董志塬區(qū)巨厚黃土濕陷特性與基礎(chǔ)選型分析

楊宏平，張興元，楊 陽

(1.甘肅省高校黃土工程性質(zhì)及工程應(yīng)用省級重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，甘肅 慶陽 745000；2.隴東學(xué)院 土木工程學(xué)院，甘肅 慶陽 745000)

素有“隴東糧倉”之稱的甘肅省慶陽市是中國農(nóng)耕文化的發(fā)祥地之一，在甘肅的經(jīng)濟(jì)發(fā)展中具有舉足輕重的地位[1]。西峰區(qū)位于“天下黃土第一塬”——董志塬，塬面積約2300km2，是目前黃土高原上保存最完整，面積最大的黃土塬[2]。區(qū)域內(nèi)黃土的厚度達(dá)200m以上。隨著“一帶一路”倡議和西部大開發(fā)戰(zhàn)略的深入實(shí)施，慶陽地區(qū)的工程建設(shè)也得到了快速發(fā)展，許多高層建筑和超高層建筑如雨后春筍般出現(xiàn)，如慶陽某傳媒大廈項(xiàng)目建筑高度為216m，某宏業(yè)大廈項(xiàng)目建筑高度190m，某百貨大樓項(xiàng)目地上24層，地下5層。

但是，由于黃土的厚度過大，建筑物沒有理想的持力層，而且上部黃土具有濕陷性，很容易使建筑物因不均勻沉降過大而造成開裂破壞。因此如何正確地評價黃土的濕陷特性和合理地進(jìn)行建筑物基礎(chǔ)的選型，就成為目前亟須解決的問題。

關(guān)于基礎(chǔ)的選型，國內(nèi)的學(xué)者和工程師做了大量的研究，如吳家榮[3]通過大量的工程實(shí)例，分析了深圳地區(qū)基礎(chǔ)選型發(fā)展現(xiàn)狀；劉繼光[4]通過高層建筑地基承載力確定方法的分析，對北京地區(qū)筏板基礎(chǔ)的選型進(jìn)行了研究；李大鈞[5]通過對陸上風(fēng)機(jī)經(jīng)常采用的基礎(chǔ)進(jìn)行分析，對風(fēng)機(jī)基礎(chǔ)的選型和樁基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的優(yōu)化進(jìn)行了研究；蔣朝旭[6]通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和有限元分析計(jì)算，對多年凍土區(qū)輸電線塔基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)原則和凍土特性進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明凍土深度為2m時，凍土對錐柱基礎(chǔ)的地基承載力和位移影響最小；宋林華[7]通過西北某一工程實(shí)例，對大厚度濕陷性黃土的基礎(chǔ)選型和黃土的濕陷性進(jìn)行了評價和分析，研究發(fā)現(xiàn)，黃土的濕陷性系數(shù)隨著壓力增大而不斷增大；楊舟洋[8]對軟土地基上的建筑基礎(chǔ)選型進(jìn)行了研究，研究結(jié)果表明：在軟弱地基上采用CFG樁加筏板基礎(chǔ)是合理的；李紅波[9]通過對蘭州某小區(qū)的基礎(chǔ)選型分析，對濕陷性黃土地區(qū)的樁基礎(chǔ)和灰土擠密樁基礎(chǔ)進(jìn)行對比研究；張曉兵[10]對西安某高層建筑的基礎(chǔ)選型設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究，研究發(fā)現(xiàn)，隨著建筑高度的逐漸增加和建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜性的提高，傳統(tǒng)的基礎(chǔ)形式已經(jīng)不再適用；董富強(qiáng)[11]等對豫西工程地質(zhì)條件及濕陷性特征進(jìn)行分析，研究了豫西濕陷性黃土的工程地質(zhì)特征和基礎(chǔ)選型，研究結(jié)果表明：樁基礎(chǔ)施工前應(yīng)采用強(qiáng)夯等方法進(jìn)行地基處理，同時還要做好地基的防水處理。

