大厚度濕陷性黃土地基樁基方案及基樁檢測(cè)探討

劉 金，門(mén)青波，拓佳勝，鄧軍濤

1.機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，陜西 西安 710043

2.信息產(chǎn)業(yè)部電子綜合勘察研究院，陜西 西安 710054

關(guān)中渭北地區(qū)處于黃土高原與渭河盆地的接觸地帶，地貌單元由北向南依次為山地、山前洪積扇（群）、黃土臺(tái)塬和渭河階地，其中黃土臺(tái)塬區(qū)分布面積廣闊，上覆厚度數(shù)十米至百余米的第四系中～上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土，上部黃土具有濕陷性，厚度大于20m，為大厚度濕陷性黃土。建造在大厚度濕陷性黃土區(qū)的構(gòu)筑物必須選用合適的地基處理方案，全部或者部分消除黃土的濕陷性，當(dāng)采用樁基礎(chǔ)時(shí)，樁的設(shè)計(jì)參數(shù)取值和基樁豎向承載力檢測(cè)對(duì)工程質(zhì)量和安全至關(guān)重要，需要在實(shí)踐中探討總結(jié)積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

某工程場(chǎng)地位于西安市北部某區(qū)的一黃土臺(tái)塬上，建設(shè)工程為2座高聳構(gòu)筑物，高度為30～40m，建筑類別為乙類，工程重要性等級(jí)為一般[1]。

2 場(chǎng)地地形與地層情況

場(chǎng)地地勢(shì)由北向南微傾，地形開(kāi)闊平坦，地面高程在470m左右。場(chǎng)地勘探深度范圍內(nèi)（50m）的地層為第四系中～上更新統(tǒng)風(fēng)積黃土和古土壤層，從上往下共分為11層，黃土層層號(hào)為①、③、⑤、⑦、⑨和，古土壤層層號(hào)為②、④、⑥、⑧和⑩。黃土呈黃褐色，針狀孔隙發(fā)育，含白色鈣質(zhì)條紋或鈣質(zhì)結(jié)核，偶見(jiàn)蝸牛殼；古土壤呈棕褐色、褐紅色或淺棕紅色，局部鈣質(zhì)結(jié)核富集，其中第④和⑩層的俗稱分別為“紅二條”和“紅三條”。各層分布連續(xù)，層位穩(wěn)定，其層底深度和厚度如表1所示。

表1 各層土層底深度和厚度統(tǒng)計(jì)表 單位：m

3 黃土的物理力學(xué)性質(zhì)

3.1 黃土的物理性質(zhì)

（1）含水率、重度和飽和度：第①層黃土的指標(biāo)最小，黃土和古土壤層的指標(biāo)分別自上而下逐漸增大，古土壤層的指標(biāo)大于上部相鄰黃土層的指標(biāo)。第④層及以上各層的指標(biāo)較小但變化率大，第④層以下各層的指標(biāo)較大但變化率小。

（2）孔隙比：黃土和古土壤層的指標(biāo)分別自上而下逐漸減小，黃土層的指標(biāo)大于下部相鄰古土壤層的指標(biāo)。第④層古土壤（紅二條）層頂往下孔隙比降至1.0以下，第⑦層黃土層底往下孔隙比降至0.8以下，第⑩層古土壤（紅三條）層頂往下孔隙比降至0.75以下。

（3）液限、塑限和液性指數(shù)：整個(gè)場(chǎng)地各層土指標(biāo)變化不大，土的狀態(tài)為堅(jiān)硬～硬塑。各層土物理性質(zhì)統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表2所示。

表2 黃土物理性質(zhì)指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

3.2 黃土的力學(xué)性質(zhì)

