濕陷性黃土地區(qū)鐵路房屋地基處理方案及工程實例

李 強，張金茍

（中鐵十六局集團電務(wù)工程有限公司，北京 100018）

濕陷性黃土是一種特殊性質(zhì)的土，具有在自重或外部荷重下或二者共同作用下，受水浸濕后結(jié)構(gòu)迅速破壞發(fā)生突然下沉的性質(zhì).它在中國分布廣泛，主要集中在山西、陜西、甘肅大部分地區(qū)以及河南西部.此外，新疆、山東、遼寧、寧夏、青海、河北及內(nèi)蒙古的部分地區(qū)也有分布，但不連續(xù).

鐵路房屋是鐵路生產(chǎn)、運營的核心，發(fā)揮著指揮、調(diào)度、監(jiān)控、服務(wù)等作用，對整個鐵路的安全運營起著十分重要的作用，是整體鐵路系統(tǒng)中不可缺少的一部分.鑒于濕陷性黃土的危害性和鐵路房屋的重要性，在濕陷性黃土地區(qū)的鐵路站房建設(shè)，必須采取處理措施，以保證站房結(jié)構(gòu)的安全.

由于國內(nèi)對鐵路房屋濕陷性處理措施的專項研究和實例介紹不多，本文特從理論與實踐相結(jié)合的角度對此問題展開論述.

1 黃土的濕陷機理及防止措施

1.1 黃土的濕陷性機理

黃土的結(jié)構(gòu)特點和膠結(jié)物質(zhì)的水溶特性決定了黃土濕陷的機理[1].濕陷性黃土是一種非飽和的欠壓密土，具有大孔和垂直節(jié)理，在天然濕度下，其壓縮性較低，強度較高，但遇水浸濕時，土的強度顯著降低，在附加壓力或在附加壓力與土的自重壓力下引起的濕陷變形，是一種下沉量大、下沉速度快的失穩(wěn)性變形.造成黃土濕陷的原因可總結(jié)為：

（1）黃土的力學(xué)性質(zhì)從內(nèi)部改變了黃土在浸水及外部荷載因素下，使剪應(yīng)力超過抗剪強度，從而發(fā)生濕陷.

（2）黃土內(nèi)部受浸水濕化作用下，使土壤自身摩擦力降低，外部擾動作用誘發(fā)濕陷.

（3）黃土內(nèi)部結(jié)構(gòu)發(fā)生崩解，使黃土顆粒間膠結(jié)強度弱化，顆粒間相對遷移，并伴隨小顆粒進入大間隙.同時由于顆粒間膠結(jié)被水溶解，在外部擾動作用下強度已不堪平衡，造成土質(zhì)結(jié)構(gòu)損壞.

1.2 濕陷性黃土的防止措施

黃土濕陷性對人類工程活動危害很大，常使建筑物、渠道、庫岸、道路護坡造成破壞.筆者認為，改變濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)特性是防止黃土濕陷性的核心，而防止或減小建筑物地基浸水濕陷則是防止黃土濕陷性的關(guān)鍵點.

防止?jié)裣菪渣S土地基濕陷的綜合措施主要有地基處理、防水措施和結(jié)構(gòu)措施三種.其中地基處理措施主要用于改善土的物理力學(xué)性質(zhì)，減小或消除地基的濕陷變形；防水措施主要用于防止或減少地基受水浸濕；結(jié)構(gòu)措施主要用于減小或調(diào)整建筑物的不均勻沉降，或使上部結(jié)構(gòu)適應(yīng)地基的變形[2].三種措施作用、功能、側(cè)重點各不相同，在實踐中要采取以地基處理為主的綜合措施，標本兼治，突出重點，消除隱患.

防止黃土濕陷性的地基處理措施主要有以下幾種：

（1）墊層法：包括土墊層和灰土墊層，是將基底以下濕陷性土層部分或者全部挖除，用2:8或3:7灰土局部或整片進行換填并分層夯實，適用于消除基底以下1～3m的濕陷性黃土.具有施工簡易、快捷、造價低的優(yōu)點，但這種措施處理的黃土厚度有限，不適用于較厚的濕陷性黃土地層，還需做好防水，地面水及管道漏水仍可能滲入土層引起不均勻沉降.

（2）強夯法：是反復(fù)將夯錘（10～60t）提到一定高度（10～40m）使其自由落下,給地基以沖擊和振動能量，從而提高地基承載力、降低其壓縮性，改善地基性能.該法設(shè)備簡單、工期短、節(jié)省勞力材料、造價低廉.處理深度一般在3～7m，對非自重濕陷性黃土效果明顯.它要求場地有足夠空間，對土壤含水量要求高，且施工造成的震動大，對周圍建筑有影響，不適宜在城區(qū)使用，施工前試驗和完工后檢驗時間長（30d）.

