陳 翔 張超越

摘 要: 我國(guó)分布有大面積的濕陷性黃土,以覆蓋廣、厚度大著稱(chēng)于世。濕陷性黃土中的樁基在浸水后產(chǎn)生的技術(shù)問(wèn)題早已為工程界所重視,隨著國(guó)家建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大,在大厚度濕陷性黃土中的樁基越來(lái)越多。分析了大直徑空心混凝土灌注樁在處理濕陷性黃土地基中的應(yīng)用,并進(jìn)行了濕陷性黃土地基處理的方法探討。

關(guān)鍵詞: 濕陷性黃土樁基;技術(shù)處理;方法

中圖分類(lèi)號(hào): TU473

1 背景介紹

我國(guó)是世界上黃土面積分布最廣泛的國(guó)家之一,其中約占3/4的黃土為濕陷性黃土。其最主要的特性是在土的白重壓力或自重壓力與附加壓力共同作用下受水浸濕而產(chǎn)生的大量而急劇的附加下沉,會(huì)在樁側(cè)表面產(chǎn)生的負(fù)摩阻力。負(fù)摩阻力不但不會(huì)對(duì)樁的荷載起抵抗作用,成為附加于樁側(cè)表面的下曳荷載。因此在濕陷性黃土地區(qū)開(kāi)展浸水過(guò)程中校側(cè)負(fù)摩阻力的研究具有重要的意義。

濕陷性黃土中校的負(fù)摩阻力與浸水時(shí)樁頂有無(wú)荷載有關(guān),樁頂無(wú)荷載時(shí),浸水濕陷引起的負(fù)摩阻力大,中性點(diǎn)低;樁頂在荷載作用下,浸水濕陷引起的負(fù)摩阻力小,中性點(diǎn)高。從理論上分析中性點(diǎn)位置的高低也與樁頂有無(wú)荷載有關(guān)。樁頂無(wú)荷載時(shí),由黃土濕陷引起的樁土問(wèn)相對(duì)位移比樁頂有荷載時(shí)要大,因此樁上部負(fù)摩阻力得以充分發(fā)揮,中性點(diǎn)位置較深。

中國(guó)現(xiàn)行國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》GBJ25-90對(duì)濕陷性黃土從工程角度作了明確劃分,將濕陷系數(shù)δs≥0.015的黃土定義為濕陷性黃土,同時(shí)將實(shí)測(cè)或計(jì)算自重濕陷量大于7 cm的濕陷性黃土定義為自重濕陷性黃土,將實(shí)測(cè)或計(jì)算自重濕陷量小于或等于7 cm的濕陷性黃土定義為非自重濕陷性黃土,并將黃土的濕陷等級(jí)劃分為輕微(Ⅰ級(jí))、中等(Ⅱ級(jí))、嚴(yán)重(Ⅲ級(jí))、很?chē)?yán)重(Ⅳ級(jí))4個(gè)級(jí)別。

2 濕陷性黃土地基處理的工程實(shí)例

中國(guó)工程界自解放以來(lái)隨著對(duì)濕陷性黃土的不斷認(rèn)識(shí),先后于1966年、1978年和1990年分別制定了《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》,簡(jiǎn)稱(chēng)為“66黃土規(guī)范”、“78黃土規(guī)范”以及現(xiàn)在使用的“90黃土規(guī)范”,對(duì)濕陷性黃土地區(qū)的工程設(shè)計(jì)起到了規(guī)范和指導(dǎo)作用。筆者從事水利水電工程10多年來(lái),先后參與了濕陷性黃土地區(qū)的供水工程、灌溉工程、泵站及電站工程以及游泳池等工程的設(shè)計(jì),多數(shù)工程已正常運(yùn)行多年,期間也出現(xiàn)過(guò)一些問(wèn)題,在這里摘錄點(diǎn)滴供大家交流和探討。

(1)大直徑空心混凝土灌注樁在處理濕陷性黃土地基中的應(yīng)用。

陜西省東雷抽黃續(xù)建工程曾是陜西的重點(diǎn)工程,工程總投資15.0億元,其下寨抽水站是提黃灌溉工程的三級(jí)站,筆者有幸參加了該站的設(shè)計(jì)工作,該項(xiàng)目的設(shè)計(jì)獲得陜西省優(yōu)秀工程設(shè)計(jì)一等獎(jiǎng)。該站主要建筑物之一出水塔的基礎(chǔ)就是深達(dá)17.0 m的自重濕陷性黃土,濕陷等級(jí)為Ⅱ級(jí),塔體重量為4 500 t。其上游連接的是直徑達(dá)2.0 m的4根廠房出水管道,下游銜接的是渡槽,所以對(duì)塔體的基礎(chǔ)處理是極為重要的,一旦塔體沉陷,將直接影響上下游建筑物的安全。