主要探討各層土的壓縮性，其統(tǒng)計(jì)結(jié)果如表3所示。

表3 黃土壓縮性指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

除第①層黃土外，其余各層的指標(biāo)變化不大，各層土均為中壓縮性。

4 黃土的濕陷性及單樁承載力

4.1 濕陷程度

（1）該場(chǎng)地第⑦層黃土及以上各層的濕陷系數(shù)和自重濕陷系數(shù)均大于0.015，為濕陷性黃土，第⑦層以下各層為非濕陷性黃土。

（2）第①層黃土濕陷系數(shù)介于0.035～0.148，平均值為0.093，濕陷性強(qiáng)烈；第③層黃土濕陷系數(shù)介于0.017～0.077，平均值為0.046，濕陷性中等；第④層至第⑦層濕陷系數(shù)介于0.016～0.028，濕陷性輕微。

4.2 濕陷性黃土厚度

濕陷性黃土總厚度最大為34.7m，其中濕陷性強(qiáng)烈的土層層底深度為8.80～10.10m，平均厚度約10m，濕陷性中等的土層層底深度為19.40～20.90m，平均厚度約10m，濕陷性輕微的土層層底深度為32.80～34.70m，平均厚度約13m。

4.3 濕陷類型及等級(jí)

該場(chǎng)地自重濕陷量的計(jì)算值介于423～987mm，大于350mm，為自重濕陷性黃土場(chǎng)地；總濕陷量的計(jì)算值介于1145～1742mm，遠(yuǎn)大于700mm，濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）。

4.4 單樁承載力

由于第①～⑦層具有濕陷性，不能作為樁端持力層，另外，在消除濕陷性時(shí)樁周土對(duì)樁身存在負(fù)摩阻力，結(jié)合該項(xiàng)目實(shí)際，對(duì)各土層提出了單樁承載力標(biāo)準(zhǔn)值。該場(chǎng)地黃土濕陷性和單樁承載力指標(biāo)結(jié)果如表4所示。

表4 黃土濕陷性和單樁承載力指標(biāo)統(tǒng)計(jì)表

5 樁基方案論證

該場(chǎng)地為大厚度濕陷性黃土場(chǎng)地，建筑類別為乙類，采用消除地基部分濕陷量的措施時(shí)，基礎(chǔ)底面下具有自重濕陷性的黃土層應(yīng)全部處理[2]，該項(xiàng)目采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷性黃土層，即樁端持力層選擇第⑦層黃土層以下地層。

該項(xiàng)目設(shè)計(jì)采用鉆孔灌注樁，樁徑800mm，樁長(zhǎng)37m，設(shè)計(jì)單樁豎向極限承載力為2600N。在進(jìn)行單樁豎向承載力驗(yàn)算時(shí)，結(jié)合該場(chǎng)地實(shí)際情況，對(duì)樁側(cè)摩阻力和樁端阻力取值進(jìn)行了探討。一方面，場(chǎng)地地下水位埋深大（大于50m），所在黃土臺(tái)塬為旱塬，地表水入滲深度有限，同時(shí)擬建構(gòu)筑物為無(wú)水構(gòu)筑物，場(chǎng)地內(nèi)的濕陷性黃土尤其是深部的濕陷性黃土不具備濕陷條件；另一方面，濕陷性土層最大下限深度為34.7m，樁身穿越自重濕陷性黃土層，中性點(diǎn)深度比按0.6考慮且在此基礎(chǔ)上中性點(diǎn)深度增大10%[3]，中性點(diǎn)深度為22.8m。基于這兩方面的考慮，經(jīng)過(guò)反復(fù)論證，形成如下意見(jiàn)：

（1）對(duì)濕陷性中等～強(qiáng)烈的區(qū)段（0～20m），樁側(cè)極限摩阻力取負(fù)值（可取-30kPa）；對(duì)濕陷性輕微的區(qū)段（20～33m），樁側(cè)極限摩阻力取正值（可取50kPa）；對(duì)非濕陷性樁側(cè)極限摩阻力可按90kPa取值，樁端極限端阻力可按3000kPa取值。

（2）單樁承載力值以試樁的載荷試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，必要時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)調(diào)整。

6 基樁檢測(cè)

6.1 檢測(cè)方案選擇

一般而言，在濕陷性黃土場(chǎng)地測(cè)試單樁豎向承載力采用單樁豎向靜載荷浸水試驗(yàn)，但對(duì)于該場(chǎng)地的構(gòu)筑物，采用天然狀態(tài)下單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)。這主要基于以下方面進(jìn)行考慮：

