浅谈黄土的湿陷性及其地基处理问题

２０１０年第７期　西部探矿工程　３７　浅谈黄土的湿陷性及其地基处理问题　张绪芬　（甘肃省地勘局第四地勘院，甘肃酒泉７３５０００）　摘要：通过对黄土地层工程地质特征和物理力学性质进行深入分析，从黄土的湿陷性、黄土湿陷的　起始压力、湿陷性黄土地基承载力等方面对湿陷性黄土进行综合评价，论述了通过改善地基土的结构　及性质对湿陷性黄土地基进行处理的三种方法（物理方法、化学方法、水理方法），并着重指出：在工业　与民用建筑、水利水电工程施工中，如果对湿陷性黄土地层处理不当，将会使地基产生不均匀沉降，对　地面建筑物造成较大危害。因此，研究掌握黄土的特性和规律，采取行之有效的方法对湿陷性黄土地　基进行处理，消除黄土湿陷性隐患，确保地面建筑物结构的安全和稳定，是工程地质勘查工作必须解　决的关键问题。　关键词：黄土；特征；性质；湿陷性；地基处理方法　中图分类号：ＴＵ４４４文献标识码：Ｂ文章编号：ｌＯ０４—５７１６（２０１Ｏ）０７一ＯＯ３７—０４　黄土地层在我国北方广泛存在，主要分布于黄河流　沉陷一湿陷，导致地基不均匀下沉进而使地面建筑物开　域、松辽平原、河西走廊及新疆等干旱、半干旱地区，面　裂、倾斜或倒塌。　积６３５２８０ｋｍ。。就甘肃中西部而言，因黄土结构松散，　２物理力学性质　压缩性大，湿陷性强，故多具有强烈的自重湿陷性。在　２．１黄土的粒度成分　工业与民用建筑、水利水电工程施工中，如果对湿陷性　根据工程地质勘查资料，甘肃各地黄土基本上由小　黄土地层处理不当，将会使地基产生不均匀沉降，对地　于０．２５ｍｍ的颗粒组成，其中以粉土颗粒为主（Ｏ．０５～　面建筑物造成较大危害。因此，研究掌握黄土的特性和　０．００５ｍｍ）。经室内筛分实验，各时期的黄土粒度含量　规律，采取行之有效的方法对湿陷性黄土地基进行处　级配如表１所示。　理，消除黄土湿陷性隐患，确保地面建筑物结构的安全　２．２黄土的物理力学性质指标　和稳定，是工程地质勘查工作必须解决的关键问题。下　根据我院在甘肃半干旱黄土区渗透性试验成果，中　面仅就甘肃中西部地区湿陷性黄土的工程地质特征、物　西部地区渗透系数Ｋ＝０．００３￣０．３４５ｍ／ｄ，东部地区渗　理力学性质及其地基处理方法做一粗浅探讨。　透系数Ｋ＝０．Ｏ２～１．５３ｍ／ｄ。由于黄土地层垂直裂隙　１工程地质特征　发育，根据野外试验数据，地表水垂直渗透速度为　甘肃中西部地区湿陷性黄土的一般特征是以不含　０．Ｏ９４ｍ／ｄ，大概是水平渗透速度的５０倍，其它物理性　大于０．２５ｍｍ颗粒的均质粉粒为主（约占６Ｏ　～　质指标如表２所示。　７０　）；具多孔性并有肉眼能看到的孔隙，孔隙度一般为　由于黄土的堆积环境、地质和气候条件均有差异，　４Ｏ　～５Ｏ　；有柱状节理，其垂直节理在天然条件下能　致使各地区黄土的物理力学性质指标差别显著。近年　保持垂直边坡；碳酸钙含量约在１０　～３０　之间，部分　来我院在湿陷性黄土分布地区，发现有新近堆积黄土存　地段含有大量钙质结核，无层理，一般厚度在４０￣３００ｍ　在，为Ｑ的最新堆积物，年代新且固结作用差，具有较　范围内；天然状态下含水量少，干燥时非常坚固，遇水易　严重的湿陷性。　剥落和遭到侵蚀，其重要的工程地质特征是浸水时急剧　３湿陷性黄土的评价　＊收稿日期：２０１０－０２－０５　作者简介：张绪芬（１９６６一），女（汉族），重庆人，现从事水文地质勘查与工程地质勘查技术与管理工作。　３８　３．１黄土湿陷性的确定　西部探矿工程　——２０１０年第７期　土样在规定压力作用下压缩稳定后的高　黄土的湿陷性可用室内浸水侧压缩试验来判定，在　度；　实验室内普通固结仪上把保持天然湿度和结构的黄土　土样，在无侧向膨胀条件下逐步加压至规定的压力（普　通建筑物２ｋｇ／ｃｍ２、高层建筑物３ｋｇ／ｃｍ２），土样压缩稳　定后进行浸水，使含水量接近饱和，土样就迅速下沉，再　ｈｔｅ——土样在规定压力作用下浸水达到湿陷稳　定后的高度。　