背景，發(fā)現(xiàn)隨著初始含水率增大，膨脹率也會增大，土體膨脹變形的原因在于水變?yōu)楸鶗r，會產(chǎn)生體積膨脹。濕陷性黃土地區(qū)的地基不均勻與沉降引起基礎(chǔ)的變形對建筑物的損害極大，將直接影響建筑物的正常使用；汪過兵[4]研究發(fā)現(xiàn)：不均勻濕陷性黃土固結(jié)變形會對上部建筑結(jié)構(gòu)造成不同程度的損壞，引發(fā)的病害時有發(fā)生，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)使用壽命，對人民群眾的生命財(cái)產(chǎn)安全造成巨大的威脅。汪過兵等[5]研究表明：地基不均勻濕陷沉降變形極易引發(fā)地基、基礎(chǔ)局部產(chǎn)生脫空現(xiàn)象。土體凍結(jié)是一個極其復(fù)雜的過程，也是目前濕陷性黃土地區(qū)亟待解決的工程問題之一。

甘肅省某縣某村為解決村民安全舒適住房問題，將居民安置點(diǎn)選址在該村某河流的下游處兩岸灘地上，占地面積約53 300 m2。該安置點(diǎn)位于高寒潮濕地理環(huán)境，多山地，雨水豐富。而在河的南岸是一片沼澤灘地改造場地，建造場地處理不規(guī)范，用標(biāo)準(zhǔn)圖集對該片場地的房屋建造實(shí)施，實(shí)施過程及程序不專業(yè)規(guī)范。建造完成交付使用后，經(jīng)過一個冬季，發(fā)現(xiàn)院落地坪膨脹，抬高地坪，高差達(dá)0.32 m；部分墻體被脹土抬高變形，院落內(nèi)的附屬設(shè)施給排水管道等遭到破裂。到了春夏季，隨著溫度的升高，地坪的凍脹恢復(fù)，但已造成墻體裂縫損傷現(xiàn)象；房屋的正常使用受到了嚴(yán)重影響，直接影響到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。項(xiàng)目組成員針對該安置點(diǎn)的病害通過現(xiàn)場調(diào)查、試驗(yàn)等進(jìn)行綜合研究分析并治理，其研究成果為國內(nèi)濕陷性黃土地區(qū)類似工程病害處理提供技術(shù)支撐，同時對鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略也有著十分重要的意義。

1 工程概況

1.1 建筑概況

該安置點(diǎn)于2013年6月開工建設(shè)，2014年10月建設(shè)完成?？偨ㄖ娣e約44 000 m2，涉及住戶208戶，建筑防火類別為二類，其中河西側(cè)128戶，河?xùn)|側(cè)80戶，平面布置如圖1所示。

圖1 安置點(diǎn)西側(cè)128戶場地處理區(qū)域

安置點(diǎn)每戶房屋均由正房及偏房組成，均為一層磚木結(jié)構(gòu)，層高3.60 m，長6.9 m，寬3.6 m，承重墻體為370 mm，240 mm厚多孔黏土磚墻，屋架形式為木屋架，如圖2所示。基礎(chǔ)采用獨(dú)立基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深1.1～1.8 m，大部分基礎(chǔ)以卵石層作為持力層，輔助用房基礎(chǔ)地面-0.900 m，該安置點(diǎn)偏房采用混凝土墩基礎(chǔ)，埋深1.1～1.80 m，墩布置間距約為2.0 m，持力層為卵石層。場地地下水埋深為現(xiàn)自然地面下0.6～1.2 m，地下水為潛水。

圖2 房屋現(xiàn)狀圖

1.2 地質(zhì)概況

勘探深度6.7～8.1 m，根據(jù)勘察，該深度內(nèi)地層結(jié)構(gòu)簡單，場地地層分為上下2層，詳細(xì)如下：

（1）粉質(zhì)黏土層：灰黃色—黃褐色，顏色自上而下逐漸變深，稍濕，稍密，呈可塑狀態(tài)，土質(zhì)均勻，厚度大；含白云母碎片、腐殖質(zhì)、青灰黑色淤泥質(zhì)團(tuán)塊、少量植物根系、蝸牛殼碎片等，層厚1.8～2.20 m，層底標(biāo)高98.9～97.9 m。

（2）圓礫層（Q4沖擊層al+洪積層pl）：雜色，濕，松散—中密，局部為密實(shí)，上部粒徑較細(xì)，下部級配良好。成分以變質(zhì)巖為主，亞圓—圓形，分選性差，最大粒徑120 mm、一般粒徑4.0～9.0 mm，層面下1.0 m 以下骨架顆粒含量一般61.8%～72.9%，以砂粒為主，夾有少量粉質(zhì)黏土團(tuán)塊。

