西安地區(qū)黃土臺塬和黃土洼地土層特征分析及樁基工程應用建議

熊 維，唐 浩，柳 旻，魏長剛

（機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司，陜西 西安 710021）

0 引 言

隨著經(jīng)濟發(fā)展，西安城市建設規(guī)模越來越大，加上北跨渭河發(fā)展戰(zhàn)略需要，西安市向渭河以北發(fā)展的趨勢日益增大。目前，西安地區(qū)渭河北岸秦漢新城、空港新城、涇河新城等發(fā)展勢頭強勁。

西安地區(qū)渭河北岸分布有黃土臺塬，黃土臺塬上分布有微地貌黃土洼地。黃土臺塬和黃土洼地相應地基土層由于受地下水的影響，工程性質(zhì)差異大，對工程建設影響明顯。為今后在該區(qū)域更好從事工程勘察工作，對已完成的相關工程勘察成果進行經(jīng)驗總結(jié)分享是有必要的。本文將對黃土臺塬和黃土洼地場地的巖土工程勘察工作進行經(jīng)驗總結(jié)與分享，為今后類似工程相關工作的開展提供借鑒。

1 西安地區(qū)地質(zhì)地貌簡介

受渭河沖積、秦嶺山前沖洪積及“三門湖”沉積與萎縮消亡的影響，西安地區(qū)主要地貌單元分為：黃土臺塬和渭河沖積平原的地貌類型——河漫灘、一級階地、二級階地、三級階地、受“三門湖”沉積與萎縮消亡影響的沖洪積一級臺地—三級臺地、秦嶺山前沖洪積扇等[1]。而在黃土臺塬上分布有微地貌單元——黃土洼地，本文將對渭河北岸黃土臺塬及底張洼地內(nèi)的工程進行對比分析。西安地區(qū)地貌可見圖1。

圖1 西安地區(qū)地貌簡圖Fig.1 Geomorphologic diagram of Xi’an area

黃土臺塬和底張洼地均以黃土和古土壤為主，由于地下水位埋深不同，相應土層物理力學性質(zhì)差異明顯，對工程建設影響巨大。

2 場地地層結(jié)構(gòu)分析

根據(jù)地層分布，將上述區(qū)域?qū)孛矄卧耐翆咏Y(jié)構(gòu)分布以剖面示意形式繪制出來進行對比分析，具體可見圖2。場地55 m 深度范圍內(nèi)土層主要為第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3）和中更新統(tǒng)離石黃土（Q2）。考慮到底張洼地地下水位埋深相對淺，地下水位于上部第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3）中下部。根據(jù)地下水位上下土層物理力學性質(zhì)差異，將底張洼地內(nèi)第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3）分為②黃土層和③黃土層。黃土臺塬上部第四系上更新統(tǒng)馬蘭黃土（Q3）對應的為②黃土層。

圖2 地層結(jié)構(gòu)剖面示意圖Fig.2 Profile of stratigraphic structure

根據(jù)該區(qū)域地形情況，黃土臺塬與底張洼地存在明顯的地形變化，黃土臺塬比底張洼地高10～20 m 不等。底張洼地地下水位埋深為地面下8～10 m，相應地下水位高程約436 m；黃土臺塬地下水位埋深為地面下30～34 m，相應地下水位高程約434 m。

3 地基土主要物理力學指標統(tǒng)計對比及分析

根據(jù)巖土工程勘察資料及《巖土工程勘察規(guī)程》（DBJ 61/T 180—2021）[2]，將上述區(qū)域?qū)孛矄卧耐翆又饕锢砹W指標進行對比分析。數(shù)值統(tǒng)計時分別將黃土臺塬和底張洼地內(nèi)的各兩個場地工程數(shù)值取算術(shù)平均值進行對比分析。土層物理力學性質(zhì)主要指標平均值統(tǒng)計具體可見表1[3-4]。

