吳學(xué)斌 張效康 韓 磊 周玉葉

中國化學(xué)工程第六建設(shè)有限公司 湖北襄陽 441100

濕陷性黃土是我國比較普遍的工程地質(zhì)條件，其土質(zhì)特點(diǎn)和工程危害表現(xiàn)為遇水浸濕時(shí)黃土發(fā)生增濕軟化效應(yīng)，強(qiáng)度顯著降低，在附加壓力或在附加壓力與土的自重壓力下引起濕陷變形，是一種下沉量大、下沉速度快的黃土。有些雜填土也具有濕陷性［1］。研究表明，粗粉粒和砂粒在黃土結(jié)構(gòu)中起骨架作用，由于在濕陷性黃土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接觸，能直接接觸的大多為粗粉粒。細(xì)粉粒通常依附在較大顆粒表面，特別是集聚在較大顆粒的接觸點(diǎn)處與膠體物質(zhì)一起作為填充材料。粘粒和土體中所含的各種化學(xué)物質(zhì)如鋁、鐵、無定型的鹽類等，多集聚在較大顆粒的接觸點(diǎn)起膠結(jié)和半膠結(jié)作用。在天然狀態(tài)下，砂粒和粗粉粒由于上述膠結(jié)物的凝聚結(jié)晶作用被牢固地粘結(jié)著，使?jié)裣菪渣S土具有較高的強(qiáng)度。而遇水時(shí)，由于水對(duì)各種膠結(jié)物的軟化作用，使土的強(qiáng)度突然下降從而產(chǎn)生濕陷。我國濕陷性黃土的容重為1.2 ～1.9g/ cm3，天然含水量為7%～23%，孔隙比為0.78～1.50，液限為21.7%～32.5%，塑性指數(shù)為6.7～13.1。

1 濕陷性黃土的性質(zhì)

黃土濕陷性是指天然黃土在一定壓力下受水浸濕，土質(zhì)結(jié)構(gòu)發(fā)生迅速破壞，并發(fā)生顯著附加下沉的特性。濕陷性黃土地基分為自重濕陷與非自重濕陷兩種類型。在工程勘察過程中，對(duì)黃土的濕陷性，應(yīng)按室內(nèi)壓縮試驗(yàn)在一定壓力下測(cè)定的濕陷性系數(shù)（δs）來判定。δs的計(jì)算式見式（1）。

式中：hp——保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土樣，加壓至一定壓力時(shí)，下沉穩(wěn)定后的高度，cm；

當(dāng)δs＜0.015 時(shí)，定性為非濕陷性黃土；

當(dāng)δs≥0.015 時(shí)，定性為濕陷性黃土。

通常，0.015≤δs≤0.030 時(shí)，屬輕微濕陷性；0.030≤δs≤0.070 時(shí)，屬中等濕陷性；δs＞0.070 時(shí)，屬強(qiáng)烈濕陷性。

在工程中，建筑場(chǎng)地的濕陷類型，應(yīng)按實(shí)測(cè)自重濕陷量或室內(nèi)壓縮試驗(yàn)計(jì)算的自重濕陷量來判定。當(dāng)實(shí)測(cè)或計(jì)算自重濕陷量≤70mm 時(shí)，應(yīng)定為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地；當(dāng)實(shí)測(cè)或計(jì)算自重濕陷量＞70mm 時(shí)，應(yīng)定為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。

濕陷性黃土的力學(xué)性質(zhì)通常用壓縮模量、壓縮系數(shù)、凝聚力、內(nèi)摩擦角和無側(cè)限抗壓變形等指標(biāo)表示。在同一場(chǎng)地里，相關(guān)指標(biāo)有時(shí)變化幅度較大，無規(guī)律性，造成施工難度較大，地基處理投入較多。我國部分地區(qū)濕陷性黃土的力學(xué)性能指標(biāo)見表1。

表1 濕陷性黃土力學(xué)性能指標(biāo)

2 濕陷性的影響因素

影響黃土濕陷性的因素很多，主要包括黃土的形成時(shí)代、密度、粘粒含量和空隙性等［2］。

（1）形成時(shí)代：總的來說，在完整的黃土地層剖面分布中，從地表向下排列，第一層黃土為中等濕陷性；第二層黃土為輕微濕陷性；第三及以下各層黃土為無濕陷性。以上三層均為不均勻分布。

