黃土挖填方場地形成的關(guān)鍵巖土工程問題

蔡懷恩 張繼文 李鵬軍 劉 帥 梁小龍

（機(jī)械工業(yè)勘察設(shè)計研究院有限公司，陜西西安 710043）

0 引言

我國濕陷性黃土主要分布在太行山以西、青海省日月山以東、關(guān)中平原以北、長城以南廣大地區(qū)，跨山西省、陜西省北部、甘肅省、青海省、寧夏回族自治區(qū)及河南省等地區(qū)，占地范圍大，地形地貌復(fù)雜，有丘陵、中低山、臺地、平原等[1]，無論是丘陵、中低山、臺地還是平原，均發(fā)育有溝谷或斜坡地形，在溝谷或斜坡區(qū)進(jìn)行工程建設(shè)，會產(chǎn)生挖填方工程場地。挖填方工程場地既有大規(guī)模的城市造地，如延安新區(qū)、蘭州新區(qū)、蘭州市周邊，也有具體的單個的點(diǎn)、線狀工程，如單個住宅區(qū)、單棟建筑物、鐵路與公路局部段、機(jī)場工程。濕陷性黃土地區(qū)的挖填方場地既有與其他地區(qū)挖填方場地的相似點(diǎn)，也有不同點(diǎn)，主要為填筑體填料的來源為濕陷性黃土、壓實黃土在受水浸濕下會發(fā)生濕化變形，而填筑體下的原地基有濕陷性黃土，不但會發(fā)生壓縮變形，在受水浸濕下也會產(chǎn)生濕陷變形。多種不利因素的疊加使?jié)裣菪渣S土地區(qū)挖填方工程成為一個復(fù)雜的工程。在挖填方地基上進(jìn)行工程建設(shè)必然會遇到眾多的工程地質(zhì)問題，若對遇到的工程地質(zhì)問題不進(jìn)行預(yù)防，后期易出現(xiàn)相應(yīng)的工程問題，例如建筑物地基不均勻變形導(dǎo)致建筑物傾斜、室外地坪發(fā)生不均勻沉降甚至出現(xiàn)塌陷坑、邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)異常變形等。這些工程問題治理難度大、費(fèi)用高，甚至?xí)霈F(xiàn)無從下手的局面或花費(fèi)大量的財力達(dá)不到較為理想的效果，因此只有提前識別、有效防治才能避免相關(guān)工程問題的發(fā)生。本文分析研究了濕陷性黃土地區(qū)挖填方場地工程建設(shè)引起的或遇到的巖土工程問題，提出了相應(yīng)的措施建議，為濕陷性黃土地區(qū)挖填方場地工程建設(shè)提供借鑒。

1 邊坡、基坑工程

濕陷性黃土挖填方形成的邊坡類型有自然邊坡、挖方邊坡和填方（填土）邊坡。自然邊坡、挖方邊坡目前已有成熟工程對策和具體措施，不再詳述；填方（填土）邊坡已有大量研究成果，朱存磊得出控制黃土填方邊坡穩(wěn)定性的敏感性依次是馬道、坡率、坡高，隨著馬道的增加，穩(wěn)定性大幅度增加，隨著坡率和臺高的增加，穩(wěn)定性系數(shù)降低[2]；霍晨琛認(rèn)為地下水位上升降低黃土高填方邊坡的穩(wěn)定性[3]。研究建議填方邊坡區(qū)盡量減小坡度、增加馬道的數(shù)量和寬度，加強(qiáng)坡體和坡腳排水，驗算坡體穩(wěn)定性的抗剪強(qiáng)度參數(shù)宜在室內(nèi)試驗結(jié)果的基礎(chǔ)上進(jìn)行相應(yīng)的折減。

根據(jù)建筑物與邊坡的相對關(guān)系，可分為建筑物位于邊坡坡頂和建筑物位于邊坡坡底兩大類。位于邊坡坡頂?shù)慕ㄖ锊坏紤]邊坡的穩(wěn)定性，還應(yīng)考慮建筑物的基礎(chǔ)嵌固，一般經(jīng)驗是基礎(chǔ)底面至邊坡的水平距離應(yīng)大于基礎(chǔ)底面至坡底高差的2 倍，并應(yīng)保證邊坡的穩(wěn)定。位于邊坡坡底的建筑物，臨坡側(cè)基礎(chǔ)及基坑開挖支護(hù)結(jié)構(gòu)所受的土壓力應(yīng)考慮邊坡附加荷載形成的土壓力，當(dāng)邊坡坡體附加荷載產(chǎn)生的土壓力過大時，應(yīng)在基礎(chǔ)外設(shè)置永久性的支擋結(jié)構(gòu)，無支擋結(jié)構(gòu)時應(yīng)注意基礎(chǔ)（地下室）兩側(cè)不均勻土壓力。