当　≥Ｏ．０１５时则认为该黄土为湿陷性黄土。　当　＜０．０１５时则认为该黄土为非湿陷性黄土。　次达到稳定后，得到土样的高度ｈ　，由此计算土的湿陷　系数：　一对于湿陷性黄土，国家现行规范将实测或计算自重　湿陷量＞７ｃｍ的湿陷性黄土确定为自重湿陷性黄土；将　实测或计算自重湿陷量≤７ｃｍ的湿陷性黄土确定为非　自重湿陷性黄土。　（　Ｐ－－ｈｔｐ）／ｈｏ　式中：ｈ。——土样的原始高度；　表１黄土粒度含量级配表　表２黄土物理性质指标　在非自重湿陷性黄土地区测定湿陷起始压力具有　如下实际意义：　（１）地面建筑物荷载不大时，可使设计压力小于土　的湿陷起始压力，此时可不按湿陷性黄土地基处理；　（２）在黄土地基的某一深度，土所承受的附加压力　Ｐ及土自重压力Ｐ　之和小于或等于湿陷起始压力Ｐ　时，亦可不按湿陷性黄土地基处理。利用这一性质，可　把建筑基础加深，或仅把上部Ｐ＋Ｐ　＞　的土层加以　处理；　（３）给排水管道、输水渠道等水工建筑物的设计，亦　可利用黄土的湿陷起始压力值综合考虑和优化基础设　计方案。　湿陷起始压力的大小，随土层的密度、粘质胶质含　３．２黄土湿陷的起始压力　量、天然湿度以及埋深的增大而增大，并随土层所含可　溶盐的性质和数量而变化。　湿陷性黄土在某一压力作用下开始出现湿陷时，此　压力称为湿陷起始压力。作用在湿陷性黄土上的压力，　不超过湿陷起始压力值时，不发生湿陷现象。湿陷起始　压力不是常量，对同一地区而言，湿陷起始压力一般随　深度而逐渐增大。　测定湿陷起始压力比较可靠的方法是野外荷载试　验，但由于其试验工作量大因而在实际工作中使用较　少。我们经过试验研究，一般采用在浸水饱和黄土地基　上做一个荷载试验的方法来确定湿陷起始压力的大小。　２０１０年第７期　西部探矿工程　３９　其步骤为：在荷载坑内先浸水，使土层达到饱和状态，然　后逐级加载，绘制Ｐ—Ｓ曲线，其转折点或湿陷量为　３ｃｍ所对应的压力即为湿陷起始压力。　３．３湿陷性黄土地基承载力　此种方法适用于地下水位以上、渗透系数为０．１～　２．０ｍ／ｄ的湿陷性黄土地基。其施工工序系将掺有　２．５　ＮａＣ１的水玻璃（ＮａｚＯ・ｎＳｉＯｚ）溶液用高压注浆　泵压人黄土层中，使其与土中的ＣａＳＯ４和ＭｇＳＯ４发生　化学反应，形成硅酸凝胶￣ｎＳｉＯｚ・（ｍ一１）Ｈ：Ｏ］，粘附　于土粒周围和毛细孔壁上，使黄土的松散结构变为密实　不同堆积时代的黄土承载力相差十分悬殊，根据野　外实际测定值，Ｑ３的马兰黄土和　的次生黄土的强　度比例界限达１．５～２．５ｋｇ／ｃｍｚ，而　的新近堆积黄土　的整体结构，强度增大，透水性减小。硅酸凝胶的胶凝　的强度比例界限只有０．７５ｋｇ／ｃｍ　左右。因此，湿陷性　黄土地基承载力不能仅靠简单的推理和经验，应根据现　场实际情况加以确定。　４湿陷性黄土地基处理方法　湿陷性黄土地基处理应根据地基土的特征和工程　地质条件，选择不同的处理方法。除采用桩基础外，为　降低工程造价、节约成本投人，在实际施工中我们一般　建议建设单位采用改善地基土的结构及性质的方法对　湿陷性黄土地基进行处理。该类方法分为物理方法、化　学方法和水理方法三种，其基本作用均是变地基土的松　散结构为密实结构、变湿陷性为非湿陷性。　４．１土垫层及灰土垫层强夯置换法（物理方法）　此种方法适用于具有一定压缩性的非湿陷性黄土　地基、厚度小于３ｍ的弱湿陷性黄土地基及湿陷起始压　力较大的非自重湿陷性黄土地基，用其做为建筑物地基　的防渗、防水垫层或与其它地基处理方法配合使用。　土垫层是在基础平面上将原土翻夯一定厚度或换　垫它种性质较好的土，灰土垫层是换垫一定厚度的石灰　和粘土的混合体，其灰土比一般为３：７或２：８。