濕陷性黃土及地基處理新技術(shù)

白曉紅

（太原理工大學(xué)，山西 太原 030024）

0 引言

黃土是一種特殊的第四紀(jì)沉積物，色為灰黃、棕色甚至棕紅色，顆粒組成以粒徑為0.05～0.005 mm的粉粒為主，垂直節(jié)理發(fā)育[1]。它廣泛分布于干旱、半干旱地區(qū)，全球面積約為1 300萬km2，約占地球表面陸地總面積的9.8%；在我國(guó)主要涉及華北、西北地區(qū)，總面積約為64萬km2，是我國(guó)國(guó)土面積的6.3%；其中濕陷性黃土面積約為38萬km2，占黃土總面積的60%左右[1]。

《濕陷性黃土地區(qū)建筑標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50025—2018）[2]（以下簡(jiǎn)稱《黃土標(biāo)準(zhǔn)》）將我國(guó)濕陷性黃土按工程地質(zhì)特征分為7個(gè)大區(qū)，山西地區(qū)涉及關(guān)中地區(qū)（Ⅲ）和山西-冀北地區(qū)（Ⅳ），且山西境內(nèi)的第Ⅳ區(qū)進(jìn)一步分為汾河流域區(qū)-冀北區(qū)（Ⅳ1）和晉東南地區(qū)（Ⅳ2）兩個(gè)亞區(qū)。山西地區(qū)存在有典型的離石黃土和午城黃土，濕陷性黃土厚度一般在5～10 m，甚至大于10 m；低階地新近堆積黃土分布普遍，土體結(jié)構(gòu)松散，壓縮性較高，多具濕陷性，高階地相對(duì)天然強(qiáng)度較高，但是一般具有自重濕陷性。

近幾十年來，我國(guó)黃土工作者對(duì)濕陷性黃土持續(xù)開展了大量的科學(xué)研究，對(duì)其工程特性的認(rèn)識(shí)不斷深入，對(duì)其工程問題的處置積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，并且創(chuàng)新發(fā)展了一系列的新方法和新技術(shù)，取得了顯著的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

1 濕陷性黃土

1.1 基本概念

在一定壓力下受水浸濕，土的結(jié)構(gòu)迅速破壞，并產(chǎn)生顯著附加下沉的黃土，稱為濕陷性黃土。工程中一般采用濕陷系數(shù)（δs）評(píng)價(jià)黃土的濕陷性。

式中：hp為保持天然含水量和結(jié)構(gòu)的黃土試樣，加至壓力p時(shí)下沉穩(wěn)定后的高度，mm；hp′為上述在壓力p作用下沉降穩(wěn)定的黃土試樣，在浸水作用下，下沉穩(wěn)定后的試樣高度，mm；h0為黃土試樣的原始高度，mm，一般為20 mm。

當(dāng)δs≥0.015時(shí)定名為濕陷性黃土，否則為非濕陷性黃土。試驗(yàn)壓力p為土體的飽和上覆重量時(shí)所得的濕陷系數(shù)用δsz表示，定義為自重濕陷系數(shù)。當(dāng)δsz≥0.015時(shí)定名為自重濕陷性黃土；反之，當(dāng)δsz＜0.015、δs≥0.015時(shí)定名為非自重濕陷性黃土。

δs還被用來評(píng)價(jià)濕陷性的強(qiáng)弱，當(dāng)δs≤0.03時(shí)為弱濕陷性，當(dāng)0.03＜δs≤0.07時(shí)為中等濕陷性，δs≥0.07時(shí)為強(qiáng)濕陷性。

hp-hp′叫做濕陷變形，這是黃土浸水飽和后產(chǎn)生的附加變形。黃土在一定壓力作用下，由于土體飽和度增加而產(chǎn)生的附加下沉，叫做增濕變形。可以說濕陷變形是增濕變形的極端狀態(tài)。