（2）密度：黃土的密度一般較小。密度越大，土的密實(shí)程度越高，孔隙比較小，黃土的濕陷性相應(yīng)減弱。

（3）粘粒含量：粘粒是指粒徑小于0.005mm 的細(xì)粒。黃土的粘粒含量越少，濕陷性越強(qiáng)；反之，濕陷性越弱，黃土中所含的粘粒越少。

（4）空隙性：黃土的空隙包括開空隙和閉空隙。針對(duì)黃土空隙性對(duì)濕陷性的影響，很多專家學(xué)者都有研究，一般來說，黃土的孔隙性越大黃土的濕陷性越強(qiáng)，土質(zhì)越不穩(wěn)定。

（5）形成過程：黃土在形成過程中很多因素會(huì)對(duì)形成后的濕陷性黃土有很大的影響。其中黃土的形成時(shí)間、形成過程中滲水的次數(shù)多少都有重大影響。因此在研究黃土的濕陷性中，研究黃土的形成過程尤為重要。

（6）含水性：一般來說，黃土的含水較少，含水率一般在10%～30%。飽和黃土一般不具有濕陷性，這是由于隨著黃土中含水越多，黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會(huì)降低，在外力的作用下黃土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不再大幅度下降，因而不繼續(xù)產(chǎn)生強(qiáng)濕陷性。

（7）壓力：隨著黃土上方施加的壓力越大，黃土的濕陷性越大。但當(dāng)超過一定濕陷值后，施加的壓力越大，黃土的濕陷性越小。

（8）壓縮性：在濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)時(shí)，必須考慮土質(zhì)的濕陷性對(duì)地基造成的不穩(wěn)定影響。地基濕陷可能會(huì)引發(fā)附加沉降應(yīng)力，從而使地基產(chǎn)生失穩(wěn)變形，對(duì)施工項(xiàng)目造成巨大的危害和安全威脅，所以對(duì)濕陷性黃土地區(qū)進(jìn)行地基處理尤為重要［3］。

在我國，濕陷性黃土土質(zhì)較多，而不同地區(qū)的黃土有一定差異，因此對(duì)濕陷性黃土地的地基進(jìn)行處理需要綜合考慮多方面的因素，不同地方的黃土要區(qū)別對(duì)待。在對(duì)濕陷性黃土地區(qū)的地基進(jìn)行處理時(shí)，要結(jié)合實(shí)際情況選擇不同方案，但處理的目的與意義均是消除濕陷性對(duì)建筑的影響［4］。

3 濕陷性黃土地基處理的施工工藝

在濕陷性黃土地區(qū)，國內(nèi)外使用較多的地基處理方法有以下幾種：重錘表層夯實(shí)、強(qiáng)夯、土（或灰土）墊層、擠密樁復(fù)合地基、預(yù)浸水、化學(xué)加固、爆擴(kuò)樁等。目前我國重錘表層夯實(shí)、土（或灰土）墊層、強(qiáng)夯、深層孔內(nèi)夯擴(kuò)、高壓注漿固結(jié)土（或灰土）擠密樁復(fù)合地基、樁基礎(chǔ)應(yīng)用較多。重錘表層夯實(shí)法和高壓旋噴注漿法處理地基見圖1。

圖1 重錘表層夯實(shí)法（a）和高壓旋噴注漿法（b）處理地基

濕陷性黃土地區(qū)地基處理的加固機(jī)理及方法體現(xiàn)了濕陷性黃土的地域特征，其主要目的均為在提高承載力的同時(shí)，對(duì)黃土的濕陷性進(jìn)行消除。

3.1 土（灰土）墊層

灰土（或素土）墊層施工時(shí)，先將處理范圍內(nèi)的濕陷性黃土全部挖出，并對(duì)底部進(jìn)行夯實(shí)或壓實(shí)；然后將就地挖出的粘土配成相當(dāng)于最優(yōu)含水量的土料，根據(jù)選用的碾壓（或夯實(shí)）機(jī)械，按一定厚度分層鋪土、分層碾壓（或夯實(shí)），直到設(shè)計(jì)標(biāo)高為止?；彝翂|層施工示意圖及現(xiàn)場(chǎng)圖見圖2。需要注意的是，施工用土料中不得含有有機(jī)雜物，使用前應(yīng)先過篩，其粒徑不大于15mm，并嚴(yán)格按照試驗(yàn)結(jié)果控制含水量。

