濕陷性黃土地區(qū)巖土工程勘察與軟土地基處理試驗(yàn)研究

張 飛 霍偉大

（甘肅煤田地質(zhì)局慶陽(yáng)資源勘查院，甘肅 慶陽(yáng) 745000）

在深入建設(shè)工程項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的研究中發(fā)現(xiàn)，黃土是一種具有特殊屬性的土體，通常，黃土出現(xiàn)在半干旱和干旱地區(qū)，受到降雨、風(fēng)力等多種因素的綜合作用與影響，形成原生黃土。這類黃土受到突發(fā)性降雨、水流搬運(yùn)或沖刷，會(huì)形成濕陷性黃土[1]。為掌握這類土體的屬性，為工程設(shè)計(jì)與后續(xù)施工提供技術(shù)參考，這類土體具有欠壓和非飽和等特點(diǎn)，在浸泡或遇水后，極易發(fā)生濕陷性變形，如果工程方未能及時(shí)發(fā)現(xiàn)土體的濕陷性變形或未能在施工前采取有效措施對(duì)土體進(jìn)行勘察，就會(huì)影響上層構(gòu)筑物的安全性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致使用壽命縮短[2]。在工程建造前，為避免這類土體對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目造成影響，施工方應(yīng)完善項(xiàng)目所在地的巖土勘察工作，本文將對(duì)此進(jìn)行研究。

1 濕陷性黃土地區(qū)巖土工程勘察

1.1 土層劃分

在研究中發(fā)現(xiàn)，濕陷性黃土主要分2 類：普通的濕陷性黃土（自重類的濕陷性黃土）和非自重類的濕陷性黃土。前者是原生黃土受到降雨、地下水侵害，土體自身結(jié)構(gòu)遭到嚴(yán)重破壞，黃土沉降較為明顯[3]。后者主要是巖土工程中的覆土層，受到自身重力等綜合因素的影響后，土體呈濕陷性黃土性質(zhì)，但這類土體并不符合濕陷性黃土的沉降要求。這類土體如果繼續(xù)受到降雨或水浸，就會(huì)形成濕陷性黃土[4]。濕陷性黃土的基本屬性，見(jiàn)表1。

表1 濕陷性黃土特點(diǎn)

表1 中，Ⅰ為土體的濕陷性輕微嚴(yán)重。Ⅱ?yàn)橥馏w的濕陷性中等嚴(yán)重。Ⅲ為土體的濕陷性嚴(yán)重。Ⅳ為土體的濕陷性十分嚴(yán)重。了解不同濕陷性土體的特點(diǎn)后，對(duì)勘察過(guò)程中的巖土工程進(jìn)行劃分[5]。在劃分過(guò)程中，考慮對(duì)土層進(jìn)行鉆探取樣的過(guò)程具有非連續(xù)性的作業(yè)特點(diǎn)，因此會(huì)導(dǎo)致土層劃分有較大偏差，為排除工程中相關(guān)因素的影響，在劃分土層的過(guò)程中，通常會(huì)考慮上層土層和下層土層受到的阻力的差異，當(dāng)上、下兩層土層間的阻力差異較小時(shí)，通常對(duì)中點(diǎn)滯后的點(diǎn)位或超前的點(diǎn)位進(jìn)行鉆探，點(diǎn)位選擇如圖1所示。

圖1 土層劃分過(guò)程中的超前點(diǎn)與滯后點(diǎn)

1.2 采集土體物理指標(biāo)與確定濕陷性黃土地區(qū)巖土地基承載力

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，利用靜力觸探貫入法，勘察巖土工程，在勘察過(guò)程中，靜力觸探是在巖土工程中，輔助使用機(jī)械設(shè)備與裝置，用精準(zhǔn)的壓力將內(nèi)部有傳感器、攝像頭的探頭勻速垂直壓入不同的土層中[6]。過(guò)程如圖2所示。