2 地下水與地表水防治

2.1 挖填方后地下水的徑流模式分析

挖填方后對改變地下水的流場，不同區(qū)域?qū)Φ叵滤挠绊懖煌?/p>

（1）挖填接觸區(qū)域

挖填接觸面區(qū)域產(chǎn)生不均勻變形裂縫，大氣降水或管道滲漏等水體沿裂縫入滲，在局部區(qū)域挖填方交接部位淺部形成窩狀飽和土體或上層滯水區(qū)（見圖1）。

圖1 挖填接觸面處及黃土孔隙水形成的滯水區(qū)特征

（2）黃土孔隙水出露區(qū)

黃土溝谷區(qū)部分區(qū)域有黃土孔隙水泉水出露點(diǎn)或隱藏的黃土孔隙水泉水出露點(diǎn)[4]，填方后泉水出露點(diǎn)繼續(xù)向外滲水，在泉水出露點(diǎn)附近產(chǎn)生滯水或飽和土體，隨著時間推移，飽和土體區(qū)域逐漸增大（見圖1）。

（3）基巖裂隙水出露區(qū)

陜北、隴東等區(qū)域溝谷中出露有強(qiáng)風(fēng)化層和單斜層狀構(gòu)造的含水層泉水出露點(diǎn)[4]。強(qiáng)風(fēng)化層滲透性好，達(dá)到強(qiáng)透水或極強(qiáng)透水，分布連續(xù)，層位受侵蝕影響，起伏大，總體特征為黃土梁峁區(qū)層位高、溝谷區(qū)層位低、溝谷上游區(qū)層位高、溝谷下游區(qū)層位低。填筑區(qū)單斜層狀構(gòu)造的含水層出露點(diǎn)高于谷底，層狀巖層走向一般平行于溝谷、傾向垂直于溝谷，巖性以砂礫巖為主，透水性良好，達(dá)到強(qiáng)透水。

強(qiáng)風(fēng)化層及單斜層狀構(gòu)造的含水層及強(qiáng)透水層滲透性好，為該區(qū)域填方后地下水的主要滲流通道。強(qiáng)風(fēng)化層及單斜層狀構(gòu)造含水層的水在溝谷底部匯集，經(jīng)溝谷中強(qiáng)風(fēng)化層向溝谷下游徑流（見圖2），當(dāng)?shù)叵滤荒芗皶r向溝谷下游徑流而使水位抬升時，地下水沿單斜層狀構(gòu)造的下傾方向向填筑區(qū)外徑流（見圖3）。

圖2 沿強(qiáng)風(fēng)化層徑流模式示意圖

圖3 沿單斜層狀構(gòu)造橫向徑流模式示意圖

2.2 地表水體

地表水體主要有大氣降水、工程中的管道滲漏等。

2.3 地表水與地下水的疏排

地表水及地下水不能及時疏排，將引起局部填筑體的含水率增加甚至飽和，引起地基變形。應(yīng)對地表水和地下水進(jìn)行有效引排和疏排。疏排應(yīng)注意：

（1）充分利用天然滲流通道如滲透性強(qiáng)的強(qiáng)風(fēng)化層，挖填方時不應(yīng)破壞分布連續(xù)的天然滲流通道。

（2）無天然排水通道或天然排水通道不能滿足排水要求時，可采取地下盲溝排水[5]等措施。

（3）地下排水時，應(yīng)注意泉水出露點(diǎn)及隱形的泉水出露點(diǎn)。

（4）地表水疏排時應(yīng)與邊坡治理工程相結(jié)合。

（5）地表水疏排時在挖填方接觸部位應(yīng)采取相應(yīng)的措施，防止地表水在挖填方接觸部位大量匯集或沿挖填方接觸部位微小裂縫入滲。

（6）橫跨挖填接觸面的管道、排水溝等，在挖填接觸面兩側(cè)應(yīng)設(shè)置抗變形結(jié)構(gòu)措施和檢漏防水措施。

3 地基處理與地基變形

3.1 地基特征與地基處理

濕陷性黃土地區(qū)挖填方的地基類型有挖方地基、填方（填土）地基、半挖半填地基。填方（填土）下部的原地基有濕陷性黃土地基（自重、非自重）、非濕陷性土地基（粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、碎石土、基巖）。地基變形與地基特征、地基處理和上部荷載等因素有關(guān)，最主要的決定因素為地基特征，主要的地基特征及地基選型如下：

