山東省黃土工程特性與處理方式

薛明華，陳圣仟

（濟南市勘察測繪研究院，山東濟南250013）

·巖土工程·

山東省黃土工程特性與處理方式

薛明華*，陳圣仟

（濟南市勘察測繪研究院，山東濟南250013）

黃土具有特殊的物質(zhì)組成與結(jié)構(gòu)特征，不同區(qū)域黃土的工程性質(zhì)有較大差異。簡要闡述了山東省全新世黃土的分布特征及其物理力學性質(zhì)，并對本地區(qū)常用地基處理方法做了分析總結(jié)。

黃土；濕陷性；工程特性；地基處理

1　概述

隨著山東省經(jīng)濟建設(shè)的發(fā)展，在工業(yè)與民用建筑、水利、公路與鐵路建設(shè)中遇到許多由于黃土特殊性質(zhì)而引起的工程問題，在黃土區(qū)由于黃土濕陷性而引發(fā)的工程事故也屢見不鮮。因此對黃土的工程特性和地基處理方式進行研究具有現(xiàn)實意義。

2　山東省黃土的分布概況

按照自然地理區(qū)位的不同，山東省黃土可劃分為2部分：渤海灣沿海與島嶼區(qū)、魯中山前區(qū)。前者主要包括廟島群島黃土、萊州灣沿岸黃土；后者集中分布在魯中山地的北麓斜坡、山間平原及山前沖洪積扇、沖洪積平原中上部、山間沖溝兩側(cè)；另外，膠東山地和魯中山地南部有零星黃土分布［1］。在地域上主要分布在濟南、淄博、泰安、萊蕪、濰坊、煙臺等地，堆積分布高程從海拔數(shù)米到200余米。

山東省內(nèi)分布的馬蘭黃土、離石黃土，呈硬—堅硬狀態(tài)，具針狀小孔，孔隙比較小，具低壓縮性，該類黃土多處在全新統(tǒng)地層以下，基本無濕陷性或濕陷性較弱，在工程實踐中一般按照粉質(zhì)粘土對待，很少處理，本文不再討論。本區(qū)的全新世黃土，大多都以沖洪積或坡洪積形式存在，黃土地基的一般厚度為2～10m，深度為3～12m。沖洪積黃土多具有層理，有的層理比較明顯，含碎石等夾層或透鏡體，部分地段的碎石具有較好的磨圓度，一般分布在山前平原、河谷階地；坡洪積型黃土主要分布在山地的斜坡與前緣部分，這種成因類型是斜坡地帶地貌單元的產(chǎn)物。其特點是：粉粒含量較高；土層具有垂直節(jié)理；具大孔隙；富含白色鈣質(zhì)條紋；多呈褐黃色、黃褐色；直立性較強，局部露頭形成豎直的峭壁；局部含鈣質(zhì)結(jié)核；部分地段含碎石、細中砂透鏡體或夾層。

3　黃土的物理性質(zhì)

土體物理性質(zhì)是表征土的物理狀態(tài)的一系列指標，基本的指標有顆粒組成、含水量、孔隙比、密度、比重和稠度指標等。

黃土的顆粒組成對查明黃土物質(zhì)成分的來源、搬運介質(zhì)、沉積環(huán)境等具有重要意義，黃土物理力學性質(zhì)及水文地質(zhì)特性與其粒度組成有密切關(guān)聯(lián)。分析其粒度特征對研究黃土工程地質(zhì)性質(zhì)有著重要意義［2］。山東地區(qū)黃土中粒徑大于0.05mm的砂粒含量為5～26，0.05～0.005mm粉粒含量為42～71，小于0.005mm的粘粒含量為22～36，對比西北地區(qū)的典型黃土，其粘粒含量要高一些，砂粒含量較低，而且土骨架中的粘粒分布較均勻，起到一定程度的膠結(jié)作用，對減弱黃土濕陷性起到積極的作用。

黃土的土粒比重Gs一般介于2.51～2.84，其值的大小受土的顆粒組成影響，當粉粒與砂粒含量較多，Gs一般小于2.69；如粘粒含量多，則Gs一般大于2.72［3-4］。據(jù)統(tǒng)計，山東省黃土比重的變化范圍一般在2.66～2.73之間，密度、干密度一般為1.54～1.95g/cm3、1.33～1.63g/cm3。

