談濕陷性黃土的工程特性

張愛芳

(山西晉正建設(shè)工程項目管理有限公司，山西河津 043304)

山西鋁廠位于黃河左岸Ⅱ級和Ⅲ級階地，西距黃河約5 km。生活區(qū)大部分坐落在Ⅱ級階地上，廠前區(qū)位于Ⅱ級～Ⅲ級階地之間。濕陷性黃土地基主要分布在生活區(qū)和廠前區(qū)，濕陷性土層厚一般8 m～12 m。場地的巖石為第四系沖、洪積而成的粉質(zhì)粘土和砂類土。濕陷類型多數(shù)屬于自重濕陷性場地，部分地級屬于非自重濕陷性場地。

1 濕陷性黃土的分布特點

1.1 水平分布特點

在整個濕陷性黃土建筑場地上，自重濕陷性黃土和非自重濕陷性黃土的分布特點均是零星的不連續(xù)的板塊狀態(tài)。在小區(qū)域范圍內(nèi)不同濕陷類型和不同濕陷等級交錯分布，變化較大。常常在一座建筑物下兩種濕陷類型和兩種以上濕陷等級的濕陷性黃土層同時存在，造成了地基處理上的復(fù)雜性。

1.2 豎向分布特點

1)生活區(qū)濕陷性黃土豎向分布有明顯界限，且產(chǎn)狀平穩(wěn)。從天然地表算起4 m～5 m為新近堆積黃土，具有濕陷性和高壓縮性。在新近堆積黃土層的層底有厚0.5 m左右的黑褐色埋藏土，為古地表，Ⅱ級階地基本都有分布。古地表下為濕陷性黃土層，層厚6 m～8 m，下半部常有經(jīng)褐色粘土出現(xiàn)，再下為非濕陷性黃土。

2)豎向分布不連續(xù)，有兩條自重濕陷帶。以古地表為界限，其上新近堆積黃土層中有一層自重濕陷帶，厚度較小，但工程意義重要，因為在建筑物的壓縮層范圍內(nèi)。

3)砂類土夾層與透鏡體在濕陷性黃土層中豎向分布情況。Ⅱ級階地的后緣和到Ⅲ級階地的過渡帶，濕陷性黃土層中砂類土夾層與透鏡體較多，同時厚度大，顆粒粗，以中細砂類土為主。

2 自重濕陷變形的特征

2.1 自重濕陷變形的產(chǎn)生條件

自重濕陷系指土體被水浸濕后產(chǎn)生的自身沉陷變形，沒有附加荷載的作用。它的產(chǎn)生:

1)土體的飽和自重壓力大于土的濕陷起始壓力;

2)浸濕土體的自重壓力大于周邊的阻力。

大量試驗研究工作揭示，當(dāng)浸水面積的邊長或直徑不小于濕陷土層厚度時，自重濕陷變形往往不能產(chǎn)生或不能完全產(chǎn)生。當(dāng)浸水面積已經(jīng)滿足完全濕陷條件后繼續(xù)增大時，則浸水面積越大，自重濕陷變形速度越快，完成全部濕陷變形的時間越短，但土層的自重濕陷量不變。

2.2 自重濕陷變形發(fā)生時間的特點

大型試坑浸水試驗表明:試驗中對不同深度土層的濕陷變形進行了觀測。試驗結(jié)果表明，土體浸水后自重濕陷變形發(fā)生的時間過程可分為三個階段:

1)自重濕陷變形階段。隨著土體被水浸泡，在自重壓力下土的天然結(jié)構(gòu)很快遭到破壞，大量的濕陷變形同時發(fā)生，濕陷速度逐步達到高峰。當(dāng)全部自重濕陷土層被水浸濕時，約有60%的自重濕陷變形已經(jīng)產(chǎn)生。這階段濕陷變形速度快，濕陷量大，耗水量多，總延續(xù)時間15 d～25 d。

2)土體壓密階段。土飽和自重壓力作用下，自重濕陷變形已大部分產(chǎn)生，土體不斷地壓密，濕陷速度變慢，耗水量降低，30%左右的剩余濕陷變形繼續(xù)發(fā)生，并趨于穩(wěn)定。這階段的延續(xù)時間為20 d左右。

3)二次濕陷階段。浸水停止后，飽和土中的自由水逐漸消散，孔隙水壓力也隨著減小和消失，土體中的微應(yīng)力重新分布。這時約10%的剩余濕陷量再次發(fā)生濕陷變形，濕陷速度增加，直到再次穩(wěn)定，這階段延續(xù)時間為10 d。