上述研究表明，國內(nèi)外的學(xué)者對建筑基礎(chǔ)選型開展了不少的研究，取得了一些非常有意義的成果，但對董志塬區(qū)大厚度濕陷性黃土場地濕陷性評價和建筑基礎(chǔ)選型方面的研究目前較少。本文以慶陽市西峰區(qū)的兩個工程項(xiàng)目為例，對董志塬區(qū)大厚度濕陷性黃土場地濕陷性評價和建筑基礎(chǔ)選型進(jìn)行探討，從而為董志塬區(qū)大厚度濕陷性黃土場地的工程建設(shè)提供一定的參考。

1 工程地質(zhì)概況

1.1 地形地貌及構(gòu)造

慶陽市西峰區(qū)為典型的隴東黃土塬。地質(zhì)構(gòu)造屬于中國北方華北地臺大地構(gòu)造單元，處于關(guān)山—六盤山褶皺帶以東的鄂爾多斯臺地。主要為風(fēng)成黃土，黃土層厚達(dá)150～200m，質(zhì)地均一，具垂直節(jié)理。塬面侵蝕微弱，地形平坦，相對高差較小。由于長期河流切割，形成塬高谷深，溝壑縱橫的地貌景觀。

1.2 地層結(jié)構(gòu)及巖土性狀

慶陽市西峰區(qū)地層結(jié)構(gòu)分述如下：

①層填土(Q4ml)：黃褐～棕褐色，整個場地分布，多為耕植土，局部含建筑垃圾，以黃土狀粉土為主，稍濕～濕，稍密，有植物根系，孔隙發(fā)育，層厚0.2～10.2m，層面標(biāo)高為1373.86～1381.40m。

②-1層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(馬蘭黃土)((Q3eo1))：黃褐色，主要為黃土狀粉質(zhì)粘土，局部為黃土狀粉土，具大孔隙，層面埋深2.7～10.4m，層面高程1368.14～1381.00m。

②-2層黃土狀粉質(zhì)粘土((Q3eo1))(古土壤1)：棕紅色～紅褐色，主要為黃土狀粉質(zhì)粘土，局部夾黃土狀粉土，具大孔隙，層厚1.2～4.0m，層面埋深8.1～10.8m，層面高程1364.21～1372.39m。

③-1層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土1)((Q2eo1))：黃褐～棕褐色，主要為粉質(zhì)粘土，局部為粉土，整個場地分布，土質(zhì)較均勻，具大孔隙，層厚1.7～4.7m，層面埋深9.6～14.3m，層面高程1361.16～1369.76m。

③-2層黃土狀粉質(zhì)粘土(Q2eo1)(古土壤2)：棕紅色～紅褐色，主要為粉質(zhì)粘土部分為粉土，土質(zhì)不均勻，稍濕～濕，稍密～中密，堅(jiān)硬～硬塑，塊狀結(jié)構(gòu)，層厚1.1～4.1m，層面埋深12.8～16.9m，層面高程1358.48～1366.37m。

③-3層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土2)(Q2eo1)：黃褐～棕褐色，主要為粉質(zhì)粘土，部分為粉土，土質(zhì)較均勻，稍濕～濕，稍密～中密，堅(jiān)硬，層厚1.3～5.7m，層面埋深15.3～18.9m，層面高程1356.87～1364.46m。

③-4層黃土狀粉質(zhì)粘土(Q2eo1)(古土壤3)：紅褐～棕褐色，夾有灰黃色，主要為粉質(zhì)粘土，局部為粉土，稍濕～濕，稍密～中密，堅(jiān)硬，土質(zhì)不均勻，層厚1.2～3.2m，層面埋深18.4～22.6m，層面高程1353.48～1361.27m。

③-5層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土3)(Q2eo1)：黃色～褐黃色，主要為粉質(zhì)粘土，部分為粉土。稍濕～濕，稍密～中密，可塑，土質(zhì)均勻，層厚2.2～5.3m，層面埋深21.0～24.2m，層面高程1351.18～1359.00m。