含水量是土體的基本物理性質(zhì)指標，對于黃土而言，其工程性質(zhì)與含水量密切相關(guān)。山東黃土的天然含水量在11.5%～23.9%之間變化，土體含水量主要受氣候條件的制約，與地下水位的埋藏條件有關(guān)。通常情況下，黃土的天然含水量都較低。山東地處北溫帶濕潤大區(qū)魯淮區(qū)，為溫暖半濕潤季風性氣候，降雨主要集中在氣溫較高的6～9月份，年降水量比甘肅、山西等地大，本區(qū)黃土含水量相比之下要高一些。黃土濕陷性與其天然含水量關(guān)聯(lián)性較大，當黃土具有較高的含水量時，其濕陷性減弱。

土體孔隙比能直接反映天然土層的密實程度和壓縮性大小。據(jù)統(tǒng)計，山東黃土的孔隙比多在0.670～1.003之間變化，比我國西北地區(qū)典型黃土的孔隙比略小。

山東地區(qū)黃土的液塑限值多數(shù)在24.3%～33.1%和11.5%～20.3%之間，塑性指數(shù)多集中在8.0～14.6左右。

4　黃土的力學性質(zhì)

黃土的力學性質(zhì)主要包括壓縮性、強度特性和濕陷性等，通常采用壓縮系數(shù)與壓縮模量、粘聚力與內(nèi)摩擦角、濕陷系數(shù)與濕陷起始壓力等指標表示。

通過對本區(qū)黃土力學指標的統(tǒng)計分析，不同時期、不同堆積環(huán)境的黃土在力學性質(zhì)方面表現(xiàn)明顯的差異，即使在同一場地，仍具有較大的變異性，反映了土力學指標的復雜性和不確定性，也反映了黃土的不均勻性。

4.1黃土的壓縮性

壓縮性是土體的一項重要工程性質(zhì)，直接影響地基在外荷作用下的變形值。山東黃土的壓縮系數(shù)通常在0.07～1.24MPa-1，變化范圍較大，壓縮模量上一般在1.54～28.7MPa之間變化，平均值為8.6MPa，離散性很大，但隨深度增加壓縮性降低，模量呈上升趨勢。

4.2黃土的抗剪強度

土的抗剪強度是一項重要的力學指標，表示土體抵抗剪切破壞的極限能力。據(jù)統(tǒng)計，山東黃土粘聚力c值范圍一般為10.0～56.0kPa，內(nèi)摩擦角φ一般為6.1°～32.6°。

含水量是影響土力學性狀的一個重要因素，已有研究成果認為含水量的增加使土的強度降低。含水量很小時，土體粘聚力較強，隨著含水量的增加，粘聚力逐漸減弱，直至幾乎接近零。由于黃土的假粉性和粒間的咬合作用較強，使土的摩擦角較大，并隨含水量的增加而逐漸減小，含水量超過一定值，內(nèi)摩擦角的變化已不大。

4.3黃土的濕陷性

黃土的濕陷機理十分復雜，目前尚未達成統(tǒng)一的認識。濕陷性的影響因素眾多，黃土的低含水量、大孔結(jié)構(gòu)，利于水分的吸收，形成結(jié)合水膜或結(jié)合水膜增厚之后，土粒間的凝聚力降低，這是發(fā)生濕陷的基本原因。而黃土的濕陷類型則與黃土的可溶鹽含量有關(guān)。

4.3.1豎向變化特征

大量的研究表明，黃土濕陷性在垂向隨深度增加呈減小趨勢。山東地區(qū)的黃土濕陷性也基本遵循這樣的規(guī)律，但并非線性減少，而是有一定的波動，而且各地區(qū)的情況并非相同，但總體來說，一般表層土的濕陷性系數(shù)波動較大，向下趨于穩(wěn)定（見圖1）。

圖1　黃土濕陷性系數(shù)隨深度的變化

4.3.2區(qū)域變化特征

黃土的濕陷性在區(qū)域上變化較大，不同場地條件黃土地基濕陷性強弱差異明顯，尤其是不同地貌單元不同成因的黃土的濕陷性差異明顯。大量試驗資料證明，山麓斜坡地帶的黃土濕陷性高于山前平原黃土的濕陷性，沖洪積扇上中后部的黃土濕陷性高于前緣黃土的濕陷性。