土垫　层及灰土垫层的厚度应视地基土的性质和建筑物的类　别按规范要求予以确定，一般情况下土垫层的厚度在　２ｍ左右，灰层垫层的厚度在ｌｍ以内。夯实质量要求　为：土垫层干容重达到１．６０ｇ／ｃｍ。以上，灰土垫层干容　重达到１．５８ｇ／ｃｍ３以上。实际施工中应注意土灰过　筛、均匀洒水并充分拌合，以达最优含水量，施工方法采　用打夯机或人工夯实。重锤夯实包括两个内容，其一是　进行表层夯实，其有效夯实厚度为１．Ｏ～１．５ｍ；其二是　分层回填夯实，实际施工中应视土垫层和灰层垫层厚度　配合使用。　实践证明，厚度２ｍ左右的土垫层或厚度小于ｌｍ　的灰土垫层对提高地基允许承载力其作用极为有限，厚　度大于ｌｍ的灰土垫层可提高原地基土承载力的２Ｏ　左右。由于灰土垫层承载力相对较高，且防渗、抗冻性　好，故在水利工程建筑物地基处理中应用较广。　４．２单液硅化法（化学方法）　作用一般在形成２４ｈ后开始，１５ｄ后其强度大增，３０ｄ　后胶凝作用基本完成，因此硅化施工一个月内应注意不　要对地基土渗水或扰动。　经施工现场实际开挖和强度实验，单液硅化法加固　半径一般可达０．５～１．０ｍ，加固深度可达３０ｍ。在垂直　方法上加固段长度与注浆管喷射孔段相同，两个加固段　的间距一般不大于加固半径的０．７５倍才能保证其处理　效果。湿陷性黄土地基经硅化后抗压强度可达到６～　８ｋｇｆ／ｃｍｚ，即使地基土长期在水中浸泡，仍能保持其强　度。加固后的地基土实际上已成为不透水、不湿陷、不　膨胀、不崩解的人工石。因单液硅化法处理湿陷性黄土　地基的特点是深度大、强度高、耐浸泡但抗冻性能较差，　因而适宜水利工程建筑物的地基处理以及加固处理现　有建筑物的地基湿陷事故（如开裂、偏斜等）。　４．３预浸水法（水理方法）　预浸水法处理湿陷性黄土地基在甘肃中西部地区　应用较广，实践证明采用预浸水法将大厚度自重湿陷性　黄土的湿陷性消除在工程开工建设之前是切实可行的。　预浸水法操作简单，处理费用低、范围广、深度大，同时　对地下洞穴、墓坑等特殊地质情况可以做到及时发现和　处理，但其缺点是施工期长、耗水量大、浸水后原土地基　承载力有所降低等，故在厚度较小的自重湿陷性黄土地　层不宜采用。　就甘肃中西部地区而言，我们在实际施工中用预浸　水法处理自重湿陷性黄土地基时，其主要技术参数的确　定及采取的技术措施为：　（１）浸水基坑大小的确定：自重湿陷是湿陷性土体　浸水后因结构改变而产生的自身沉陷，产生自重湿陷的　条件除了饱水土体的自重压力大于土的湿陷起始压力　外，浸湿土体自重尚须大于周边土层的阻力（垂向抗剪　强度）。当浸水面积过小浸湿土体的自重不能克服其周　边阻力时，则不能产生湿陷或湿陷不完全，因此浸水基　坑必须具有足够尺寸进而达到足够重量才能产生完全　湿陷。实践中我们一般按最小边长或直径等于该湿陷　性黄土厚度的１～１．５倍确定浸水基坑的大小，均可产　４０　西部探矿工程　２０１０年第７期　生完全湿陷。　浸水基坑的最小边长亦可按下式计算：　ａ＝４ｒ／７　式中：ｎ——浸水基坑最小边长或直径，ｍ；　地基土垂向饱和抗剪强度，ｒ：Ｐ・ｔａｎ　＋　Ｃ，Ｐ—Ｙｈ；　卜地基土饱和时容重，ｔ／ｍ３；　＾——湿陷性土层厚度，ｍ；　地基土饱和时内摩擦角，（。）；　地基土饱和时凝聚力，ｔ／ｍ２。　（２）浸泡及待干时间的确定：在连续供水条件下预　浸水所需的浸泡时问取决于地基土的湿陷敏感性及工　程地质条件，地基土的渗透性越大，湿陷完成的越快，浸　泡时间越短。甘肃中西部地区一般自重湿陷性黄土多　具较强的渗透性，经验表明其主要湿陷量（即占总湿陷　量的７Ｏ　～８Ｏ　）是在浸水开始后的３ｏｄ内产生的，其　余湿陷量将在浸水后期缓慢完成。