圖2 靜力觸探貫入的巖土工程勘察

在勘察的過(guò)程中，需要將靜力觸探貫入上的探針（探頭）壓入土層中，土層會(huì)有一定阻力，阻力會(huì)在土層中發(fā)生傳遞，將給予探針（探頭）向上的阻力，在靜力觸探貫入裝置探頭壓入過(guò)程中，不同強(qiáng)度的土層給探頭的阻力不同，隨著壓入土體深度增加或壓入土體強(qiáng)度變大，探頭受到的阻力基于理論層面將對(duì)應(yīng)增加[7]。為確保靜力觸探貫入設(shè)備在巖土工程勘察作業(yè)現(xiàn)場(chǎng)可以發(fā)揮預(yù)期的作用，須在完成上述相關(guān)內(nèi)容的設(shè)計(jì)后，設(shè)計(jì)鉆探機(jī)工作方式，如圖3所示。

根據(jù)胡克定律可以得出，集成在裝置前端的探頭傳感器會(huì)根據(jù)自身受到的作用力進(jìn)行受力變形感知，感知后土層對(duì)探頭產(chǎn)生的阻力將被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，對(duì)應(yīng)的電信號(hào)可以輔助儀器進(jìn)行直接測(cè)量或采集。根據(jù)傳感器感知的數(shù)值，得到土層的阻力信息，進(jìn)而可以計(jì)算土體相關(guān)的物理指標(biāo)[8]。

在上述內(nèi)容的基礎(chǔ)上，將地基作為一個(gè)塑性剛體結(jié)構(gòu)，在探頭極限下壓的荷載作用下，對(duì)應(yīng)的巖土工程地基土在外部作用力下產(chǎn)生一定的滑移面，根據(jù)極限平衡理論，可以確定巖土地基承載力。在獲得相關(guān)參數(shù)后，計(jì)算承載力，如公式（1）所示。

式中：Q1為巖土地基承載力；CU為土體在不排水條件下的抗剪強(qiáng)度值；N1為與土體結(jié)構(gòu)相關(guān)的承載力系數(shù)1；σO為上層覆土向下傳遞的壓力；N2為與土體結(jié)構(gòu)相關(guān)的承載力系數(shù)2。

2 軟土地基處理試驗(yàn)

2.1 濕陷性黃土試驗(yàn)指標(biāo)

為準(zhǔn)確判斷黃土地區(qū)土體是否具有濕陷性，通過(guò)計(jì)算得出濕陷性土體的濕陷量和自重濕陷量準(zhǔn)確數(shù)值，最終判定地基濕陷性等級(jí)。在完成巖土工程勘察后，對(duì)黃土地區(qū)的軟土地基進(jìn)行試驗(yàn)。在試驗(yàn)前，明確濕陷性黃土的各項(xiàng)指標(biāo)，并構(gòu)建濕陷性黃土試驗(yàn)指標(biāo)體系，如圖4所示。

圖4 濕陷性黃土試驗(yàn)指標(biāo)體系

2.2 軟土地基濕陷性評(píng)價(jià)

在確定濕陷性黃土試驗(yàn)指標(biāo)后，對(duì)上述勘察區(qū)域的軟土地基進(jìn)行濕陷性評(píng)價(jià)。結(jié)合濕陷性黃土地區(qū)上建筑建設(shè)規(guī)范要求，當(dāng)es＜0.015 時(shí)，將評(píng)價(jià)區(qū)域判定為非濕陷性黃土區(qū)域；當(dāng)es≥0.015 時(shí)，將評(píng)價(jià)區(qū)域判定為濕陷性黃土區(qū)域?？梢愿鶕?jù)試驗(yàn)得到的濕陷性系數(shù)值es，將濕陷性黃土區(qū)域劃分為3 個(gè)類別，具體類別劃分見(jiàn)表2。

表2 軟土地基濕陷性劃分標(biāo)準(zhǔn)

可以按照實(shí)際測(cè)定的自重濕陷量和計(jì)算的濕陷量具體數(shù)值，對(duì)研究區(qū)域的濕陷性類型進(jìn)行劃分，同時(shí)在判定的過(guò)程中應(yīng)滿足以下要求：當(dāng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果或計(jì)算結(jié)果的數(shù)值≤70mm時(shí)，研究區(qū)域?yàn)榉亲灾貪裣菪渣S土區(qū)域；當(dāng)實(shí)際測(cè)量結(jié)果或計(jì)算結(jié)果的數(shù)值＞70mm 時(shí)，研究區(qū)域?yàn)樽灾叵菪渣S土區(qū)域；如果實(shí)際測(cè)量結(jié)果與計(jì)算結(jié)果間存在矛盾問(wèn)題，就需要根據(jù)自重濕陷量的實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行判定。計(jì)算自重濕陷量如公式（2）所示。