黃土自身固有的屬性，使得土體可能在飽和度提高的條件下產(chǎn)生顯著附加變形，是內(nèi)因；而水是土體飽和度提高的條件，外力的作用是使得土體結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生破壞的主導(dǎo)因素，力與水的耦合作用是外因。因此，黃土濕陷變形/增濕變形的產(chǎn)生是內(nèi)因和外因共同作用的結(jié)果。

1.2 濕陷性黃土的特殊性

從力學(xué)的角度分析濕陷性黃土的特殊性，主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)性、欠壓密性和濕陷性3個(gè)方面[3]。

1.2.1 結(jié)構(gòu)性

濕陷性黃土具有顯著的結(jié)構(gòu)性，即在一定的條件下，它能夠保持土的原始單元結(jié)構(gòu)形式不被破壞，這種能力就是結(jié)構(gòu)性。濕陷性黃土在其結(jié)構(gòu)強(qiáng)度未被破壞或軟化時(shí)，常表現(xiàn)出低壓縮性、高剪切強(qiáng)度的特性，然而，一旦結(jié)構(gòu)強(qiáng)度遭受破壞，則表現(xiàn)出屈服、軟化、濕陷等特性。因此，結(jié)構(gòu)性是濕陷性黃土工程性質(zhì)最基本的本質(zhì)。

1.2.2 欠壓密性

由于特殊的地質(zhì)生成環(huán)境，濕陷性黃土的沉積過程一般較為緩慢，上覆壓力的增長(zhǎng)速率相對(duì)于土顆粒間的固化聯(lián)接鍵強(qiáng)度的增長(zhǎng)速率要慢許多，所以土體的粒間接觸強(qiáng)度大于上覆壓力，使得濕陷性黃土形成了一種疏松的高孔隙度欠壓密狀態(tài)。高孔隙度表現(xiàn)在兩個(gè)方面，一是黃土中存在有肉眼可見的大孔隙，而濕陷性黃土中存在有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性差的架空孔隙，這種孔隙的尺寸大于孔隙周邊的顆粒尺寸，典型結(jié)構(gòu)形式如圖1所示[4]；二是濕陷性黃土的天然孔隙比較大，一般為0.85～1.24，當(dāng)天然孔隙比小于0.8一般不具濕陷性。

圖1 架空孔隙典型SEM圖像[4]

在低飽和度情況下，濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)性常表現(xiàn)為較高的似前期固結(jié)壓力，超固結(jié)比大于1。這種超固結(jié)是由于黃土的欠壓密性而表現(xiàn)出的結(jié)構(gòu)性超固結(jié)，在黃土工程界一般稱其為似超固結(jié)。

1.2.3 濕陷性

在一定上覆壓力作用下，濕陷性黃土的結(jié)構(gòu)由于遇水而軟化甚至遭受破壞，使其強(qiáng)度喪失；而濕陷性黃土的欠壓密性導(dǎo)致存在的大孔隙度和大尺寸孔隙，則為濕陷性黃土遇水浸濕時(shí)產(chǎn)生顯著附加變形提供了必要的體積變化條件。沒有欠壓密性和結(jié)構(gòu)性就不可能有黃土的濕陷性。

1.3 濕陷性評(píng)價(jià)

長(zhǎng)期以來，工程界評(píng)價(jià)黃土的濕陷性都是指在給定壓力作用下，黃土充分浸水飽和情況下的附加下沉，采用濕陷系數(shù)或濕陷變形量作為評(píng)價(jià)指標(biāo)。然而，濕陷性黃土在一定壓力作用下遇水增濕，但是尚未完全飽和的狀態(tài)下也有附加下沉產(chǎn)生，如前所述，這種變形稱為增濕變形。增濕變形隨增濕程度的提高而增大。因此，土體初始飽和度的大小對(duì)其是否產(chǎn)生附加變形以及附加變形量的大小有著極為重要的影響。