（1）自重濕陷性黃土地基

自重濕陷性黃土挖填方工程地基的施工順序一般為填方區(qū)濕陷性黃土處理（擠密法、強(qiáng)夯法等）-挖方區(qū)挖方與填方填筑體回填（分層碾壓回填、夯實回填等）形成第一地基。在第一地基上根據(jù)上部荷載及所在部位確定后續(xù)地基處理方案。挖方區(qū)根據(jù)荷載大小選用擠密法、強(qiáng)夯法或樁基礎(chǔ)；橫跨挖填方（半挖半填地基）區(qū)域應(yīng)采用樁基礎(chǔ)，挖方段可根據(jù)自重濕陷性土層厚度情況在樁基礎(chǔ)施工前采用擠密等措施消除黃土自重濕陷性；填方區(qū)建議采用樁基礎(chǔ)，對于填筑體厚度小于5 m、填筑體厚度變化不大區(qū)域的體型簡單、荷載小、變形要求不高的建筑物也可在填筑體上鋪設(shè)灰土或水泥土墊層作為地基處理層。

（2）非自重濕陷性黃土地基

非自重濕陷性黃土地基若濕陷性土層厚度大，地基特征及地基處理與自重濕陷性黃土場地相同，若填方區(qū)濕陷性土層厚度小，在填方前可先不對原地基處理，清表后進(jìn)行填筑體的回填（分層碾壓回填、夯實回填等），然后進(jìn)行挖方區(qū)地基處理（換填墊層、擠密或強(qiáng)夯法）。

挖方區(qū)換填墊層、擠密法、強(qiáng)夯法承載力能滿足上部荷載要求時，可不再進(jìn)行下一步地基處理，不能滿足上部荷載要求時，可采用樁基礎(chǔ)或其他復(fù)合地基。橫跨挖填方（半挖半填地基）區(qū)域應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。填方區(qū)的地基基礎(chǔ)方案選型同自重濕陷性黃土地基。

（3）非濕陷性土地基

非濕陷性土地基指填方區(qū)的原地基及挖方后的地基均無濕陷性土層（粉質(zhì)黏土、粉土、砂土、碎石土、基巖、無濕陷的黃土），填筑體的物料來源為濕陷性黃土。非濕陷性黃土地基的施工順序為清表后（有淤泥時應(yīng)挖除）填方填筑體的回填（分層碾壓回填、夯實回填等），然后進(jìn)行挖方區(qū)開挖。挖方區(qū)天然地基能滿足上部荷載要求時，可采用天然地基，天然地基不能滿足上部荷載要求時，可采用復(fù)合地基或樁基礎(chǔ)。橫跨挖填方（半挖半填地基）區(qū)域應(yīng)采用樁基礎(chǔ)。填方區(qū)的地基基礎(chǔ)方案選型同自重濕陷性黃土地基。

3.2 地基變形及相關(guān)問題討論

（1）地基變形

挖填方地基變形主要包括填筑體的固結(jié)變形與濕化變形、原地基的壓縮變形與濕陷變形、填筑體變形與原地基變形的疊加變形，不同地基組合的變形機(jī)理及規(guī)律不同，地基變形量的差異使地基產(chǎn)生不均勻沉降，填筑體的固結(jié)變形、原地基的壓縮變形已有理論可以預(yù)測，但壓實黃土在受水浸濕下的變形量及變形機(jī)理相關(guān)研究較少，甄平福等通過黃土高填方場地大型現(xiàn)場浸水試驗得出，當(dāng)填筑土發(fā)生濕化甚至飽和的情況下產(chǎn)生濕化變形，沉降量會在短期內(nèi)大幅增加[6]。朱才輝等認(rèn)為濕陷性黃土地區(qū)強(qiáng)降雨會在挖填方地基的填挖方交界面處產(chǎn)生過量的差異增濕沉降和剪切應(yīng)變突變[7]。蘇立海認(rèn)為地下水位上升對填筑土變形影響較大，地下水位每抬升填筑高度的2.5%，附加的工后沉降增加14%[8]。綜合分析可得，在濕陷性黃土地區(qū)挖填方地基應(yīng)高度關(guān)注壓實黃土的濕化變形。