（1）場(chǎng)地內(nèi)古墓葬分布密集，需確保文物安全，不適宜做試坑浸水試驗(yàn)。

（2）場(chǎng)地處于旱塬上，年降水量較小，即使在暴雨或連陰雨下，入滲深度也很有限，另外該構(gòu)筑物屬無(wú)水構(gòu)筑物，建成后地基浸水可能性小。

（3）建筑規(guī)模較小，總樁數(shù)不足100根，但試坑浸水試驗(yàn)用水量大，場(chǎng)地位于塬上，缺乏水源，供水代價(jià)大，耗費(fèi)財(cái)力和時(shí)間進(jìn)行試驗(yàn)不夠經(jīng)濟(jì)。

（4）試坑浸水試驗(yàn)周期長(zhǎng)，要使超過(guò)30m厚的濕陷性黃土浸水達(dá)到飽和狀態(tài)且保證樁頂沉降達(dá)到穩(wěn)定，在實(shí)踐中很難做到，成功率低，達(dá)不到試驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

（5）場(chǎng)地為天然場(chǎng)地，試坑浸水試驗(yàn)后變?yōu)轱柡蛨?chǎng)地，導(dǎo)致場(chǎng)地的原始設(shè)計(jì)條件發(fā)生變化。

（6）天然狀態(tài)下單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)，方法簡(jiǎn)單、可行且符合實(shí)際條件，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行折減亦可達(dá)到確定單樁承載力的目的。

6.2 單樁豎向承載力確定

采用天然狀態(tài)下單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)結(jié)果扣除濕陷土層的側(cè)摩阻力和負(fù)摩阻力，確定單樁豎向承載力。單樁靜載試驗(yàn)應(yīng)加至極限或接近極限荷載，試驗(yàn)結(jié)果中濕陷性中等～強(qiáng)烈的區(qū)段（0～20m）扣除負(fù)摩阻力和正側(cè)阻力，其下濕陷性土層扣除正側(cè)阻力，其側(cè)阻力可參考單樁承載力指標(biāo)的建議值。

7 結(jié)論

（1）該場(chǎng)地地基土為黃土和古土壤，其物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)以標(biāo)志層（第①層黃土和第④層古土壤）為分界，存在很強(qiáng)的規(guī)律性。

（2）該場(chǎng)地為大厚度自重濕陷性黃土場(chǎng)地，濕陷性黃土最大厚度為34.7m，濕陷等級(jí)為Ⅳ級(jí)（很嚴(yán)重）。

（3）濕陷性黃土的濕陷程度，第①～③層為中等～強(qiáng)烈，厚度約20m，第④～⑦層為輕微，厚度約13m?；诖?，根據(jù)場(chǎng)地涉水條件，經(jīng)論證，對(duì)濕陷性中等～強(qiáng)烈的區(qū)段，樁側(cè)極限摩阻力取負(fù)值（可取-30kPa），對(duì)濕陷性輕微的區(qū)段，樁側(cè)極限摩阻力取正值（可取50kPa），解決了單樁豎向承載力驗(yàn)算時(shí)樁側(cè)摩阻力的取值問(wèn)題。

（4）基樁檢測(cè)時(shí)，考慮到在該場(chǎng)地進(jìn)行試坑浸水試驗(yàn)的必要性、經(jīng)濟(jì)性和實(shí)施難度，用天然狀態(tài)下單樁豎向抗壓靜載試驗(yàn)折減的方案代替單樁豎向靜載荷浸水試驗(yàn)確定單樁豎向承載力。

（5）基樁的端阻力具有很重要的作用，施工時(shí)應(yīng)對(duì)沉渣厚度進(jìn)行重點(diǎn)控制。場(chǎng)地應(yīng)采取嚴(yán)格防水措施，做到雨水的有序排放，應(yīng)適當(dāng)加寬構(gòu)筑物周邊硬化地面。