地基處理先后對(duì)可能采用的灰土擠密樁、碎石震沖樁、靜壓樁、混凝土灌注樁以及沉井等方案進(jìn)行了逐一比較,灰土擠密樁和碎石震沖樁存在的問(wèn)題是處理深度不夠和造價(jià)較高,采用混凝土灌注樁則造價(jià)更高。為了降低造價(jià)提高單樁承載力,設(shè)計(jì)擬采用空心混凝土灌注樁外加端部擴(kuò)頭來(lái)提高單樁的承載力,經(jīng)過(guò)對(duì)不同樁徑的反復(fù)試算,最后采用了8根樁徑為2.0 m,壁厚0.3 m,樁端擴(kuò)頭直徑3.6 m的空心混凝土灌注樁,樁深30 m,樁距6.0 m。負(fù)摩阻力系數(shù)取1.55 t/m²,正摩阻力系數(shù)取3.5 t/m²,樁端標(biāo)準(zhǔn)承載力21 t/m²,修正后為79.8 t/m²,單樁承載力812.4 t。當(dāng)時(shí)查到的國(guó)內(nèi)最大樁徑為1.6 m,該樁的樁徑已達(dá)到國(guó)內(nèi)同類(lèi)工程的最大樁徑。工程實(shí)施已近10a,一直運(yùn)行正常。

(2)寧夏揚(yáng)黃擴(kuò)灌工程十一泵站廠房濕陷性黃土基礎(chǔ)的處理。

寧夏揚(yáng)黃擴(kuò)灌工程十一泵站主副廠房總長(zhǎng)度77.5 m,主廠房寬13 m,副廠房寬14.5 m。其基礎(chǔ)為自重濕陷性黃土,厚度達(dá)36.5 m,自重濕陷等級(jí)為Ⅲ—Ⅳ級(jí),濕陷評(píng)價(jià)為嚴(yán)重—很?chē)?yán)重。由于基礎(chǔ)濕陷等級(jí)太高,而且厚度很大,面又廣,經(jīng)過(guò)多方比較,基礎(chǔ)處理方案定為采用預(yù)浸水處理消除基礎(chǔ)黃土的濕陷性。設(shè)計(jì)在建筑物周邊外放5—10 m范圍內(nèi)(80 m×40 m)布置了6個(gè)20 m×20 m的浸水畦塊,浸水坑深80 cm,然后在坑內(nèi)用洛陽(yáng)鏟挖浸水孔,孔徑8 cm,孔深23 m,孔距5.0 m,孔內(nèi)填入碎石或砂礫石。浸水時(shí),水深保持在淹沒(méi)浸水孔0.5 m以上。經(jīng)過(guò)224 d的持續(xù)觀測(cè)(其中浸水觀測(cè)162 d,停水觀測(cè)62 d)?？觾?nèi)停水前沉降量為127.5—188.6 cm,平均167.7 cm,停水后沉降量為16.2—85.3 cm,平均167.7 cm。浸水前后累計(jì)平均沉降量為215.1 cm。單位面積耗水量33.6 t/m³。

浸水停止4個(gè)月后,在現(xiàn)場(chǎng)布置探坑3個(gè),探坑深度13 m,在探坑深度范圍內(nèi)每米取樣1件,進(jìn)行室內(nèi)常規(guī)土工試驗(yàn)。探坑開(kāi)挖后發(fā)現(xiàn),13 m以下的土層仍呈飽和狀態(tài),不能取樣。根據(jù)土工試驗(yàn)結(jié)果,在飽和自重壓力下的自重濕陷性系數(shù)(δzs)均小于0.015,計(jì)算自重濕陷量△zs=1.9 cm,小于7 cm。200 kPa壓力下的最大濕陷系數(shù)(δ)也小于0.015,計(jì)算總濕陷量△=6.0 cm。說(shuō)明基礎(chǔ)黃土的濕陷性已基本消除。