式中：Δzs為自重濕陷量；b0為因?yàn)椴煌瑓^(qū)域地質(zhì)而產(chǎn)生差異數(shù)據(jù)的修正系數(shù)；ezsi為第i層土體的自濕陷系數(shù)；hi為第i層土體的厚度。

在判定濕陷類型后，還需要確定濕陷的具體等級(jí)?？筛鶕?jù)濕陷性黃土地區(qū)建設(shè)規(guī)范要求、濕陷量和自重濕陷量等參數(shù)，對(duì)濕陷等級(jí)進(jìn)行劃分，標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3。

表3 濕陷等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)

表3 中，F(xiàn) 為不受重力影響的濕陷地；T 為重力影響的濕陷地。當(dāng)不受重力影響的濕陷地的濕陷量＞600mm 且重力影響的濕陷地濕陷量＞300mm 時(shí)，可以判定試驗(yàn)區(qū)域?yàn)镮II 濕陷等級(jí)，當(dāng)其他情況時(shí)，可以判定為II 濕陷等級(jí)。計(jì)算濕陷量Δs如公式（3）所示。

式中：b為在考慮基底下方地基土可能受到水浸濕影響的情況下的修正系數(shù)。通常，當(dāng)基底的深度在0m～5m 時(shí)，b為1.50；當(dāng)基底的深度為5～10m 時(shí)，b為1；當(dāng)基底的深度＞10m 時(shí)，此時(shí)b可取所在地區(qū)的b0值。當(dāng)計(jì)算濕陷時(shí)，深度取值應(yīng)該從基礎(chǔ)底面開(kāi)始算起。在無(wú)自重濕陷條件下，累積至地基下10m。對(duì)自重濕陷黃土場(chǎng)地來(lái)說(shuō)，累積至未濕陷土層頂部。在計(jì)算過(guò)程中，濕陷系數(shù)es＜0.015 的土層的數(shù)值不會(huì)影響最終結(jié)果。

2.3 軟土地基處理

當(dāng)濕陷性黃土地區(qū)施工時(shí)，應(yīng)該根據(jù)濕陷性黃土的特征和工程需要，結(jié)合當(dāng)?shù)氐膶?shí)際情況，采取以地基處理為主要內(nèi)容的綜合措施，避免地基濕陷造成的損害。濕陷性黃土地基應(yīng)該按以下規(guī)定進(jìn)行處理。當(dāng)使用甲類建筑物時(shí)，必須消除所有的濕陷，或者使用樁基穿過(guò)所有的濕陷黃色土層。乙類和丙類建筑物的基礎(chǔ)應(yīng)消除局部的濕陷量。要結(jié)合具體建筑類型和環(huán)境情況等選擇地基處理方法，并對(duì)其進(jìn)行全面的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)分析和對(duì)比。另外，也可以根據(jù)濕陷性黃土層的厚度選擇相應(yīng)的基礎(chǔ)加固方法，見(jiàn)表4。

表4 軟土地基處理方法適用范圍

3 結(jié)語(yǔ)

在構(gòu)筑物等相關(guān)工程項(xiàng)目的施工過(guò)程中，巖土工程勘察是施工前必不可少的環(huán)節(jié)，本項(xiàng)工作的規(guī)范性、合理性不僅與地區(qū)建成后的構(gòu)筑物結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、整體安全性息息相關(guān)，還可以決定后續(xù)地區(qū)工程開(kāi)發(fā)與建設(shè)的成敗。在進(jìn)一步研究中發(fā)現(xiàn)，巖土勘察是工程設(shè)計(jì)、施工的前提條件與重要根據(jù)，因此按照規(guī)范對(duì)工程中各類結(jié)構(gòu)物、建筑物的地質(zhì)進(jìn)行勘察，是重要的環(huán)節(jié)。目前，國(guó)內(nèi)大部分建設(shè)工程仍在采用鉆探、取樣和室內(nèi)試驗(yàn)相結(jié)合的方式進(jìn)行巖土勘查。

本文對(duì)早期方法在實(shí)施中存在的不足進(jìn)行了研究，希望為建設(shè)工程項(xiàng)目前期的巖土勘察工作提供全面幫助，為規(guī)范軟土地基處理提供技術(shù)參考。