（3）擠密法：是用灰土或土層夯實的樁體，形成增強體，與擠密的樁間土一起組成復(fù)合地基，共同承受基礎(chǔ)的上部荷載.成孔擠密主要有沉管、沖擊、夯擴、爆擴等方法，適用于厚度在3～15m的濕陷性黃土，由于樁體和樁間土的雙效作用使得擠密法地基處理的整體效果好，不但消除或部分消除了黃土的濕陷性，還提高了地基土的承載力、增強了其水穩(wěn)性.

（4）預(yù)浸水法：宜用于處理厚度大于10m,自重濕陷量的計算值不小于500mm的場地.浸水結(jié)束后，地面6m以下濕陷性可全部消除，地面6m以內(nèi)濕陷性也可大幅度減小，但該法耗時太長，往往影響工期，需水量也大，缺水地區(qū)不適用.浸水使場地周圍地表下沉開裂，容易影響附近建筑物的安全，所以規(guī)定至既有建筑物的距離不小于50m,而且一般在浸水結(jié)束后，還需進行補充勘察工作，重新評定地基土的濕陷性，并采用墊層或其他方法處理上部濕陷性黃土層，無形中增加了成本、延長了工期.

當(dāng)以上地基處理措施都不能滿足設(shè)計要求時，可采用樁基礎(chǔ)來消除黃土的濕陷性，此法安全可靠，但是投資費用較大.

2 工程實例

2.1 鐵路車站站房綜合樓

黃韓侯鐵路新建白水、澄城、合陽北站站房在陜西省渭南市境內(nèi)，位于隴東—陜北—晉西的濕陷性黃土帶上，此地區(qū)自重性黃土分布廣泛，厚度一般大于10m，地基濕陷等級一般為3～4級，濕陷性較敏感.經(jīng)現(xiàn)場鉆孔檢測，三站均為4級自重性濕陷性黃土，與《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范（GB 50025-2004）》判定一致.以澄城站站房施工場地為例，土層從上至下分布為：

（1）人工填土：厚約1.1m.

（2）黏質(zhì)黃土：厚約23.8m，黃褐色，成份以黏粒為主，黏性一般，土質(zhì)均勻，土體結(jié)構(gòu)疏松，可見針狀孔隙及蟲孔，含少量鈣絲及鈣質(zhì)結(jié)核，巖芯呈散塊狀及短柱狀，其中：15.10～15.70m含大量鈣絲，17.80～19.00m含大量鈣質(zhì)結(jié)核，具IV級自重濕陷性.fak＝150kPa.（3）砂質(zhì)黃土:厚約1.3m，棕褐色，成份以黏粒為主，黏性一般，土質(zhì)均勻，土體結(jié)構(gòu)較緊密，可見少量針狀孔隙，硬塑，巖芯呈短柱狀，具IV級自重濕陷性.fak＝150kPa.

經(jīng)現(xiàn)場探孔檢測，白水站和合陽北站站房與澄城站房一樣，均為IV級自重濕陷性黃土，且厚度較大.站房為300人小型鐵路車站站房，房屋結(jié)構(gòu)采用全現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，主體1層，局部2層，建筑高度12m,建筑面積2500m2,設(shè)計使用年限為50年，房屋基礎(chǔ)采用鋼筋混凝土獨立基礎(chǔ)，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級.

設(shè)計要求處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于180kpa，樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93.

根據(jù)現(xiàn)場情況、房屋結(jié)構(gòu)及國家有關(guān)規(guī)范的要求綜合分析測算，對三站站房地基采用灰土擠密樁的方式進行處理.灰土擠密樁材料按2：8配合比，樁徑400mm，樁長度為10m，梅花狀布樁，樁距900mm.施工完畢后，經(jīng)檢測三站站房復(fù)合地基承載力特征值為225kPa，樁間土平均擠密系數(shù)大于0.93，地基承載力提升明顯，滿足設(shè)計要求.

2.2 單層小型砌體房屋

黃韓侯鐵路韓城車站待檢室及清掃房位于陜西省韓城市韓城火車站內(nèi)，擬建房屋地質(zhì)資料如下：

（1）雜填土：由粉質(zhì)粘土與大量磚瓦碎片組成，結(jié)構(gòu)雜亂，土質(zhì)不均，厚約1m，Ⅱ級普通土.

（2）黏性黃土：分布于填土底面以下，黃褐色，硬塑—可塑，蟲孔及大孔隙發(fā)育，具濕陷性，工程場地均有分布，屬中等壓縮性土.厚約10m，底部為棕紅色古土壤層.Ⅱ級普通土.fak=120kpa，具Ⅲ級自重濕陷性.

待檢室及清掃房建筑面積68.64m2,層數(shù)1層，層高3.6m,結(jié)構(gòu)形式為磚混，設(shè)計使用年限為50年，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為丙級，基礎(chǔ)采用柱下墻下條形基礎(chǔ)，要求處理后的地基承載力特征值不小于180kpa.

