濕陷性黃土地區(qū)地基處理研究

韓 定 杰

(山西四建集團(tuán)有限公司，山西 太原 030001)

1 概述

目前我國常用的地基處治方法有強(qiáng)夯置換法、墊層法、樁基礎(chǔ)、擠密樁法等。但由于我國黃土分布廣泛，不同地區(qū)黃土性質(zhì)存在較為明顯的差異[1]，各地區(qū)的黃土處治方法也不盡相同，即使是同一種地基處治方法的施工方案也有差異。特別是某些地區(qū)存在一些特殊的黃土，現(xiàn)有的處治方案不一定適合，需要先對施工區(qū)域進(jìn)行工程地質(zhì)勘測，再選擇合適的地基處治方案。本文通過對某工程地質(zhì)狀況進(jìn)行分析，研究該地區(qū)最合適的處治方法。

2 工程地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

該工程的施工場地為沖洪積平原，地面高程為745.23 m～754.37 m，施工場地地勢開闊，地面坡度約為1.2%，地形相對比較平緩。

2.2 地層結(jié)構(gòu)及巖性特征

1)地層結(jié)構(gòu)。

在勘測深度范圍的結(jié)構(gòu)層內(nèi)基本上都是第四系統(tǒng)沖洪積層，主要由黃土狀粉土和粉質(zhì)粘土這兩種土組成，在少數(shù)地方夾雜著黃土狀粉質(zhì)粘土及礫砂。

2)巖性特征。

黃土狀粉土：土壤顏色有灰黃色及褐黃色，以褐黃色為主，土壤密實(shí)程度介于中等密實(shí)與密實(shí)之間，土壤干濕程度介于稍微濕潤與濕潤之間；施工場地地表約5.2 m的土壤內(nèi)含有較多的植物根莖，多孔洞，排列沒有規(guī)律，含有較多的結(jié)核。這種結(jié)構(gòu)層在施工場地內(nèi)廣泛分布，層厚一般為6.00 m～17.00 m，層底埋深6.00 m～17.00 m，相應(yīng)層底高程為737.37 m～748.37 m。

粉質(zhì)粘土：土壤顏色以灰黃色為主，塑性狀態(tài)介于可塑與硬塑之間，基本沒有鈣質(zhì)結(jié)核。該結(jié)構(gòu)層在工程場地內(nèi)普遍存在，本次勘探試驗(yàn)未能穿透此結(jié)構(gòu)層，最大勘測厚度為38.30 m。

2.3 地下水條件

工程施工場地為潛水類型，含水層主要為粉質(zhì)粘土層和粉土層。地下水穩(wěn)定水位埋深為9.60 m～11.80 m。

2.4 地基土濕陷性分析

根據(jù)相關(guān)規(guī)范規(guī)定，判定工程施工場地的①層為濕陷性黃土狀粉土(水上)，此結(jié)構(gòu)層距離地表深度大概7.6 m以下范圍內(nèi)的土層具有濕陷性。施工區(qū)域的黃土為非自重濕陷性黃土，根據(jù)勘測現(xiàn)場的取樣分析，該區(qū)域黃土的濕陷量大部分在295 mm～325 mm范圍內(nèi)，因此判斷該區(qū)域濕陷等級為Ⅱ級，最大濕陷厚度為7.93 m。

2.5 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

地基土的主要物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 地基土主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)一覽表

3 選擇地基處理方法的原則

由于工程等級為一級，需要嚴(yán)格控制工程的沉降差、沉降量；考慮到上部結(jié)構(gòu)較重的荷載，地基承載力必須大于350 kPa；包括水工建筑物在內(nèi)的一些建筑物有極大概率出現(xiàn)地基浸水的情況。綜合上述條件，若主要建筑物所處的地基為黃土地基，必須完全消除基礎(chǔ)下黃土的濕陷性[2]，且處治后的地基土必須具有很高的強(qiáng)度，較小的變形。根據(jù)相關(guān)規(guī)范中的要求，甲類建筑需要使用樁基礎(chǔ)完全穿透濕陷性黃土層或者完全消除黃土的濕陷性；乙、丙類建筑也需消除濕陷性黃土地基的部分濕陷量或者穿透全部濕陷性黃土層。

綜合考慮施工區(qū)域地基土的地質(zhì)條件和多種地基處治方案的優(yōu)缺點(diǎn)及使用限制，從而確定該區(qū)域地基土的處治方案，并充分結(jié)合當(dāng)?shù)氐鼗恋某墒焯幹畏椒笆┕そ?jīng)驗(yàn)，從經(jīng)濟(jì)性及技術(shù)等角度對多種方案進(jìn)行比選，決定最終的地基土處治方法。常用的處治方法[3]有強(qiáng)夯置換法、墊層法、樁基礎(chǔ)、擠密樁法等。