2.3 自重濕陷變形發(fā)生范圍的特點

1)豎向濕陷變形范圍。山西鋁廠黃河的自重濕陷性已明顯退化，濕陷性弱，敏感性低、變形速度慢。從現(xiàn)場大型試坑浸水試驗結(jié)果可知，自重濕陷量一般都小于70 mm，主要發(fā)生在上部土層，深標(biāo)點基本沒發(fā)生下沉。

2)水平濕陷變形范圍。從試坑浸水試驗的數(shù)據(jù)來看，在較均勻的濕陷土層中，濕陷范圍、裂縫分布和浸濕土體的邊界是一致的，三者的邊緣距浸濕中心的距離基本相等，約等于試坑的邊長。

3 在附加應(yīng)力作用下地基土的變形特征

經(jīng)過大型載荷浸水試驗，查明了在附加應(yīng)力作用下地基土的變形特征。

3.1 天然地基的變形特征

天然地基載荷浸水試驗場地的計算分級濕陷量36 cm，自重濕陷量11 cm。在200 kPa壓力作用下，壓縮變形3.5 cm，變形模量8 070 kPa，荷載(P)—沉降(S)曲線的比例極限125 kPa，地基強度125 kPa，停水穩(wěn)定后的濕陷變形24 cm。這些數(shù)據(jù)充分表明，場地上部新近堆積黃土層承載力低，濕陷變形大，不適宜直接作為建筑物的地基。各級荷載下的沉降量見表1。

表1 天然地基各級荷載下的沉降量表

3.2 強夯地基的變形特征

強夯地基大型載荷浸水試驗場地的計算分級濕陷量38.4 cm，自重濕陷量11.3 cm，與天然地基載荷浸水試驗場基本一致。

先在試驗場地開挖20 m×20 m的浸水試坑，然后在試坑內(nèi)北半部100 m2的面積上強夯，夯擊能級1 000 kJ。地基土在200 kPa壓力作用下，壓縮變形2.3 cm，變形模量13 800 kPa。P—S曲線為一條直線，地基強度可達200 kPa。停水穩(wěn)定后的濕陷變形0.8 cm，各級荷載下的沉降量見表2。

表2 強夯地基各級荷載下的沉降量表

從測量沉降結(jié)果可以看出，地基土的壓縮變形和濕陷變形主要發(fā)生在B(B為壓板寬度)深度范圍內(nèi)，其壓縮層的深度為5 m，相當(dāng)于2.5B。

試驗結(jié)果表明，強夯地基的密實性提高，滲透性減少，壓縮性降低，濕陷性消除，承載力和變形模量增加，強夯效果顯著。

4 自重濕陷量實測值與計算值的比較

為了比較自重濕陷變形室內(nèi)外試驗結(jié)果的異同，深入了解濕陷黃土的工程特性，進行了系統(tǒng)的大型試坑浸水試驗和相應(yīng)的大量室內(nèi)試驗，可以得出如下的結(jié)論:

1)現(xiàn)場試坑浸水試驗的實測自重濕陷量均小于室內(nèi)試驗的計算自重濕陷量，且差異較大。

2)實測自重濕陷量和計算自重濕陷量的比值(K)，變化在0～0.55范圍內(nèi)，平均為0.22，最大值為0.30。這說明濕陷性黃土規(guī)范GBJ 50025-2004中規(guī)定的修正系數(shù)β0(山西地區(qū)β0=0.5)基本與規(guī)范吻合。

3)不論現(xiàn)場試坑浸水實測自重濕陷量，還是室內(nèi)試驗計算的自重濕陷量，都表明生活區(qū)有自重濕陷場地，但分布不連續(xù)，零星地出現(xiàn)非自重濕陷場地之間，具有輕微自重濕陷性。

4)室內(nèi)試驗條件和現(xiàn)場實際情況不完全相同，土質(zhì)狀況各地區(qū)也不一樣，這就導(dǎo)致了實測自重濕陷量和計算自重濕陷量的差異，這種差異在各地區(qū)又有不同的特點。

5 結(jié)語

1)生活區(qū)及廠前區(qū)建筑場地，多屬于Ⅱ級～Ⅲ級自重濕陷場地，濕陷敏感性低，濕陷速度慢，分布不連續(xù)，零星地出現(xiàn)在非自重濕陷性場地中，多屬于非自重濕陷場地。

2)上部新近堆積黃土層，地基強度低，壓縮性高，濕陷變形大，工程性能較差，不適宜直接作為天然地基，需要進行地基處理，以消除其濕陷性。