（2）濕陷性黃土地基先填后擠還是先擠后填

濕陷性黃土地基基礎(chǔ)上的填方地基有兩種處理思路，分別是先擠密原地基再按要求回填和先回填后統(tǒng)一擠密。根據(jù)《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ 79-2012）[9]及《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025-2018）[10]的壓實性指標(biāo)和工程經(jīng)驗，擠密對壓實黃土的物理力學(xué)性質(zhì)也無明顯變化，因此建議先處理原地基，再進(jìn)行填筑體施工，填筑體的壓實系數(shù)不小于0.97，既可達(dá)到密實性要求，也可節(jié)省工期、節(jié)約成本。

（3）換填墊層的承載力使用

壓實填土在受水浸濕前，地基承載力會很高，但受水浸濕后地基承載力會降低，其具體的數(shù)值實測值很少，韓自剛[11]對寧夏南部地基采用4 m 換填墊層時的承載力使用值建議不超過140 kPa。根據(jù)已有的工程經(jīng)驗，壓實黃土受水浸濕后的變形隨壓實黃土厚度的增加而增加，因此對于壓實黃土大于4 m 時，承載力特征值建議不超過140 kPa。

（4）大厚度填方對樁基參數(shù)的影響

大厚度填方地基不但有自身的固結(jié)變形，還會發(fā)生濕化變形和原地基的變形，故大厚度填方壓實填土的側(cè)摩阻力不宜過大。在填土固結(jié)變形未完成時進(jìn)行樁基施工，壓實填土的側(cè)摩阻力特征值可取0 kPa或負(fù)摩阻力，在固結(jié)變形穩(wěn)定后進(jìn)行樁基施工，其側(cè)摩阻力特征值可取正摩阻力，但不宜大于10 kPa。

4 監(jiān)測

4.1 地基土變形監(jiān)測

填筑體及原基的變形監(jiān)測內(nèi)容有：（1）填筑體的過程分層變形監(jiān)測（含垂直和水平）和填筑后的地面變形監(jiān)測（含垂直和水平）；（2）填筑體原地基土層沉降監(jiān)測；（3）建筑物的沉降觀測。

4.2 邊坡（含基坑）監(jiān)測

監(jiān)測內(nèi)容包括坡體的垂直位移和水平位移、坡頂?shù)拇怪蔽灰坪退轿灰?、支護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直位移及水平位移。邊坡的穩(wěn)定受降水影響較大，因此在強(qiáng)降雨及長期降雨時應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測。

4.3 地下水監(jiān)測

地下水影響地基的變形及穩(wěn)定，建議開展地下水監(jiān)測，監(jiān)測內(nèi)容有上層滯水、黃土孔隙水、風(fēng)化殼基巖裂隙水及單斜構(gòu)造含水層的水位監(jiān)測。

5 結(jié)論及建議

（1）濕陷性黃土地區(qū)挖填方場地應(yīng)注意的巖土工程問題有邊坡與基坑工程、地表水與地下水的防治、地基變形，重點(diǎn)難點(diǎn)是填筑體的濕化變形，加強(qiáng)防排水是避免工程問題發(fā)生的主要措施。

（2）濕陷性黃土地區(qū)挖填方地基類型有挖方地基、填方（填土）地基、半挖半填地基。填方（填土）下部的原地基有濕陷性黃土地基、非濕陷性土地基。

（3）挖填接觸面兩側(cè)、填方前的泉水出露點(diǎn)周圍易形成飽和土體，強(qiáng)風(fēng)化巖層、單斜層狀構(gòu)造的強(qiáng)透水巖層為地下水的主要滲流通道。

（4）臨坡頂建筑物應(yīng)考慮嵌固，臨坡底建筑物應(yīng)考慮基礎(chǔ)（地下室）受到的不均勻土壓力。

（5）濕陷性黃土地區(qū)挖填方場地是一個很復(fù)雜的系統(tǒng)工程，邊坡治理、防排水、地基處理、基坑工程、建筑物嵌固等應(yīng)系統(tǒng)考慮，對相關(guān)工程地質(zhì)問題有效預(yù)防才能避免相關(guān)工程事故的發(fā)生。

（6）填筑體的濕化變形及承載特性是挖填方場地工程建設(shè)的關(guān)鍵點(diǎn)，研究成果較少，建議開展專項研究。