4 地基處理方案分析

4.1 強(qiáng)夯置換法

強(qiáng)夯置換法是現(xiàn)在處理濕陷性黃土?xí)r廣泛使用的一種成熟方案，通過高處落下的重錘，對地基土造成極大的沖擊，多次反復(fù)夯擊土基，使得地基中的土體結(jié)構(gòu)產(chǎn)生變化，變得更加密實(shí)，當(dāng)出現(xiàn)夯坑過深導(dǎo)致夯擊較為困難時(shí)停止，向坑內(nèi)填入碎石至與夯坑頂部平齊并記錄填入碎石的數(shù)量，然后再對其進(jìn)行夯擊，直至滿足規(guī)范要求，從而極大程度地提高地基土強(qiáng)度和降低其變形的原理，實(shí)現(xiàn)加固地基土的目的。到目前為止，國內(nèi)強(qiáng)夯置換法的最大處治深度已經(jīng)可以達(dá)到12 m的深度。當(dāng)施工區(qū)域地基所處的土層為大厚度濕陷性黃土?xí)r，使用強(qiáng)夯置換法時(shí)必須完全消除地基的濕陷性或者剩余濕陷量小于150 mm，這種方法操作技術(shù)成熟、工序少、施工進(jìn)度快、周期短及投資較少的優(yōu)點(diǎn)，但它對地基土層的含水量及飽和度有較高的要求。

1)強(qiáng)夯置換施工步驟。

清理施工場地并按設(shè)計(jì)標(biāo)高對該區(qū)域進(jìn)行平整[4]；標(biāo)記場地夯點(diǎn)位置，測量其高程；使起重機(jī)夯錘對準(zhǔn)標(biāo)記的位置；記錄錘頂高程；記錄每次夯擊的深度。當(dāng)出現(xiàn)夯坑過深導(dǎo)致夯擊較為困難時(shí)停止，向坑內(nèi)填入碎石至與夯坑頂部平齊并記錄填入碎石的數(shù)量，然后再對其進(jìn)行夯擊，直至滿足夯墩的深度大于2 m且停止夯擊前兩次夯擊的平均夯沉量不大于100 mm，對夯坑進(jìn)行第二次填平后再對夯墩進(jìn)行夯擊。隔行跳打、由內(nèi)而外處治夯點(diǎn)。用低能量的滿夯和拍夯平整地基，將表層的松散土層夯實(shí)后再記錄此施工區(qū)域高程；試夯工作完成后，根據(jù)完整的施工記錄，提出地基施工試夯地面的平均夯沉量及主夯點(diǎn)的夯沉量。

2)主夯點(diǎn)夯坑數(shù)據(jù)及碎石置換量。

挑選具有代表性的夯點(diǎn)，記錄夯坑頂和夯坑底兩個(gè)截面的面積，每個(gè)截面沿不同的方向取三次直徑，其詳細(xì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)見表2。

表2 夯坑坑頂、坑底直徑及夯坑體積

通過此次試驗(yàn)，采用強(qiáng)夯法進(jìn)行置換區(qū)域的碎石置換用量如下：通過夯擊過程中的總進(jìn)料量與所有主夯點(diǎn)夯坑體積之和的比值，可以得出此次夯擊的填補(bǔ)系數(shù)為1.4。此次夯擊的填補(bǔ)系數(shù)受到夯實(shí)后碎石填料自身變得更加密實(shí)及原夯坑、夯墩體積變大這兩個(gè)主要因素影響。施工區(qū)域所使用的填料總量1 239 m3，每個(gè)夯點(diǎn)置換所使用的碎石料總量平均為39 m3，施工區(qū)域單位面積的置換量為1.72 m3。施工區(qū)域在使用強(qiáng)夯置換法夯擊前后的地面高程及夯沉量見表3。在施工區(qū)域內(nèi)，單位面積的夯坑內(nèi)填入1.71 m3碎石料后，強(qiáng)夯置換后累計(jì)沉降依然達(dá)到0.45 m，表明強(qiáng)夯置換法效果明顯。

表3 夯擊前后地面高程及夯沉量 m

3)地基檢測結(jié)果。

在本次強(qiáng)夯置換法的試驗(yàn)區(qū)域內(nèi)，土體夯擊前后布置探井，采集現(xiàn)場的土樣通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行研究，夯后、夯前土體主要物理力學(xué)指標(biāo)詳細(xì)結(jié)果見表4。研究表明，使用強(qiáng)夯置換法夯擊后的土體物理力學(xué)較夯擊前提升明顯，表明該方法對施工區(qū)域內(nèi)的濕陷性黃土加固效果明顯。

表4 夯后、夯前土體主要物理力學(xué)指標(biāo)比較

采用強(qiáng)夯置換法進(jìn)行夯擊后的施工區(qū)域內(nèi)設(shè)置若干個(gè)探井，采集現(xiàn)場的土樣通過室內(nèi)試驗(yàn)進(jìn)行濕陷性分析，發(fā)現(xiàn)其濕陷性系數(shù)僅有0.002～0.004，因此該試驗(yàn)方案對消除施工區(qū)域內(nèi)土體的濕陷性效果明顯。在使用強(qiáng)夯置換法進(jìn)行夯擊后的土體表面設(shè)置平板載荷試驗(yàn)點(diǎn)，確定的夯后土體承載力特征值，其數(shù)據(jù)結(jié)果見表5。