圖2為某濕陷性黃土在不同初始飽和度條件下的上覆壓力p與濕陷系數(shù)δs的關(guān)系曲線。由圖可見，不同初始飽和度下，土樣的壓力-濕陷系數(shù)曲線形態(tài)相似，即濕陷系數(shù)隨上覆壓力的提高而先增大后減小；且對(duì)于給定初始飽和度的土樣，存在濕陷起始?jí)毫蜐裣萁K止壓力以及最大濕陷系數(shù)。隨著初始飽和度的提高，最大濕陷系數(shù)和相應(yīng)的壓力減小，濕陷起始?jí)毫蜐裣萁K止壓力亦減小。

圖2 不同飽和度條件下壓力（p）與濕陷系數(shù)（δs）的關(guān)系曲線

圖3為某濕陷性黃土在不同壓力作用下，濕陷變形量Δs隨初始飽和度sr提高而改變的曲線。圖3表明，同一壓力下，隨著濕陷性黃土土樣初始飽和度的增大，濕陷變形量減小。土樣初始飽和度從30%增加到40%時(shí)，濕陷變形量有減小趨勢(shì)，但是變化不顯著，飽和度由40%增大到50%或60%時(shí)，濕陷變形量顯著降低，曲線出現(xiàn)陡降段；飽和度從50%或60%進(jìn)一步增加到70%甚至更高時(shí)，濕陷變形量基本不變。這意味著存在有對(duì)濕陷敏感的初始飽和度范圍，試驗(yàn)表明為40%～60%。另外，同一初始飽和度條件下，上覆壓力由25 kPa提高到200 kPa時(shí)，濕陷變形量隨壓力提高而增大，當(dāng)壓力由200 kPa提高到1 200 kPa時(shí)，濕陷變形量隨壓力提高而降低，壓力為200 kPa時(shí)濕陷變形量最大。綜上所述，對(duì)于該濕陷性黃土而言，敏感初始飽和度為40%～60%，最大濕陷變形量發(fā)生在壓力為200 kPa時(shí)。

圖3 不同壓力作用下，初始飽和度（sr）與濕陷變形量（Δs）的關(guān)系曲線[5]

鑒于濕陷性黃土對(duì)于初始飽和度和壓力的敏感性，在工程中要對(duì)土體的濕陷固有本性充分認(rèn)識(shí)，同時(shí)要關(guān)注工程場(chǎng)地后期可能產(chǎn)生的土體飽和度變化，正確評(píng)價(jià)增濕可能引起的地基附加變形。

1.4 山西Q3黃土承載力

山西大部分地區(qū)存在有濕陷性黃土，對(duì)于一般工程建設(shè)常常以Q3黃土為持力層，因此很有必要對(duì)Q3黃土的承載力進(jìn)行研究。

統(tǒng)計(jì)分析表明，山西Q3黃土狀粉土的承載力與土體的初始含水量或是初始飽和度以及液限與天然孔隙比的比值成正比，不同地區(qū)的統(tǒng)計(jì)參數(shù)不同。經(jīng)分析將山西境內(nèi)的汾河流域區(qū)Ⅳ1以太原為界進(jìn)一步分為兩個(gè)小區(qū)。承載力統(tǒng)計(jì)公式如式（2）、式（3）：

式中：fak為地基承載力特征值，kPa；w為土體天然含水量，%；sr為土體天然飽和度，%；wl為土體的液限，%；e為土體天然孔隙比；A、B、C為分區(qū)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可參考表1取值；A′、B′、C′為分區(qū)統(tǒng)計(jì)參數(shù)，可參考表1取值。

表1 統(tǒng)計(jì)常數(shù)取值表[6]

1.5 濕陷性黃土地基處理技術(shù)