黃土濕陷性在地域上也有一定差異，濟南地區(qū)局部分布的新近堆積黃土（），其濕陷性系數(shù)的變化范圍值為δs=0.015～0.082，全新世早期黃土濕陷性變化系數(shù)范圍值為δs=0.015～0.070，淄博地區(qū)分布的全新世早期黃土（）濕陷性變化系數(shù)范圍值為δs= 0.015～0.048。本區(qū)域內(nèi)濕陷性黃土的分布及濕陷程度表現(xiàn)得極不均勻，同一場地相距數(shù)十米的探坑，試驗得到的濕陷性系數(shù)可能差別很大，計算出的總濕量也有較大差別。

5　山東黃土的地基承載力

圖2　濟南某工程淺層平板載荷試驗（2.5m深度）

6　濕陷性黃土地基的處理方法

黃土地基浸水過程中濕陷變形發(fā)展迅速，對工程建設(shè)具有較大的危害性。20世紀七、八十年代，因?qū)S土濕陷性認識不足，在濟南黃土地區(qū)興建的部分建筑物，投入使用后不久就出現(xiàn)了裂縫，直接影響建筑物的安全，因此在濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)應(yīng)重視對黃土地基進行處理。

對黃土進行地基處理可以改善其物理力學性質(zhì)，減少或消除其濕陷變形量。本區(qū)黃土地基處理方式以墊層法、強夯法最為常見，沖積碾壓法在道路路基處理中也得到推廣使用，化學加固法等其它方法在個別工程中得到應(yīng)用。

（1）墊層法。墊層分為整體墊層和局部墊層，設(shè)置整片的灰土墊層，可提高地基的均勻性。為提高灰土的抗?jié)B性，在有上、下水道的地方應(yīng)設(shè)置厚一些。

墊層的尺寸（厚、寬）、夯實后的壓實系數(shù)和承載力設(shè)計值是墊層設(shè)計的主要內(nèi)容。墊層設(shè)計的原則是達到地基穩(wěn)定和沉降變形的要求，同時兼顧經(jīng)濟性。山東省黃土地基濕陷等級多為Ⅰ級，換填一般采用2∶8或3∶7灰土，換填厚度一般為1～3m。石灰的摻加提高了土體的強度，改善了土體的水穩(wěn)定性，石灰的摻入量對灰土的強度有較大影響，但過多的石灰摻量使成本增加且對強度的改善無益。施工質(zhì)量合格的灰土墊層承載力特征值可達200～250kPa，壓縮模量Es=20～40MPa。

換填處理應(yīng)注意的問題：

①應(yīng)嚴格控制灰土的含水量，含水量應(yīng)接近最優(yōu)含水量，含水量偏大時土體強度會下降；

②應(yīng)拌制均勻，拌好后及時施工；

③墊層處理的范圍要達到規(guī)范要求，使碾壓設(shè)備能充分碾壓到位；

④壓實度需達到設(shè)計要求，并應(yīng)逐層檢測壓實度。

（2）強夯法。錘底面積對強夯加固效果有直接影響，對于黃土，一般建議錘底面積采用4.5～5.5m2。同時應(yīng)控制夯錘的高寬比，以防止產(chǎn)生偏錘現(xiàn)象，黃土高寬比可采用（1∶2.5）～（1∶2.8）。

黃土的天然孔隙比較大，而天然含水量較低，強夯過程中一般不會出現(xiàn)高孔隙水壓力，這有利于強夯法的施工。一定夯擊能作用下的單點夯沉量與含水量的大小密切相關(guān)，或者說合適的含水量能夠提高夯擊效率。當黃土的天然含水量低于塑限含水量的1%～3%時，強夯處理能取得較好的處理效果。強夯加固地基宜采取逐點連續(xù)夯擊方法施工。

表1表明，夯后地基土的重度和標貫擊數(shù)明顯增加，孔隙比明顯減小，濕陷性得以消除或減弱。

強夯加固后，檢測的重點是判斷其有效加固深度和地基承載力是否達到設(shè)計要求。判斷有效加固深度的重要標準是看加固后濕陷性是否消除，即濕陷性系數(shù)δs是否小于0.015。檢測主要采用人工挖掘探井采取不擾動土試樣，室內(nèi)進行黃土濕陷性試驗進行評價。而對承載力的檢測，基本上是依靠靜載荷試驗來進行定量評價，其它原位測試手段如標準貫入試驗、靜力觸探和旁壓試驗僅作定性評價或依據(jù)經(jīng)驗關(guān)系對承載力特征值做出估算。