2 安置點(diǎn)地基土試驗(yàn)研究

為查明地基土現(xiàn)狀，課題組在安置點(diǎn)布置了3個探坑，探坑深度均約為2.0 m。對探坑內(nèi)地基土進(jìn)行現(xiàn)場原狀土取樣，并對地基土的物理力學(xué)性質(zhì)現(xiàn)狀進(jìn)行檢驗(yàn)分析，地基土樣如圖3所示，地基土芯樣如圖4所示，研究結(jié)果見表1。通過研究發(fā)現(xiàn)該安置點(diǎn)地基土塑性指數(shù)（IP）為10

表1 原狀土樣進(jìn)行室內(nèi)試驗(yàn)

圖3 地基土樣

圖4 地基土芯樣

3 凍融環(huán)境

該場地地下水分2層，其中上層水為粉質(zhì)黏土層中上層滯水，為地表下滲水，水量不大，位置約1 m；下層水屬松散沉積物淺部潛水，富含于圓礫層，水面高程2 199.9～2 199.6 m，現(xiàn)場情況如圖5所示。在室外自然地面下0.0～1.0 m，地基土含水量22.3%～29.5%，含水量高。

圖5 場地地下水

場地南高北低，南北走向較狹長，落差達(dá)13.0 m，地下水來水方向多元：有上游河水滲入；該地區(qū)常年多雨，有東西兩山坡下滲地表水滲入等情況。地下水并不在同一平面，一般鉆孔地下水初見水位較深，而穩(wěn)定水位較淺，主要受河水及大氣降水補(bǔ)給、水流方向自西南向東北，最終向東排泄于河流，經(jīng)檢測調(diào)查，年季節(jié)性水位變幅1.50～1.0 m，滲透系數(shù)約為45～55 m/d。根據(jù)刨開的基礎(chǔ)地基巖土研究發(fā)現(xiàn)，地基土反復(fù)揉捏出水，如圖6所示。

圖6 地基土現(xiàn)場情況

根據(jù)現(xiàn)場檢測、調(diào)查、勘探、取樣綜合研究分析發(fā)現(xiàn)：凍脹嚴(yán)重區(qū)域的雨季水位-0.100 m；旱季水位-0.150 m；該區(qū)域海拔2 180 m 左右，年平均溫度7.2 ℃，冬季室外計(jì)算溫度-11.3 ℃，最低溫度-22 ℃，平均-4～8 ℃，室外大氣壓力0.081 26 MPa；夏季室外大氣壓力0.080 81 MPa。

4 損傷病害分析研究

該安置點(diǎn)西側(cè)92 戶于2018 年集中反映房屋偏房墻體出現(xiàn)裂縫，現(xiàn)場情況如圖7 和圖8 所示。2019年3月16日—3月24日、3月28日—4月5日先后對該安置點(diǎn)的房屋進(jìn)行了分析研究，發(fā)現(xiàn)該安置點(diǎn)整個場地處在兩山之間的低洼地帶，場地為一片沼澤地，根據(jù)勘測研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)該場地水位較高，地基土含水率高，巖土類別為粉質(zhì)黏土，屬于黃土類；處于不利場地狀態(tài)。

圖7 基礎(chǔ)與墻體連接處裂縫

圖8 基礎(chǔ)與墻體連接處裂縫

4.1 場地膨脹損傷病害分析研究

通過現(xiàn)場勘查、檢測，調(diào)查剖析，該住房采用換填砂夾石，其余部位換填黃土，含水率比較高；施工時由于影響巖土膨脹因素土質(zhì)、巖土的含水率、溫度、外荷載作用等改變，以及場地處理的碾壓、夯實(shí)效果等對凍脹產(chǎn)生一定的影響。通過研究分析，該場地膨脹損傷病害的主要原因如下：（1）施工時換填土的含水率控制得不太好，含水率高；（2）整個場地處在兩山之間的低洼地帶，地表淺水滲流，同時場地的水位較高，導(dǎo)致場地巖土的含水率過高，場地巖土含水率處于飽和狀態(tài)；（3）無有效排水措施，長期排水不暢，冬季溫度較低。場地現(xiàn)場凍脹情況如圖9所示。

4.2 房屋損傷病害分析研究

通過研究分析，該場地的場地房屋損傷病害的主要原因如下：整個場地處在兩山之間的低洼地帶，地表淺水滲流，地下水位為自然地面下0.6～1.2 m，受毛細(xì)水壓力作用，地基土長期處于飽和狀態(tài)。該地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)凍深為1.20 m，場地凍結(jié)深度計(jì)算結(jié)果為0.96 m，平均凍土深度為0.9 m。由于建筑物圍墻及偏房部分基礎(chǔ)為埋深小于1.2 m 混凝土墩基礎(chǔ)，不滿足抗凍拔穩(wěn)定性要求，且上部結(jié)構(gòu)為單層磚木結(jié)構(gòu)，荷載小，因此冬季凍脹極易造成房屋墻體開裂等病害損傷。