③-6層黃土狀粉質(zhì)粘土(Q2eo1)(古土壤4)：棕紅色～紅褐色，主要為粉質(zhì)粘土，局部為粉土，稍濕～濕，可塑，土質(zhì)不均勻，厚1.3～4.1m，層面埋深24.6～28.2m，層面高程1347.08～1355.55m。

③-7層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土4)(Q2eo1)：黃褐～棕褐色，主要為粉質(zhì)粘土，部分為粉土，稍濕～濕，中密～密實(shí)，堅(jiān)硬～可塑，孔隙不發(fā)育；層厚3.3～5.9m，層面埋深27.5～31.4m，層面高程1343.26～1351.91m。

③-8層黃土狀粉質(zhì)粘土(Q2eo1)(古土壤5)：棕紅色～褐紅色，主要為粉質(zhì)粘土，稍濕～濕，中密，堅(jiān)硬，土質(zhì)不均勻，團(tuán)粒結(jié)構(gòu)，層厚5.8～6.6m，埋深33.5～36.7m，層面高程1338.37～1344.21m。

③-9層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土5)(Q2eo1)：褐黃色，主要為粉質(zhì)粘土，稍濕，中密，可塑，孔隙不發(fā)育；層厚7.2～8.8m，埋深40.8～41.7m，層面高程1332.27～1336.10m。

③-10層黃土狀粉質(zhì)粘土(Q2eo1)(古土壤6)：棕紅色～褐紅色，濕～很濕，中密，堅(jiān)硬，土質(zhì)不均勻，孔隙發(fā)育微弱，埋深48.1～50.2m，層厚1.3～4.2m，層面高程1324.57～1327.30m。

③-11層黃土狀粉土及粉質(zhì)粘土(離石黃土6)(Q2eo1)：褐黃色，濕～飽和，中密，可塑，土質(zhì)較均勻，孔隙發(fā)育微弱，埋深50.0～54.1m，層厚1.8～4.1m，層面高程1320.37～1324.15m。

③-12層黃土狀粉質(zhì)粘土(Q2eo1)(古土壤7)：褐紅色，濕～飽和，中密，具團(tuán)塊結(jié)構(gòu)，埋深54.1～57.3m，層面高程1318.57～1320.53m，本次勘察揭露厚度0.7～1.4m。

③-13黃土狀粉質(zhì)粘土(離石黃土)(Q2eo1)：褐黃色，可塑，中密～密實(shí)，稍濕～濕。層厚10.20～14.40m，層頂埋深40.00～42.10m，層頂高程1342.52～1345.86m。

③-14古土壤(Q2eol)：棕紅色，濕～很濕，中密～密實(shí)，孔隙較發(fā)育。層厚0.9～2.30m，層頂埋深52.30～54.90m，層頂高程1330.10～1332.32m。

③-15黃土狀粉質(zhì)粘土(離石黃土)(Q2eo1)：褐黃色，很濕～飽和狀態(tài)，可塑，中密～密實(shí)。層厚2.10～2.90m，層頂埋深54.00～57.20m，層頂高程1328.34～1330.76m。

③-16古土壤(Q2eo1)：棕褐色，呈飽和狀態(tài)，中密～密實(shí)。層厚0.60～3.20m，層頂埋深56.90～59.30m，層頂高程1326.20～1328.26m。

③-17黃土狀粉質(zhì)粘土(離石黃土)(Q2eo1)：褐黃色，呈飽和狀態(tài)，堅(jiān)硬，中密～密實(shí)。層厚10.9m，層頂埋深59.20～60.50m，層頂高程1324.69～1325.60m。

③-18古土壤(Q2eo1)：紅褐色，呈飽和狀態(tài)，碎粒結(jié)構(gòu)。層厚3.50m，層頂埋深71.2m，層頂高程1313.98m。

③-19黃土狀粉質(zhì)粘土(離石黃土)(Q2eo1)：褐黃色，呈飽和狀態(tài)，中密～密實(shí)。層厚2.9m，層頂埋深74.70m，層頂高程1310.48m。