地基處理采用基底以下?lián)Q填3m厚3:7灰土墊層，每邊寬出基礎(chǔ)邊不小于1.5m，墊層分層夯實，壓實系數(shù)不小于0.97.用換填法處理地基后，壓實系數(shù)不小于0.97，地基承載力特征值為195kpa，滿足設(shè)計要求.

2.3 多層框架房屋

（3）黃韓侯鐵路芝陽站運轉(zhuǎn)綜合房屋，建筑面積639.52m2，二層框架結(jié)構(gòu)，層高8.9m.擬建房屋地質(zhì)資料為：黏性黃土：淺棕黃—黃褐色，厚度大于20m，土質(zhì)均勻，夾有鈣質(zhì)網(wǎng)膜及零星姜石，硬塑，Ⅱ普通土，fak=150kpa，屬自重型濕陷性黃土，濕陷等級Ⅳ級，濕陷土層厚度約25～35m.地表水不發(fā)育.鉆孔深度未見地下水，土壤凍結(jié)深度37cm，要求地基處理后復(fù)合地基承載力特征值不小于180kpa.

擬采用3：7灰土擠密樁進行地基處理，樁長6m，樁徑450mm，等邊三角形布樁，樁距1000mm.但由于現(xiàn)場施工場地不能滿足灰土擠密樁處理寬度的要求，經(jīng)計算，將地基處理方案修改為3:7灰土換填處理地基，處理厚度為基底下3m，寬出基礎(chǔ)邊緣各2m，灰土壓實系數(shù)不小于0.95.

現(xiàn)場施工完畢后，經(jīng)檢測，地基承載力特征值大于180kpa，滿足設(shè)計要求.

2.4 工程造價分析

鐵路房屋濕陷性地基處理方案及造價表

從上表可以看出，對鐵路房屋的重要建筑如火車站站房由于其重要性宜采用灰土擠密樁進行地基處理以保證其結(jié)構(gòu)的安全性，其他房屋宜采用換填灰土墊層的方法對地基進行處理，相較擠密法既能有效節(jié)省工期、又能顯著降低造價，可作為鐵路一般房屋處理濕陷性黃土的首選方法.

3 結(jié)語

（1）本文以陜西黃韓侯鐵路房屋濕陷性黃土地基處理為例，針對房屋所處的現(xiàn)場情況和地質(zhì)條件，論述了采取的墊層法和擠密法的房屋地基處理方案，并進行了經(jīng)濟技術(shù)分析，得出了鐵路站房適用灰土擠密法、一般房屋適用墊層法進行濕陷性黃土地理處理結(jié)論.

（2）目前對濕陷性黃土的研究成果主要集中在地方民建方面，鐵路方面主要集中在對路基的處理方面[3，4]，對鐵路房屋的研究極少、類型也單一[5].由于鐵路房屋的特殊性，下一步應(yīng)加強濕陷性黃土地區(qū)鐵路房屋地區(qū)地基處理方法的探索和研究，尤其是地方民建較少使用的其他技術(shù)（如DDC樁、鉆孔灌注樁、震動碎石樁等），注意案例的收集和數(shù)據(jù)的積累，以推動濕陷性黃土地基處理技術(shù)的發(fā)展.

（3）在濕陷性黃土地基處理時，要根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》（GB50025）、《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79)的要求，結(jié)合所建建筑物的特點、地質(zhì)條件、要求的地基承載力、施工難易程度、節(jié)省投資等方面，進行技術(shù)經(jīng)濟分析，選擇最合適的房屋地基處理方案，避免資源的浪費.

（4）灰土擠密樁的施工機械屬大型施工機械，由于成本原因，現(xiàn)在使用的機械都較為陳舊，因此要研究一套切實可行的安全控制方法和安全操作規(guī)程，確保施工安全.

（5）濕陷性黃土房屋地基經(jīng)過地基處理后濕陷性消除或降低，能達到建筑物荷載的要求，但是我們在實踐中還應(yīng)該采取結(jié)構(gòu)（如考慮框架結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)內(nèi)外設(shè)置變形縫等）、防水（如擴大站房外散水的寬度、增加防水卷材等）等措施，繼續(xù)結(jié)構(gòu)、防水、維護這方面的研究和探索，在實踐中不斷探索防止?jié)裣菪渣S土的方法，防止地基濕陷對建筑物的危害.

〔1〕張曉宇.濕陷性黃土地區(qū)建筑的地基處理措施[J].山西建筑，2014（3）：76.

〔2〕GB 50025-2004,濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范[S].79.

〔3〕搖裕春，李安洪，羅照新，孫鶯.鄭西客專濕陷性黃土地基處理技術(shù)研究[J].鐵道工程學(xué)報，2013（9）：15—19.

〔4〕趙如意.黃韓侯鐵路濕陷性黃土地基處理措施研究與設(shè)計[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報，2013（5）：113.

〔5〕袁二麗.濕陷性黃土地段房屋地基處理方案及造價分析[J].鐵路工程造價管理，2013（3）：8-10.