濕陷性黃土地基的變形包括兩部分，即壓縮變形和增濕變形。壓縮變形是土體在天然含水量（或是飽和度）狀態(tài)由于上部結(jié)構(gòu)的荷載作用引起的土體變形量，其值隨著荷載作用時(shí)間的增長(zhǎng)而逐漸減小。增濕變形是由于地基使用過程中由于土體含水量或飽和度增加而引起的附加變形，濕陷變形是這種變形的極端情況，這種變形一般是局部突發(fā)的，變形速率可能比較大且分布不均勻，對(duì)上部結(jié)構(gòu)的影響可能較嚴(yán)重。因此，濕陷性黃土地基的處理往往是將消除濕陷性作為首要因素來考慮。對(duì)于交通工程，在對(duì)濕陷性黃土路基進(jìn)行處理時(shí)，既要考慮濕陷性的消除，也要結(jié)合道路等級(jí)要求，優(yōu)化選取既能達(dá)到安全可靠又不造成經(jīng)濟(jì)浪費(fèi)的地基處理方案?？紤]到交通工程的特點(diǎn)，常用的地基處理方法分類有置換法、擠密法和組合法，如表2所示。每種方法的具體設(shè)計(jì)、施工和檢驗(yàn)可參考相關(guān)規(guī)程標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

表2 濕陷性黃土路基常用地基處理方法匯總表

2 濕陷性黃土地基處理新技術(shù)

2.1 預(yù)拌流態(tài)固化土法

在土中加入一定量的固化劑、外加劑和水拌合均勻，形成具有一定流動(dòng)性，且凝固后能達(dá)到一定強(qiáng)度的混合物，稱為預(yù)拌流態(tài)固化土[7]。將該混合物作為墊層的回填材料，形成墊層的方法就叫做預(yù)拌流態(tài)固化土換填墊層法。

預(yù)拌流態(tài)固化土具有一定的強(qiáng)度、流動(dòng)性和防滲性，可作為換填墊層良好的換填材料。預(yù)拌流態(tài)固化土具有自密實(shí)性，在施工時(shí)不需要大型設(shè)備進(jìn)行碾壓處理，節(jié)約施工成本，同時(shí)不需分層碾壓回填也節(jié)省了工期。另外在施工中采用集中攪拌，現(xiàn)場(chǎng)的澆筑材料為液態(tài)，施工現(xiàn)場(chǎng)不會(huì)產(chǎn)生揚(yáng)塵，無環(huán)境污染，可實(shí)現(xiàn)文明施工；且流態(tài)固化土中的土可以直接使用工程棄土，也可采用滿足環(huán)境要求的固廢材料，從而具有非常好的環(huán)境保護(hù)效應(yīng)。路基工程中使用預(yù)拌流態(tài)固化土的設(shè)計(jì)指標(biāo)可參考表3確定。

表3 預(yù)拌流態(tài)固化土設(shè)計(jì)指標(biāo)[7]

2.2 氣泡混合輕質(zhì)土法

將制備好的氣泡群按一定比例加入到由水泥、水及可選添加材料制成的漿料中，經(jīng)混合攪拌現(xiàn)澆成型的一種微孔類輕質(zhì)材料，稱為氣泡混合輕質(zhì)土[8]。這種混合料具有如下特點(diǎn)[9]：

a）輕質(zhì)性 因氣泡混合輕質(zhì)土中均勻充填了氣泡而具有輕質(zhì)性。根據(jù)工程標(biāo)準(zhǔn)及使用部位的需要，可自由調(diào)整氣泡摻量，達(dá)到調(diào)整自重的目的。

b）可調(diào)節(jié)性 根據(jù)不同的材料組成用量、不同的氣泡率，可按工程需要調(diào)整密度和強(qiáng)度。

c）良好的施工性 采用泵送現(xiàn)澆，可在狹小空間澆注，也可采用高壓泵送，流動(dòng)性好強(qiáng)度提升快，無需碾壓或振搗，無需專用車輛水平運(yùn)輸，無需豎向混凝土吊斗，節(jié)省了設(shè)備投入。