表5 強(qiáng)夯后土體承載力特征值

采用強(qiáng)夯置換法對某地區(qū)的濕陷性黃土進(jìn)行處理，置換填料可以使用當(dāng)?shù)仉S處可見的碎石料，不僅可以消除黃土的全部濕陷性，而且相較于一般強(qiáng)夯法，地基所在土體的承載力能夠提高1.5倍以上，滿足設(shè)計(jì)時(shí)其承載力達(dá)到350 kPa的要求。在后續(xù)主要建筑物施工過程中對置換的土體進(jìn)行檢測，一共做了57次試驗(yàn)，結(jié)果顯示施工區(qū)域土體的承載力均符合設(shè)計(jì)大于350 kPa的要求，壓縮模量均大于25 MPa，沉降量介于4.30 mm～9.84 mm之間，P—S曲線沒有出現(xiàn)突然下降的段落，較為平緩主體建筑物所使用的基礎(chǔ)類型為獨(dú)立基礎(chǔ)，效果顯著，因此強(qiáng)夯置換法值得推廣應(yīng)用。

4.2 樁基方案

采用機(jī)械鉆孔或者人工的方式進(jìn)行灌注樁作業(yè)。采用此方案可將濕陷性黃土層完全貫穿，相比較而言安全系數(shù)較高，因此普遍使用在工程等級比較高的建筑物地基處理中。使用這種施工方案樁體必須完全貫穿濕陷性黃土層，通過持力土層承受上部結(jié)構(gòu)荷載?？紤]到大厚度濕陷量大的黃土層，在進(jìn)行樁基設(shè)計(jì)時(shí)需要從負(fù)摩阻力對樁體的影響等方面進(jìn)行分析，較長的樁體會導(dǎo)致細(xì)長比過大，影響樁體的整體剛度，若土體由于水的浸泡局部區(qū)域發(fā)生濕陷導(dǎo)致土體的側(cè)移，這時(shí)樁體在受到水平荷載時(shí)作用等同于壓桿，進(jìn)而使得樁頂大幅度位移造成建筑物的損壞。因此采用提升樁體直徑的方法增加樁基的整體剛度，必然導(dǎo)致樁基直徑過大，使得樁基礎(chǔ)的造價(jià)高昂。

4.3 擠密地基處理方法

1)利用夯擴(kuò)、沖擊、沉管等方式在施工區(qū)域的土體內(nèi)通過擠壓的方式成孔，從而使得施工區(qū)域周圍的土體變得更加密實(shí)，并向其中分層填土夯實(shí)形成地基。在對土體進(jìn)行夯擊和填料的過程中，原位置的土體全部被壓進(jìn)孔體內(nèi)的周圍土體中，這種方法能夠處理5 m～10 m深度范圍內(nèi)的濕陷性黃土，一般適用于處理剩余濕陷量小于150 mm的乙級以下建筑物的濕陷性。地下水位以上土體含水量介于12%～24%之間的濕陷性黃土可以考慮采用此方法進(jìn)行地基處理，當(dāng)含水量過小時(shí)，需考慮增加施工區(qū)域土體的濕度，使土層達(dá)到最優(yōu)含水量提高地基土處理效果。

2)采用DDC工法進(jìn)行地基擠密處理，該方法又被稱作孔內(nèi)深層強(qiáng)夯法，這種方案通過提高土體的抗剪強(qiáng)度和密實(shí)度，減少土體變形量的方式有效降低施工區(qū)域土體的滲透能力，消除土體濕陷性，從而達(dá)到提升土體承載力的效果。這種方式處理后的地基承載力相較于一般擠密地基處理方法提升更加顯著?？梢蕴幹?0 m～30 m深度的濕陷性黃土，適合那些施工區(qū)域土體處在大厚度濕陷性黃土地基的建筑物施工。但是就干硬黃土而言，當(dāng)土體的含水量過小時(shí)，必須增加土體的濕度才能獲得理想的效果。

5 結(jié)語

采用強(qiáng)夯置換法對濕陷性黃土進(jìn)行處治，置換填料可以使用當(dāng)?shù)仉S處可見的碎石料，不僅可以消除黃土的全部濕陷性，而且承載力能夠提高1.5倍以上，滿足設(shè)計(jì)時(shí)承載力要求。在后續(xù)主要建筑物置換土體的檢測結(jié)果顯示施工區(qū)域土體的承載力均符合設(shè)計(jì)大于350 kPa的要求，壓縮模量均大于25 MPa，沉降量介于4.30 m～9.84 mm之間，P—S曲線沒有出現(xiàn)突然下降的段落，較為平緩。主體建筑物所使用的基礎(chǔ)類型為獨(dú)立基礎(chǔ)，效果顯著，因此強(qiáng)夯置換法值得在我國失陷性黃土地區(qū)推廣應(yīng)用。