4.3 治理措施研究

降低場地含水率技術(shù)手段和降水處理是該場地治理的關(guān)鍵。經(jīng)過研究論證分析決定：（1）對該場地室外環(huán)境進(jìn)行整治，降低地下水位，即通過采用滲井、盲管及暗渠技術(shù)，將水位降至最深凍土層以下，即將-0.100 m 水位降到-1.100 m 水位線以下；（2）對墩基礎(chǔ)及基底凍脹土體進(jìn)行防凍脹處理；（3）對該工程主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固處理、并更換危險(xiǎn)構(gòu)件；（4）對部分裂縫嚴(yán)重、墻體歪閃較大房屋應(yīng)立即進(jìn)行拆除。同時，做好整個場地的排水措施，形成明排和暗排相呼應(yīng)的降排水系統(tǒng)。

5 病害診治關(guān)鍵技術(shù)

5.1 盲管及滲井理論研究

在居民區(qū)巷道設(shè)置滲水井及盲管，同時在盲溝管線上設(shè)置盲溝排滲收集井，如圖10所示。其主要排水循序如下：暗渠→滲水井→盲管→鋼筋混凝土雨排水溝內(nèi)，然后將鋼筋混凝土雨排水溝的水及地表雨水通過明溝一起排入河溝；最后通過排水溝將水排入河道，如圖11所示。

圖11 滲井、盲管及暗渠布置示意圖（單位：mm）

（1）盲溝流量公式：

式中：地下水位高度：hc=1.4 m；盲溝內(nèi)的水流深度：hg=0.5 m；含水層材料礫石的滲透系數(shù)：ks=0.6 m/s；地下水位受盲溝影響而降落的水平距離：Ls=929.52m。

盲溝流量：Qs=0.000 3m/（s?m）

因水由2 側(cè)流入盲溝，上述盲溝流量乘以2，則最終盲溝流量：Qs=0.000 6m/（s?m）

（2）盲溝埋置深度公式：

式中：凍結(jié)深度：Z=1.2 m；凍結(jié)地區(qū)沿中線處凍結(jié)線至毛細(xì)水上升曲線的間距：p=0.25 m；毛細(xì)水上升高度：e=0.04 m；水力降落曲線最大高度：f=0.60 m；盲溝底部的水柱高度：h3=0.4 m；邊溝深度：h1=0.6 m。

盲溝埋深經(jīng)過計(jì)算為1.89 m，本次實(shí)際試驗(yàn)為2.0 m。

5.2 暗渠研究

在居民區(qū)安置點(diǎn)場地2 側(cè)設(shè)置暗渠，其橫斷面圖如圖12 所示，將所有通過暗渠的水滲集于盲管，再由盲管匯集于鋼筋混凝土雨排水溝內(nèi)；從排水溝導(dǎo)入室外河流。

圖12 暗渠橫斷面示意圖（單位：mm）

6 結(jié)論

該安置點(diǎn)整個場地處在兩山之間的低洼地帶，建筑物圍墻及房屋部分基礎(chǔ)為埋深小于1.2 m且上部結(jié)構(gòu)為單層磚木結(jié)構(gòu)，地下水位為自然地面下0.6～1.2 m；由于荷載小、地表淺水滲流，受毛細(xì)水壓力作用，地基土長期處于飽和狀態(tài)。冬季凍脹造極易成房屋損傷病害，通過應(yīng)用滲井、盲管、暗渠綜合治理技術(shù)研究得出以下主要結(jié)論。

（1）通過盲溝的水流量計(jì)算分析，盲溝的流量為0.000 6m/（s?m）；盲溝埋深為2.0 m。

（2）通過該技術(shù)施工后第1個冬季溫度最低時，地下水位顯著下降，下降到-1.200 m以下，凍脹現(xiàn)象基本消失。

（3）通過該技術(shù)施工后第2個冬季溫度最低時，地下水位下降至-1.400 m以下，凍脹現(xiàn)象完全消失。

（4）通過該技術(shù)施工后，該場地地下水位以上巖土的含水率逐年降低，凍脹引起的地面設(shè)施的破壞現(xiàn)象基本消失。

目前已經(jīng)歷了4 個凍脹期，其凍脹災(zāi)害得到了有效的治理。其研究成果為濕陷性黃土地區(qū)黃土地基凍脹災(zāi)害治理等提供科學(xué)依據(jù)。