d）良好的耐久性 氣泡混合輕質(zhì)土屬水泥類材料，故使用壽命與水泥混凝土同等。

e）良好的環(huán)保性 固化劑一般為水泥，起泡劑為中性不含有害物質(zhì)，對(duì)環(huán)境無污染，且可利用工程廢棄土、粉煤灰等工業(yè)廢渣，同時(shí)施工時(shí)為液態(tài)材料無粉塵，有效避免了環(huán)境污染和消防隱患。

f）保溫隔熱性 由于氣泡混合輕質(zhì)土內(nèi)部含有大量封閉氣孔而具有良好的保溫、隔熱、隔音性能。

工程中常用的幾種輕質(zhì)土材料性能的比較如表4，綜合分析可知?dú)馀莼旌陷p質(zhì)土具有造價(jià)低、施工便捷、環(huán)境友好的優(yōu)勢(shì)，可作為換填墊層的填料，減輕墊層底部壓力，還可兼顧保溫隔熱回填材料用途。同時(shí)由于該輕質(zhì)土可垂直填筑且自身具有強(qiáng)度，還可作為橋后填土，有效降低臺(tái)背側(cè)向土壓力，具有無沉降、長(zhǎng)壽命等特點(diǎn)，解決了橋頭跳車，可實(shí)現(xiàn)橋梁減跨、降低造價(jià)的作用。

表4 幾種常用輕質(zhì)土材料特性比較表[10]

氣泡混合輕質(zhì)土作為路基填料的設(shè)計(jì)指標(biāo)見表5所示。

表5 氣泡混合輕質(zhì)土設(shè)計(jì)指標(biāo)[8]

2.3 夯實(shí)水泥土樁

夯實(shí)水泥土樁是將水泥與土在孔外按一定比例充分拌合形成水泥土混合料，通過機(jī)械成孔方法在土中成孔后將混合料填入孔中，再在孔內(nèi)分層夯實(shí)形成的樁體[11]。夯實(shí)水泥土樁與褥墊層形成復(fù)合地基，達(dá)到提高地基承載力，減小地基變形的目的，在濕陷性黃土中使用還可以消除濕陷性，屬于擠密法的一種。

夯實(shí)水泥土樁是在孔外將水泥與土進(jìn)行拌合，因此拌合均勻性好，不受土層變化影響，水泥土強(qiáng)度能夠很好地得到保證。夯實(shí)水泥土樁的成孔工藝可以是擠土成孔，也可以是部分?jǐn)D土或不擠土成孔，因此適用場(chǎng)地類型較為豐富。對(duì)于濕陷性黃土一般采用擠土成孔或部分?jǐn)D土成孔工藝，對(duì)消除濕陷性有好處。成孔后將拌合均勻的水泥土填入孔內(nèi)強(qiáng)力夯實(shí)，這個(gè)過程一是將水泥土夯打密實(shí)，從而提高了水泥土的強(qiáng)度；二是夯實(shí)產(chǎn)生了擠擴(kuò)作用，對(duì)樁間土產(chǎn)生二次擠密，進(jìn)一步提高了樁間土的密實(shí)性；同時(shí)還形成了樁體與土的鑲嵌作用，進(jìn)一步提高了樁側(cè)摩阻力，從而提高了復(fù)合地基的承載力。工程中為了加大夯錘夯實(shí)時(shí)產(chǎn)生的水平擠土力，一般采用尖形錘并且錘重大于2 kN，錘孔比（錘徑與孔徑的比值）為0.78～0.9，錘孔比越大，側(cè)向擠擴(kuò)作用越顯著，夯實(shí)效果越佳。

2.4 柱錘沖擴(kuò)樁

用柱錘沖擊的方法成孔并分層夯實(shí)填料形成的豎向增強(qiáng)體稱為柱錘沖擴(kuò)樁[12]。柱錘沖擴(kuò)樁的加固作用體現(xiàn)在以下方面：

a）柱錘沖擊成孔過程對(duì)樁間土的擠密作用；

b）填料夯實(shí)過程中對(duì)樁間土的二次擠密作用和填料與樁間土的鑲嵌作用；

c）孔內(nèi)夯實(shí)對(duì)填料的動(dòng)力擠密和動(dòng)力固結(jié)作用；d）柱錘沖擴(kuò)樁的樁體效應(yīng)。

柱錘沖擴(kuò)樁的樁身填料可使用水泥土、灰土、土夾石，也可使用混凝土和磚石的碎塊等建筑垃圾、滿足環(huán)境要求的工業(yè)固廢，低碳減污，保護(hù)環(huán)境，具有積極的社會(huì)效益。