表1 土層物理力學性質(zhì)主要指標平均值統(tǒng)計表Table 1 Statistical table for average values of main indicators of soil physical and mechanical properties

為了更直觀地看出不同地貌單元各土層主要物理力學性質(zhì)的變化規(guī)律，便于分析其變化情況，現(xiàn)將兩個不同地貌單元的各土層的孔隙比平均值、壓縮模量平均值以圖的形式表現(xiàn)出來，見圖3～4。將兩個不同地貌單元各土層的標準貫入試驗錘擊數(shù)平均值以圖的形式表現(xiàn)出來，見圖5。

圖3 各土層孔隙比平均值對比圖Fig.3 Comparison chart of average void ratio of each soil layer

圖4 各土層壓縮模量平均值對比圖Fig.4 Comparison chart of average compression modulus of each soil layer

圖5 各土層標準貫入試驗錘擊數(shù)平均值對比圖Fig.5 Comparison chart of average blow counts in standard penetration test of each soil layer

由表1和圖3～5可知，兩個地貌單元地下水位以上②黃土層、地下水位以下⑧黃土層及其以下土層的物理力學性質(zhì)差別不明顯。②黃土層—⑦黃土層由未受地下水浸泡和受地下水長期浸泡后，含水率、孔隙比、液性指數(shù)、濕陷系數(shù)、壓縮系數(shù)、壓縮模量等變化明顯。③黃土層—⑦黃土層含水率明顯增大，由硬塑變?yōu)榭伤?軟塑，壓縮模量明顯減小。尤其具有濕陷性的②黃土層—⑥古土壤層受水浸泡后土的強度明顯降低。

根據(jù)巖土工程勘察資料及表1，參照《西安城市工程地質(zhì)圖集》[5]，飽和軟黃土的判別依據(jù)為：第一層古土壤（）以上的黃土類土；飽和度平均值Sr≥80%；液性指數(shù)IL≥0.9，呈流塑或近于流塑狀態(tài)；壓縮系數(shù)平均值≥0.4 MPa-1，高壓縮性或近于高壓縮性土；承載力標準值fk＜130 kPa。上述5個條件同時具備，即定名為飽和軟黃土。

根據(jù)底張洼地的地層分布、地下水位情況和土工試驗結(jié)果，底張洼地揭露的③黃土層（）為第一層古土壤（）以上的黃土，飽和度平均值Sr=92%，Srmax=100%，液性指數(shù)IL=1.03，ILmax=1.46，呈流塑狀態(tài)，壓縮系數(shù)=0.46 MPa-1，max=0.72 MPa-1，為中偏高壓縮性或高壓縮性土，標準貫入試驗錘擊數(shù)平均值N=2擊，最小擊數(shù)為1擊，根據(jù)工程經(jīng)驗判斷承載力標準值fk＜130 kPa。根據(jù)以上條件可以判定底張洼地③黃土層為飽和軟黃土。這說明第一層古土壤以上的濕陷性黃土受水長期浸泡后，其工程性質(zhì)變化極其明顯。

由上述分析可看出，對于濕陷性黃土層，受地下水浸泡前稍濕-濕、硬塑、具濕陷性，受地下水長期浸泡后變成飽和、軟-流塑、無濕陷性，壓縮模量銳減。表明濕陷性黃土長期浸水后，土的物理力學性質(zhì)發(fā)生了明顯的變化，含水率變大，孔隙比變小，液性指數(shù)變大，濕陷性消失，可壓縮性增高，土的強度明顯降低[6]。

4 靜力觸探試驗參數(shù)對比分析

根據(jù)巖土工程勘察資料及《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）[7]，為評價地基土層的密實度、均勻性，分析地基土的樁基參數(shù)，進行了靜力觸探試驗。將上述不同地貌單元的地層靜力觸探試驗錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力平均值列于表2[3-4]。繪制各土層側(cè)壁摩阻力平均值對比圖，可見圖6。