③-20古土壤(Q2eo1)：紅褐色，呈飽和狀態(tài)，碎粒結(jié)構(gòu)。層頂埋深77.60m，層頂高程1307.58m。

圖1 典型黃土剖面圖

1.3 水文地質(zhì)條件

慶陽市西峰區(qū)屬黃河水系涇河流域，董志塬為涇河一級支流馬蓮河中游塬地。場地開闊、平坦，周邊無地表流水。

該場地地下水，屬潛水型地下水，勘察期間，水面埋深61.80～62.00m，水位標(biāo)高1323.00m～1323.19m，主要賦存于③-17黃土狀粉質(zhì)粘土(離石黃土)層及以下地層中。

2 濕陷性分析

根據(jù)某高層的巖土工程勘察報(bào)告，對慶陽市西峰區(qū)的地基土的壓縮性和濕陷性分述如下：

2.1 地基土壓縮性分析

根據(jù)土工試驗(yàn)報(bào)告，在自然含水量狀態(tài)下，慶陽市西峰區(qū)地基土一般在10.0～16.0m以上，壓縮系數(shù)一般為a1-2=0.10～0.47，呈中壓縮性；10.0～16.0m以下，壓縮系數(shù)一般為a1-2=0.06～0.22，呈中～低壓縮性。

2.2 地基土濕陷性分析

根據(jù)《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》(GB50025-2004)和場地黃土濕陷量計(jì)算表(表1)，綜合判定為自重濕陷性黃土場地，濕陷性等級為Ⅰ～Ⅱ級，濕陷程度為輕微～中等。綜合評定濕陷性等級為Ⅱ級，濕陷程度為中等，黃土濕陷最大濕陷下限為20m左右。

表1 黃土濕陷量計(jì)算

3 地基基礎(chǔ)分析

3.1 工程一

3.1.1 工程概況

某工程位于慶陽市西峰區(qū)，地下二層，地上二十七層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，長33.6m，寬32.8m，建筑總高度98.62m，采用鉆孔夯擴(kuò)擠密樁處理地基，樁長為6.0m，樁距850mm，樁孔直徑為400mm，成樁后直徑為550mm，等邊三角形布置，樁孔用凈素土回填，樁身平均壓實(shí)系數(shù)不小于0.97，樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93,最小擠密系數(shù)不應(yīng)小于0.90。

3.1.2 基礎(chǔ)概況

本工程基礎(chǔ)采用樁筏基礎(chǔ)，筏板厚度為800mm，樁及筏板的混凝土強(qiáng)度為C40，筏板埋深16.3m，樁徑600m，樁長45m，單樁承載力不少于2863kN，以③-17離石黃土為持力層，樁的側(cè)摩阻力為80kPa,端阻力為900kPa。樁基礎(chǔ)平面布置圖如圖2所示。

3.1.3 樁基試驗(yàn)結(jié)果

該建筑物混凝土灌注樁澆筑28天后，通過樁基靜載荷試驗(yàn)對樁的承載性能進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從表2可以看出,在大厚度濕陷性黃土場地，經(jīng)過地基處理消除濕陷性后，混凝土灌注樁受荷后變形量較小，承載力高，能夠滿足設(shè)計(jì)要求，尤其在大厚度濕陷性黃土地區(qū)高層建筑中，具有明顯的優(yōu)勢。

同時，由于混凝土灌注樁成本高，在慶陽董志塬巨厚黃土地區(qū)使用中合理樁長不好確定，已逐漸被其他基礎(chǔ)形式代替。

圖2 樁基礎(chǔ)平面布置圖

表2 樁基礎(chǔ)靜載荷試驗(yàn)檢測匯總表

3.2 工程二

3.2.1 工程概況

某工程同樣位于慶陽市西峰區(qū)，地下二層，地上二十六層，框架剪力墻結(jié)構(gòu)，地基采用DDC(孔內(nèi)強(qiáng)夯法)素土樁處理，基坑開挖至設(shè)計(jì)標(biāo)高后施工，樁長為5.0m，樁距900mm，樁孔直徑為400mm，等邊三角形布置，樁孔用凈素土回填，樁身平均壓實(shí)系數(shù)不小于0.97，樁間土平均擠密系數(shù)不小于0.93。