對(duì)于非飽和松散土，柱錘沖擴(kuò)樁的沖擊夯擴(kuò)作用可以有效地提高土體密實(shí)性，特別是濕陷性黃土，可有效消除濕陷性。因此柱錘夯擴(kuò)樁也屬于擠密法的一種。需要注意的是當(dāng)濕陷性土體飽和度較低時(shí)，一般呈堅(jiān)硬狀態(tài)，采用柱錘沖擴(kuò)成孔時(shí)的有效擠密區(qū)可能減小，需要采取減小樁間距或增濕措施以達(dá)到有效消除濕陷性的目的。

2.5 組合法

將兩種或兩種以上的地基處理方法聯(lián)合使用就形成了地基處理的組合處理法。地基處理方法與樁基礎(chǔ)聯(lián)合使用也是組合處理法的一種形式。

對(duì)于濕陷性黃土場(chǎng)地，首先采用合適的地基處理方法消除場(chǎng)地淺層的濕陷性，處理后的地基承載力同時(shí)得到一定提高，壓縮性得到改善，然后再采用剛性樁或樁基礎(chǔ)方法提供更大的承載力，以補(bǔ)償?shù)鼗休d力的不足，這樣充分發(fā)揮每一種處理方法的優(yōu)勢(shì)，在達(dá)到設(shè)計(jì)要求的前提下，減小了地基處理費(fèi)用，實(shí)現(xiàn)了經(jīng)濟(jì)性。由于浸水法耗時(shí)長(zhǎng)，處理深度較淺且為自重濕陷性黃土，同時(shí)大量使用水，不符合節(jié)水的國(guó)策，因此在道路工程中很少使用。擠密法包括有強(qiáng)夯法和各種擠密樁，可與剛性樁或樁基礎(chǔ)聯(lián)合使用，也可以與置換法聯(lián)合使用，常見的組合處理法見表2所示。

3 結(jié)語

黃土的結(jié)構(gòu)性和欠壓密性是其在增濕和浸水條件下產(chǎn)生永久塑性變形的內(nèi)在因素，而力的作用與水的耦合是其產(chǎn)生這種塑性變形的外界因素。對(duì)于給定的黃土而言，其變形是應(yīng)力水平和土體飽和度變化的函數(shù)。因此，在實(shí)際工程中，不僅要掌握黃土的濕陷變形能力，還應(yīng)了解工程運(yùn)營(yíng)過程中可能產(chǎn)生的土體飽和度變化趨勢(shì)，以正確評(píng)價(jià)黃土的濕陷變形和預(yù)估增濕可能引起的地基附加變形。

山西大部分地區(qū)都存在有濕陷性黃土。當(dāng)黃土作為路基時(shí)，首先要判斷是否具有濕陷性，然后再考慮是否需要進(jìn)行處理以及如何處理。消除濕陷性是濕陷性黃土地基處理首要解決的問題。

近年來地基處理方法快速發(fā)展，老方法不斷改進(jìn)，新方法不斷涌現(xiàn)。但是沒有一種地基處理方法是萬能的，對(duì)于具體的一個(gè)工程，必須根據(jù)工程的具體特點(diǎn)，從土體條件、處理要求、工程費(fèi)用、材料和施工機(jī)具以及工程經(jīng)驗(yàn)等方面綜合考量后，確定適宜的地基處理方法，努力做到安全適用、技術(shù)先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)合理、確保質(zhì)量、保護(hù)環(huán)境。