表2 靜力觸探試驗參數(shù)平均值統(tǒng)計表Table 2 Statistical table for average values of cone penetration test parameters

圖6 各土層側(cè)壁摩阻力平均值對比圖Fig.6 Comparison chart of average side wall friction resistance of each soil layer

根據(jù)表2數(shù)值及圖6對比分析，兩個不同地貌單元地下水位以上②黃土層、不具濕陷性或地下水位以下⑦黃土層及其以下土層的錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力差別不明顯；黃土臺塬具有濕陷性的②黃土層—⑥古土壤層與其對應的底張洼地土層差異明顯。說明具有濕陷性的③黃土層—⑥古土壤層在長期浸水飽和條件下，其錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力銳減，這為工程建設地基處理提供了指導性依據(jù)。因此，在工程建設地基處理采用樁基礎時，宜將具有濕陷性的土層全部采用擠密樁法處理完（或自重濕陷性土層采用側(cè)壁負摩阻力、濕陷性土層需對側(cè)壁摩阻力進行飽和折減）以提高其樁身側(cè)壁摩阻力；采用CFG樁復合地基時，應將具有濕陷性的土層全部采用擠密樁法處理完，并將樁端穿透濕陷性土層。

5 樁基檢測結(jié)果分析及樁基參數(shù)

從工程建設考慮，當采用樁基礎時，黃土臺塬場地應對上部自重濕陷性土層或濕陷性土層進行預處理。本文通過分析底張洼地工程場地樁基檢測結(jié)果，為類似工程樁基礎設計和施工提供科學依據(jù)和建議。本工程建筑物為地上15～17層（建筑物高度48～55 m），地下1～2層，基礎型式為樁基+筏板基礎，基底壓力標準組合值為300～340 kPa。

5.1 樁型選擇分析

底張洼地場地內(nèi)無特別堅硬持力層，采用樁基時，單樁承載力以側(cè)摩阻力為主，樁型宜按摩擦樁設計。由于底張洼地場地內(nèi)分布的③黃土層為飽和軟黃土、⑤黃土層為軟塑-流塑飽和黃土，現(xiàn)場鉆探過程中存在縮孔現(xiàn)象。當采用鉆孔灌注樁或長螺旋鉆孔壓灌樁CFG樁復合地基方案時，會發(fā)生縮孔、串孔現(xiàn)象，對樁身質(zhì)量影響大，甚至發(fā)生斷樁現(xiàn)象。采用長螺旋鉆孔壓灌混凝土+后插鋼筋籠工藝灌注樁時，易發(fā)生混凝土超灌或跑漿。因此，在地基基礎方案選擇時應考慮飽和軟黃土和軟塑-流塑飽和黃土的影響。因此，鉆孔灌注樁或長螺旋鉆孔壓灌樁CFG樁復合地基方案或長螺旋鉆孔壓灌混凝土+后插鋼筋籠工藝灌注樁不宜采用，靜壓預制樁（管樁或方樁）適合。

5.2 試樁試驗結(jié)果

根據(jù)在底張洼地內(nèi)工程試樁資料，試樁時場地部分開挖或進行清表作業(yè)后進行試樁。試樁樁長比設計有效樁長增加相應長度。試樁終止條件為樁身被破壞或終止荷載作用下樁頂沉降量大于上一級荷載作用下樁頂沉降量的5倍，且總沉降量超過40 mm。試樁時，已考慮將上部增加樁長的部分進行承載力折減?，F(xiàn)將各試樁參數(shù)和試驗結(jié)果列于表3[8]。根據(jù)試驗數(shù)據(jù)繪制試樁的靜載試驗成果圖，Q-s曲線和s-lgt曲線成果圖可見圖7～9。

表3 預制樁試樁試驗結(jié)果一覽表Table 3 List of test results for prefabricated pile testing

圖7 試樁靜載試驗成果圖（40 m 樁長）Fig.7 Results of static loading test on test piles (40 m pile length)