圖2 灰土墊層施工示意圖（a）和表層土夯實(shí)施工圖（b）

3.2 重錘表面夯實(shí)及強(qiáng)夯

重錘夯實(shí)法是利用重錘從高空自由下落時(shí)產(chǎn)生的沖擊能，使地面下一定深度內(nèi)土層達(dá)到密實(shí)狀態(tài)的地基處理方法。重錘夯實(shí)法可分為表層夯實(shí)法和強(qiáng)力夯實(shí)法：表層夯實(shí)法又稱重錘表面夯實(shí)法，錘重一般為20k～40kN，落距3～5m；當(dāng)錘重為80k～300kN，落距為6～25m，單次夯擊能量大于800kN·m，用于處理雜填土、碎石土、砂性土和稍濕的粘性土?xí)r稱為“強(qiáng)力夯實(shí)法”，簡稱“強(qiáng)夯法”。

強(qiáng)夯施工前應(yīng)先施工臨時(shí)排水溝，及時(shí)將地表水引出強(qiáng)夯施工區(qū)域，同時(shí)應(yīng)按照設(shè)計(jì)初步確定的夯實(shí)參數(shù)在場(chǎng)地區(qū)域內(nèi)進(jìn)行工藝性試夯。施工過程中每一次夯實(shí)前要對(duì)夯點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核，夯實(shí)完畢后檢查夯實(shí)位置，一旦發(fā)現(xiàn)偏差或漏夯需要及時(shí)糾正。強(qiáng)夯法工藝流程見圖3。

圖3 強(qiáng)夯法工藝流程

施工前應(yīng)檢查夯錘重量、尺寸、落距控制手段、排水設(shè)施及被夯地基的土質(zhì)。施工結(jié)束后，檢查被夯地基的強(qiáng)度并進(jìn)行承載力檢驗(yàn)。

3.3 灰土（土）擠密樁

在濕陷性黃土地區(qū)采用樁基礎(chǔ)的加固機(jī)理是將樁穿透濕陷性黃土層，在非自重濕陷性黃土地區(qū)，樁底端支承在壓縮性較低的非濕陷性土層中；對(duì)自重濕陷性黃土場(chǎng)地，樁底端支承在可靠的持力層中，以達(dá)到加固的目的?；彝翑D密樁施工現(xiàn)場(chǎng)圖及深層孔內(nèi)夯擴(kuò)樁機(jī)理見圖4。

圖4 吊索具設(shè)置圖

圖4 灰土擠密樁施工現(xiàn)場(chǎng)圖（a）和機(jī)理圖（b）

（1）材料準(zhǔn)備：土料可采用粉質(zhì)黏土，有機(jī)質(zhì)含量不應(yīng)超過5%，不得含有凍土；石灰可選用新鮮的消石灰或生石灰粉，其顆粒不應(yīng)大于5mm；對(duì)于樁孔內(nèi)的灰土填料，其消石灰與土的體積配合比宜為2∶8 或3∶7，配合料最優(yōu)含水率為±2%，灰土拌制應(yīng)隨拌隨用不能隔夜。

（2）機(jī)具準(zhǔn)備：成孔設(shè)備采用0.6t 或1.2t 柴油打樁機(jī)或自制錘擊式打樁機(jī)，亦可采用沖擊鉆或洛陽鏟；夯實(shí)設(shè)備采用卷揚(yáng)機(jī)、提升式夯機(jī)或偏心輪夾桿式夯實(shí)機(jī)及梨形錘。

（3）灰土（土）擠密樁操作方法：樁施工前需先將基坑挖好，樁頂設(shè)計(jì)標(biāo)高以上預(yù)留覆蓋土層厚度，沉管成孔不宜小于0.5m，沖擊成孔或鉆孔夯擴(kuò)法成孔不宜小于1.2m，然后在坑內(nèi)施工灰土樁。樁的成孔可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)具條件選用洛陽鏟、沉管(振動(dòng)、錘擊)法、沖擊或鉆孔等方法。灰土擠密樁施工工藝流程見圖5。

圖5 溜尾索具設(shè)置圖

圖5 灰土擠密樁施工工藝流程圖

灰土擠密樁的樁數(shù)、排列尺寸、孔徑、深度、填料質(zhì)量及配合比，必須符合設(shè)計(jì)要求或施工規(guī)范的規(guī)定。施工結(jié)束后，應(yīng)檢查成樁的質(zhì)量及地基承載力。

3.4 預(yù)浸水法

預(yù)浸水法是在修建建筑物前預(yù)先對(duì)濕陷性黃土場(chǎng)地大面積浸水，使土體在飽和自重壓力作用下發(fā)生濕陷，產(chǎn)生壓密，以消除全部黃土層的自重濕陷性和深部土層的濕陷性。