3.2.2 基礎(chǔ)概況

本工程DDC素土樁預(yù)處理后，采用素混凝土CFG樁復(fù)合地基提高地基承載力，CFG樁樁徑400mm，樁距1600mm，有效樁長21.0m，混凝土等級為C30，等邊三角形布置，如圖3所示。要求單樁承載力特征值不小于700kN，處理后的復(fù)合地基承載力特征值不小于460kPa?；A(chǔ)采用平板式筏形基礎(chǔ)，筏板厚度為700mm，混凝土強(qiáng)度等級為C40。

圖3 CFG樁復(fù)合地基平面布置圖

3.2.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

(1)濕陷性消除情況

本工程DDC素土樁預(yù)處理完成后，通過探井取樣，對地基處理效果進(jìn)行分析。地基土濕陷性隨深度變化的曲線如圖4所示。

圖4 TJ1-1、TJ2-3處理前、處理后濕陷系數(shù)曲線

圖5 CFG單樁靜載荷試驗(yàn)p-s曲線

圖6 CFG單樁靜載荷試驗(yàn)s-lgt曲線

由圖4可知，本工程中，隨著深度的增大，黃土的濕陷性逐漸減小，濕陷下限約為20m。經(jīng)DDC素土樁處理后，地基土的濕陷性基本消除，滿足設(shè)計(jì)要求。

(2)CFG單樁靜載荷試驗(yàn)

CFG樁復(fù)合地基施工結(jié)束28天后，通過淺層平板靜載荷試驗(yàn)，對CFG單樁承載力進(jìn)行檢測，試驗(yàn)結(jié)果的p-s曲線和s-lgt曲線分別見圖5和圖6，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

從表3可以看出,經(jīng)過CFG樁處理后，復(fù)合地基單樁的變形量都較小，單樁承載力達(dá)到了設(shè)計(jì)要求。

(3)建筑物變形觀測

該建筑物施工完成后，對其進(jìn)行了多次的沉降觀測,觀測結(jié)果見表4。

由表4可知，大厚度濕陷性黃土地區(qū)，建筑物經(jīng)過CFG樁處理后，沉降量相對較小，基本趨于穩(wěn)定,總沉降量和差異沉降均在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。

由上可知，在慶陽董志塬巨厚黃土地區(qū)，混凝土灌注樁加筏板基礎(chǔ)和CFG復(fù)合地基加筏板基礎(chǔ)承載力高，變形量小，都可以滿足要求，但混凝土灌注樁加筏板基礎(chǔ)造價較高，在董志塬巨厚黃土地區(qū)使用中合理樁長不好確定，已逐漸被其他基礎(chǔ)形式所代替。

表3 CFG單樁靜載荷試驗(yàn)檢測匯總表

表4 建筑物沉降觀測匯總表

4 結(jié)論

(1)董志塬區(qū)巨厚黃土具有濕陷性，濕陷下限約為20m左右，巖土工程勘察時應(yīng)詳細(xì)調(diào)查，認(rèn)真分析，對不同工程場地黃土的濕陷程度準(zhǔn)確認(rèn)識和區(qū)分對待，有助于該地區(qū)基礎(chǔ)的合理選型和優(yōu)化設(shè)計(jì)。

(2)董志塬區(qū)巨厚黃土濕陷性隨著深度的增大而逐漸減小。

(3)在董志塬區(qū)巨厚黃土地區(qū)，混凝土灌注樁加筏板基礎(chǔ)和CFG樁復(fù)合地基加筏板基礎(chǔ)都能滿足變形和承載力要求，且建筑物后期沉降較小，基礎(chǔ)選型時，應(yīng)結(jié)合建筑場地濕陷性評價結(jié)果和建筑物特征綜合確定。

(4)建議進(jìn)一步對CFG樁復(fù)合地基的承載性能進(jìn)行研究，驗(yàn)證其在董志塬區(qū)巨厚黃土地區(qū)應(yīng)用的合理性和可行性，充分挖掘地基潛力、大幅度降低工程投資。