圖8 試樁靜載試驗成果圖（35 m 樁長）Fig.8 Results of static loading test on test piles (35 m pile length)

圖9 試樁靜載試驗成果圖（22 m 樁長）Fig.9 Results of static loading test on test piles (22 m pile length)

根據(jù)表3，設計有效樁長40 m 時單樁豎向承載力極限值約為3 900 kN；設計有效樁長35 m 時單樁豎向承載力極限值約為3 600 kN；設計有效樁長22 m 時單樁豎向承載力極限值約為1 890 kN。對于底張洼地此類分布有飽和軟黃土或軟-流塑黃土的工程場地，樁基設計時應考慮土層側(cè)壁摩阻力發(fā)揮問題。由于中上部土層側(cè)壁摩阻力較小，因此需充分考慮中下部土層側(cè)壁摩阻力發(fā)揮問題，從工程角度考慮，35～40 m 樁長較為適合。

5.3 樁基設計參數(shù)

根據(jù)底張洼地場地土工試驗與靜力觸探測試結(jié)果，按照《濕陷性黃土地區(qū)建筑標準》（GB 50025—2018）[9]和《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94—2008）[10]中的有關規(guī)定，結(jié)合場地內(nèi)現(xiàn)場單樁豎向靜力載荷試驗結(jié)果，綜合確定各層土樁的極限側(cè)摩阻力標準值和極限端阻力標準值供參考，見表4。

表4 樁的極限側(cè)摩阻力標準值和極限端阻力標準值表Table 4 Standard value of ultimate skin friction and tip resistance

根據(jù)上述分析，底張洼地場地內(nèi)飽和狀態(tài)的③黃土層—⑥古土壤層樁側(cè)摩阻力數(shù)值較低。在此類場地內(nèi)工程建設過程中，需考慮樁長相對較長的預制樁，樁身側(cè)摩阻力主要考慮中下部土層，單樁豎向極限承載力不宜超過4 000 kN，否則樁長過長、樁徑比過大，且預制樁樁身強度要求過大時易爆樁，施工過程中易出現(xiàn)斜樁、斷樁等質(zhì)量問題，此類工程采用預制樁時，樁長一般為35～40 m，樁徑以500 mm 和600 mm 為宜。

6 結(jié)論與思考

根據(jù)上述分析，我們能更進一步了解西安地區(qū)黃土臺塬和底張洼地的工程勘察經(jīng)驗數(shù)據(jù)，為今后類似場地擬建工程積累了經(jīng)驗。通過本文分析后主要總結(jié)經(jīng)驗與思考如下：

（1）濕陷性黃土受地下水長期浸泡后變成飽和、軟-流塑、無濕陷性土，其壓縮模量銳減，工程性質(zhì)急劇減弱。

（2）分布有飽和軟黃土、軟塑-流塑飽和黃土場地，鉆孔灌注樁或長螺旋鉆孔壓灌樁+后插鋼筋籠工藝灌注樁或長螺旋鉆孔壓灌樁CFG 樁復合地基方案均不宜采用，易發(fā)生縮孔、串孔現(xiàn)象或超灌現(xiàn)象，甚至發(fā)生斷樁現(xiàn)象，靜壓預制樁（管樁或方樁）方案適合。

（3）具有濕陷性的黃土在長期浸水飽和條件下，其錐尖阻力和側(cè)壁摩阻力銳減，濕陷性越強烈，其銳減越明顯。

（4）場地內(nèi)分布有飽和軟黃土、軟塑-流塑飽和黃土時，其土層樁側(cè)摩阻力數(shù)值較低。在此類場地內(nèi)工程建設過程中，對于小高層及高層建筑地基基礎方案選擇時，可考慮采用樁長相對較長的預制樁。樁長應穿透飽和軟黃土、軟塑-流塑飽和黃土層，樁端持力層應選擇在強度相對較高的土層上。

（5）對于此類工程場地，若后期能進行樁身應力分布測試研究，將對工程建設具有更好的指導意義。