預(yù)浸水法適用于處理自重濕陷性黃土層厚度大于10m、自重濕陷量計(jì)算值不小于500mm 的場(chǎng)地。施工前應(yīng)通過現(xiàn)場(chǎng)的試坑進(jìn)行浸水試驗(yàn)，來確定浸水時(shí)間、耗水量及濕陷量。

當(dāng)需要加快自重濕陷性發(fā)生速度時(shí)，可以在水坑內(nèi)打滲水孔，間距＜3m，深淺間隔布置。預(yù)浸水施工時(shí)坑內(nèi)水位高度＞300mm，浸水過程應(yīng)連續(xù)進(jìn)行，濕陷變形穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)為最后5d 的平均濕陷量＜1mm/ d；當(dāng)處理的黃土層厚度＞20m 時(shí)，最后5d 的平均濕陷量＜2mm/ d。預(yù)浸水法施工工藝流程見圖6。

圖6 預(yù)浸水法施工工藝流程圖

施工完畢后，應(yīng)分析地基土浸水前、后的干密度、濕陷變形特性，以及地基承載能力的變化。重點(diǎn)檢查與評(píng)價(jià)濕陷性黃土場(chǎng)地在浸水后濕陷處理深度、剩余濕陷量和浸水后的地基處理等問題。

3.5 化學(xué)加固法

在我國濕陷性黃土地區(qū)地基處理應(yīng)用較多，取得實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)的化學(xué)加固方法包括硅化加固法和堿液加固法。硅化加固濕陷性黃土的物理化學(xué)過程，是基于濃度不大、粘滯度很小的硅酸鈉溶液順利地滲入黃土的孔隙中產(chǎn)生與土的互相凝結(jié)效應(yīng)。堿液加固法是利用NaOH 溶液注入黃土后，與土中可溶性和交換性堿土金屬陽離子發(fā)生置換反應(yīng)，使土顆粒表面生成堿土金屬氫氧化物。

硅化加固濕陷性黃土地基的施工主要分為三個(gè)步驟：成孔打入注漿管；加水稀釋；往地基內(nèi)注漿。砂土硅化加固后，取試塊作無側(cè)限抗壓試驗(yàn)，其值不得低于設(shè)計(jì)強(qiáng)度的90%，變形指標(biāo)應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求。

堿液加固設(shè)備和工藝均較為簡單，首先用洛陽鏟或鋼管打到預(yù)定的加固深度，插入孔徑為5～7cm 的注漿管，孔中填入2～4cm 粒徑的小石子，直至注漿管下端的標(biāo)高處。堿液加固地基的竣工驗(yàn)收，應(yīng)在加固施工完畢28d 后進(jìn)行。可通過開挖或鉆孔取樣，對(duì)加固土體進(jìn)行無側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)和水穩(wěn)性試驗(yàn)。

3.6 其他加固方法

另外，還有高壓注漿固結(jié)法、CFG 法等。在飽和的黃土地區(qū)，近幾年來也采用粉噴樁法和深層攪拌法等。

CFG 法是同時(shí)完成高壓砼護(hù)壁成孔與灌注砼，其砼連續(xù)性好、樁底無沉渣、單樁承載力較高。

以上各種處理方式的適用范圍及處理土層厚度見表2。

表2 各種處理方式的適用范圍及處理土層厚度

4 結(jié)論

我國濕陷性黃土地區(qū)最常見的地基處理方法主要包括土（灰土）墊層、重錘夯實(shí)和強(qiáng)夯、土（灰土）擠密樁和化學(xué)加固法等。其中化學(xué)加固法是一種非常高效的方法，但是造價(jià)較高，所以一般僅用于濕陷事故類的處理。此外，預(yù)浸水、熱加固等方法也廣泛應(yīng)用于濕陷性黃土的地基處理，其中預(yù)浸水法是消除大厚度黃土地基自重濕陷性的有效方法，但是此方法對(duì)水量的需求量大，在水源充足的前提下可以適當(dāng)實(shí)施，但工期較長，浸水后還需要利用其他地基處理方法處理上層土。由于施工方法較為復(fù)雜，所以預(yù)浸水使用受到了限制，沒有得到推廣應(yīng)用。熱加固法可以完全消除部分黃土的濕陷性，大大提高處理后黃土的承載能力，但加固土體的設(shè)備較為復(fù)雜，加固后土體的強(qiáng)度不夠均勻，局部強(qiáng)度很高，這種方法在我國20 世紀(jì)五六十年代應(yīng)用較為廣泛，并且取得了較好的加固效果。