表1　強夯強固效果對比表

已有的工程實例表明，通過強夯處理后的黃土地基承載力特征值可達250～290kPa。根據(jù)強夯加固濕陷性黃土的資料統(tǒng)計，濟南黃土地基的加固深度以Menard公式來計算，修正系數(shù)可取0.3～0.4［5］。

（3）其它方法。沖積碾壓加固濕陷性黃土地基是地基處理與路基加固的一種創(chuàng)新技術(shù)。相比于振動壓實機械，沖擊碾壓沖擊的土體更接近于強性狀態(tài)，從而獲得更好的壓實效果。施工中要控制土體的含水量，并保證沖擊壓路機的行走速度，以確保沖擊碾壓效果。

堿液加固法曾在山東省腫瘤醫(yī)院病房樓加固中得到應(yīng)用，并取得了不錯的加固效果。通過加固前后的試驗對比，加固后注漿孔中心一定范圍內(nèi)土體濕陷性明顯減?。患庸毯笸馏w的含水量、飽和度得到提高；加固后黃土的界限含水量增加，塑限比液限的增幅要明顯一些，塑性指數(shù)降低，液性指數(shù)變大［6］。

在西北地區(qū)，預(yù)浸水法一般用于處理大厚度自重濕陷性黃土。在山東黃土分布區(qū)預(yù)浸水法處理濕陷性黃土尚無成熟的工程經(jīng)驗，在輸水渠道工程中曾進行過預(yù)浸水試驗。南水北調(diào)山東段濟平干渠沿線分布著非自重濕陷性黃土，黃土地基的計算濕陷量534～567mm，黃土地基的濕陷等級為Ⅱ級（中等）。考慮到預(yù)浸水法施工簡單、造價低，濟平干渠黃土狀土渠段在結(jié)合滲漏試驗的同時，現(xiàn)場進行了預(yù)浸水試驗。浸水后比浸水前濕陷性系數(shù)降低不明顯，難以從根本上消除黃土的濕陷性。分析其中的原因主要為：預(yù)浸水法處理非自重濕陷性黃土效果不明顯；浸水壓力小于黃土的濕陷起始壓力；預(yù)浸水時間過短，反復浸水濕陷性才可大幅度減??；已有工程實踐證明，預(yù)浸水法不能完全消除淺部地基（2～4m內(nèi)）的濕陷性［7］。后鑒于試驗段檢測結(jié)果，建議采用多次預(yù)浸水方法或者對淺部土層采用夯實處理的方法消除其濕陷性。

7　結(jié)束語

在山東分布的全新世黃土，場地的地基濕陷性等級一般情況下為Ⅰ級（輕微），局部為Ⅱ級（中等），屬非自重濕陷性黃土場地。由于濕陷變形是種下沉速度快的失穩(wěn)性變形，上部結(jié)構(gòu)很難適應(yīng)和抵抗這種速度快且不均勻的變形，對建筑物的破壞性大，危害嚴重，一般情況下，需經(jīng)地基處理后，才可作為地基持力層。濕陷性黃土的地基處理方式，應(yīng)在查清濕陷性黃土特性的基礎(chǔ)上，根據(jù)建筑物的類別，并考慮周邊環(huán)境、工期要求和材料設(shè)備等因素，經(jīng)技術(shù)經(jīng)濟比較后綜合確定。

［1］張祖陸，辛良杰，聶曉紅.山東地區(qū)黃土研究綜述［J］.地理科學，2004，24（6）：746-752.

［2］王永焱.中國黃土的結(jié)構(gòu)特征及物理力學性質(zhì)［M］.北京：科學出版社，1990.

［3］錢鴻縉.濕陷性黃土地基［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，1985.

［4］楊立建.遼西地區(qū)黃土工程特性的試驗研究［D］.吉林大學，2007.

［5］蘇玉璽.強夯加固濕陷性黃土地基及加固效果評價［C］//工程勘察綜合技術(shù)論文集，2004.

［6］孫劍平，徐向東，鮑延安，等.堿液加固濕陷性黃土地基的工程實踐［J］.施工技術(shù)，2000，29（9）：32-33.

［7］歐釗元，鄧繼昌，蔡家宏，等.南水北調(diào)東線山東段黃土狀土輸水渠道工程地質(zhì)問題研究［J］.南水北調(diào)與水利科技，2008，6（1）：92-94.

TU444

A

1004-5716（2016）06-0001-04

2015-05-31

2015-06-02

薛明華（1984-），男（漢族），山東荷澤人，工程師，現(xiàn)從事巖土工程勘察設(shè)計工作。