因此对于湿陷性土　层厚度小于１０ｍ的工业与民用建筑工程地基，建议浸　泡时间达到３０ｄ即可开始进行下道工序。对于水利工　程地基，因其基础土层长期受水浸泡，所以除了考虑主　要湿陷量和湿陷性土层厚度，还应考虑其湿陷系数、自　重湿陷总量及地基土的工程地质结构。例如由我院承　担勘查工作的河西走廊地区某水利工程项目，强自重湿　陷性黄土平均厚度９．６ｍ，其下部为弱隔水层和透水层，　预浸水浸泡３０ｄ后，其主要湿陷量为４９￣５６ｃｍ。考虑　到其工程地质结构特点，又延长浸泡时间１倍即６０ｄ，　湿陷量增加１４￣２１ｃｍ，达到７０ｃｍ，其后湿陷量异常缓　慢。因而对于一般水工建筑物地基，为了消除自重湿陷　性黄土的危害性，浸泡时间以不少于６０ｄ为宜。在工期　较紧情况下为了加快浸水速度，可在土体上部５ｍ厚度　范围内设置梅花状砾砂透水蕊孔或采用控制水平渗透　等方法，实际施工中效果较好。　供水浸泡停止后，应清除基坑积水，待干一定时间　方可进行下步施工。一般浸泡结束地基土含水量达到　３Ｏ　以上后，由于自由水下渗及地表蒸发作用，土层上　部含水量迅速降低。以兰州地区为例，待干３５￣４０ｄ后　含水量为２２　～２７　，待干１６０～１８０ｄ后含水量为　１６　～２４％，达到或接近地基土的最优含水量，此后因　含水量接近最大分子吸水量而减少的十分缓慢，因此建　议待干时间以浸泡停止后半年为宜。　（３）消除二次湿陷及外荷湿陷的措施：实践证明，预　浸水处理后的地基土上部５ｍ以内土层，仍具有二次湿　陷及外荷湿陷性。将该厚度土层待干到接近天然含水　量后，当再次浸水或在外荷作用下，仍具有一定的湿陷　性，在２ｋｇｆ／ｃ　压力作用下相对湿陷系数大于０．０２，　其原因在于浸水自重湿陷时上部土体不受压或受压轻　微所致。为了解决这个问题，对于工业与民用建筑而　言，建议采用设置土垫层、灰土垫层或土桩挤密等方法，　提高上部地基承载力，或将荷重传递到５ｍ以下土层，　不使上部土层做为持力层；对于水利工程建筑而言，因　地基开挖深度较大，故可以在基坑开挖时，设计基础平　面±０．０００以上预留５ｍ土层厚度做为浸水压重，待干　结束后即行清除，因样可使这一问题得到解决。　（４）预浸水后的地基强度：实验数据表明，湿陷性黄　土地基浸水后５ｍ以下土层的干容重一般可提高　０．１ｇ／ｃｍ￣左右，孔隙比减小０．１２以上，在２ｋｇｆ／ｃｍ２压　力作用下相对湿陷系数多在０．０１以下，基本消除了黄　土的湿陷性，可以按非湿陷性地基处理。由于湿陷性黄　土地基５ｍ以下土层浸水后含水量相对增高，使地基土　的结构变弱，压缩性升高，变形模量减小，强度降低，但　随土层深度增加各项技术参数有大幅度提高。甘肃中　西部地区自重湿陷性黄土层预浸水后，土体自地面以下　５～７ｍ的变形模量一般为６Ｏ～８０ｋｇｆ／ｃｍ２，承载力为　１．２～１．６ｋｇｆ／ｃｍ。；８￣１０ｍ时变形模量可增大至１２Ｏ～　１４０ｋｇｆ／ｃｍ２，承载力可提高至１．８～２．２ｋｇｆ／ｃｍ２。压缩　性虽有升高，但压缩过程极为迅速，一般不会发生突陷　现象，这就可使地基土在建筑施工过程中基本完成压缩　沉降。　总之，在实际勘查施工中，如果湿陷性黄土地基浸　水后５ｍ以下土层消除了黄土的湿陷性，可以按非湿陷　性地基处理。当建筑基础压应力较大、浸水后地基强度　不能满足设计要求时，应采取其它有效措施，对地基土　上部持力层进行加固处理。　参考文献１　［１］ＧＢＪ２５－－９０湿陷性黄土地区建筑规范［Ｓ］．１９９１．　［２］　中国科学院地质研究所，北京大学地质地理系．中国黄土　分布图［Ｍ］．北京：地图出版社，１９６５．　［３１张栋材．油罐地基不均匀沉降及纠偏加固处理方法［Ｊ］．水　文地质工程地质，２００１（５）．　［４］陈开圣，彭小平．关中地区黄土的湿陷特性研究［Ｊ］．水文　地质工程地质，２００５（１）．