3 濕陷性黃土地基處理的方法探討

中國(guó)在解放后對(duì)于濕陷性黃土地基處理的實(shí)踐已有幾十年了,具體方法也很多,但歸納起來(lái)其基本思路不外乎以下幾種:

(1)基本消除基礎(chǔ)已有土層的濕陷性;其常用方法有強(qiáng)夯、換土、擠密樁等。這是對(duì)于土層較薄(10m以?xún)?nèi))時(shí)采用的辦法。當(dāng)土層深厚時(shí),常用辦法就是預(yù)浸水處理。這類(lèi)辦法是通過(guò)工程措施,針對(duì)濕陷土層本身進(jìn)行處理,改善其土壤結(jié)構(gòu)和基本特性,以達(dá)到消除其濕陷性的目的。這種方法的缺點(diǎn)是對(duì)于深厚濕陷性黃土來(lái)說(shuō),耗時(shí)太長(zhǎng),往往影響工期。優(yōu)點(diǎn)是施工方便,費(fèi)用較低;

(2)使建筑物基礎(chǔ)穿透濕陷性黃土層,傳力于濕陷土層以下的持力土層上,達(dá)到躲過(guò)濕陷性黃土層的目的。常用方法就是樁基,尤以灌注樁為主。這種方法避過(guò)了濕陷性土層,使基礎(chǔ)傳力于濕陷土層以下的持力土層上,相對(duì)來(lái)說(shuō)比較安全可靠,所以被廣泛應(yīng)用于比較重要的獨(dú)立建筑物的基礎(chǔ)處理。缺點(diǎn)是投資費(fèi)用較大;

(3)充分作好建筑物基礎(chǔ)的隔水層,使基礎(chǔ)濕陷性黃土地基無(wú)法浸水,以達(dá)到避免地基濕陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油氈以及各種PVC和PE膜。這種方法常常用于對(duì)基礎(chǔ)承載力要求不高的設(shè)施,如游泳池、供水管床、渠道等。

另外,對(duì)于大厚度濕陷性黃土是否一定要消除其濕陷性這個(gè)問(wèn)題很值得研究,尤其在西北地區(qū),因?yàn)樵摰貐^(qū)濕陷土層較厚,經(jīng)常在20 m以上,甚至像前面提到的36.5 m深。完全消除這些土層的濕陷性或徹底穿透濕陷土層往往要花很大代價(jià),所以對(duì)這一問(wèn)題的深入研究具有直接的經(jīng)濟(jì)效益,能夠大量節(jié)約工程投資,縮短工程工期。此時(shí)應(yīng)對(duì)建筑物使用條件和所處的周邊環(huán)境作適當(dāng)調(diào)查,具體問(wèn)題具體分析,只要建筑物的基礎(chǔ)承載力滿足要求,外界來(lái)水又無(wú)法浸濕濕陷性地基時(shí),完全可以考慮將建筑物基礎(chǔ)坐落于濕陷土層上。事實(shí)上,很多游泳池、輸水渠(管)道也就建在濕陷性土層上。對(duì)于基礎(chǔ)承載力要求較高的較大型的建筑物,當(dāng)基礎(chǔ)埋深較大如箱基等,其地基承載力常常是可以滿足要求的,此時(shí)就可以考慮不消除其地基土層的濕陷性,只要作好隔水處理即可。這樣處理可以節(jié)約大量資金和工期,對(duì)于中小型深基坑廠房很值得借鑒。

參考文獻(xiàn)

[1]@ 汪國(guó)烈,張?jiān)ゴ?高烈度區(qū)濕陷性黃土場(chǎng)地上地基基礎(chǔ)抗震評(píng)價(jià)中存在的三個(gè)問(wèn)題[J].西部探礦工程,2006,(1).

[2]@李可.濕陷性黃土場(chǎng)地上大直徑挖孔擴(kuò)底樁的設(shè)計(jì)與施工體會(huì)[J].煤礦設(shè)計(jì),2006,(03).

[3]@羅宇生.濕陷性黃土地基處理[J].西部探礦工程,2006,(1).

[4]@韓春林,楊錫慎.灰土樁處理濕陷性黃土地基的設(shè)計(jì)與綜合評(píng)價(jià)[J].西部探礦工程,2006,(1).

[5]@李大展,滕延京,何頤華,隋國(guó)秀.濕陷性黃土中大直徑擴(kuò)底樁垂直承載性狀的試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,(2).