芻議濕陷性黃土地質(zhì)特性及處理方法
關(guān)鍵詞：濕陷性黃土;特性;評(píng)價(jià);處理措施
一、濕陷性黃土特性
濕陷性黃土是我國(guó)一種分布較為廣泛的區(qū)域性土，它主要分布于我國(guó)西部的黃土高原上。濕陷性黃土是第四紀(jì)的一種沉積物，它以粉土顆粒為主，富含碳酸鹽，具有大孔隙和垂直節(jié)理，以黃色為基本色調(diào)，具有濕陷性，在一定荷載作用下并在受水浸濕的情況下，土壤結(jié)構(gòu)迅速破壞，并且失去承載力而發(fā)生顯著下沉。
試驗(yàn)研究表明，粗粉粒和砂粒在黃土結(jié)構(gòu)中起骨架作用，由于在濕陷性黃土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接觸，能直接接觸的大多為粗粉粒，細(xì)粉粒通常依附在較大顆粒表面，特別是集聚在較大顆粒的接觸點(diǎn)處與膠體物質(zhì)一起作為填充材料。作為黃土骨架的砂粒和粗粉粒，在天然狀態(tài)下，由于上述膠結(jié)物的凝聚結(jié)晶作用被牢固地黏結(jié)著，使?jié)裣菪渣S土具有較高的強(qiáng)度。當(dāng)遇水時(shí)在水的作用下導(dǎo)致各種膠結(jié)物軟化，使膠結(jié)物失去作用導(dǎo)致土的強(qiáng)度突然下降便產(chǎn)生濕陷。我國(guó)濕陷性黃土的顆粒主要為粉土顆粒，占總重量約50%~70%，而粉土顆粒中又以0.05~0.01mm的粗粉土顆粒為多，占總重約40.60%，小于0.05mm的黏土顆粒較少，占總重約14.28%;大于0.01mm的細(xì)砂顆粒占總重的5%以內(nèi)，基本上無(wú)大于0.25mm的中砂顆粒。此外，在局部地區(qū)的濕陷性黃土中又含有較多的易溶鹽，以固態(tài)或半固態(tài)形式分布在各種顆粒的表面。黃土是在干旱或半干旱的氣候條件下形成的沉積物，在初期生成過程中土中水分不斷蒸發(fā)，在土孔隙中的毛細(xì)作用下少量水分逐漸集聚到較粗顆粒的接觸點(diǎn)處。同時(shí)細(xì)粉粒、黏粒和一些水溶鹽類也不同程度地集聚到粗顆粒的接觸點(diǎn)形成膠結(jié)。
濕陷性黃土顆粒之所以在一定壓力下受水時(shí)產(chǎn)生易著附加下沉，除上述在遇水時(shí)顆粒接觸點(diǎn)處膠結(jié)物的軟化作用外，還在于土的欠壓密實(shí)狀態(tài)。在干旱氣候條件下，無(wú)論是風(fēng)積、坡積還是在洪積的黃土層，其水的蒸發(fā)量影響深度大于大氣降水的影響深度。在其形成過程中，充分的壓力和適宜的濕度往往不能同時(shí)具備，導(dǎo)致土層的壓密欠佳。接近地表2~3m的土層，因受大氣降水的影響，一般具有適宜壓密的濕度，但此時(shí)上覆土重很小，土層得不到充公地壓密，便形成了低濕度、高孔隙率的濕陷性黃土。濕陷性黃土在天然狀態(tài)下保持低濕和高孔隙率是產(chǎn)生濕陷的充分條件。參考?xì)庀蠼涤炅浚覈?guó)濕陷性黃土分布地區(qū)大部分年平均降雨量小于蒸發(fā)量，因而濕陷性黃土的天然濕度一般在塑限含水量左右或者更低一些。
二、黃土濕陷性評(píng)價(jià)
1.黃土濕陷性，應(yīng)按室內(nèi)浸水(飽和)壓縮試驗(yàn)，在一定壓力測(cè)定的濕陷系數(shù)δs進(jìn)行判定。當(dāng)濕陷系數(shù)δs值小于0.015時(shí)，定為非濕陷黃土;當(dāng)濕陷系數(shù)δs值等于或大于0.015時(shí)，定為濕陷性黃土。
2.濕陷性黃土的程度，可根據(jù)濕陷系數(shù)δs值的大小分為三種：當(dāng)0.015≤δs≤0.03時(shí)，濕陷性輕微;當(dāng)0.03<δs≤0.07時(shí)，濕陷性中等;當(dāng)δs>0.07時(shí)，濕陷性強(qiáng)烈。
3.濕陷性黃土場(chǎng)地的濕陷類型，應(yīng)按自重濕陷量的實(shí)測(cè)值Δ'zs或計(jì)算值Δzs判定：當(dāng)自重濕陷量的實(shí)測(cè)值Δ'zs或計(jì)算值Δzs小于或等于70mm時(shí),應(yīng)定為非自重濕陷性黃土場(chǎng)地;;當(dāng)自重濕陷量的實(shí)測(cè)值Δ'zs或計(jì)算值Δzs大于70mm時(shí),應(yīng)定為自重濕陷性黃土場(chǎng)地。
三、處理措施
濕陷性黃土地基處理的主要目的：一是消除其全部濕陷量，使處理后的地基變?yōu)榉菨裣蔹S土地基，或采用樁基礎(chǔ)穿透全部濕陷黃土層，使上部荷載通過樁基礎(chǔ)傳遞至壓縮性低或較低的非濕陷性黃土(巖)層上，防止地基產(chǎn)生濕陷，當(dāng)濕陷性黃土層厚度較薄時(shí)，也可直接將基礎(chǔ)設(shè)置在非濕陷性黃土(巖)層上;二是消除地基的部分濕陷量，控制下部未處理濕陷性黃土層的剩余濕量或濕陷起始?jí)毫χ捣弦?guī)定數(shù)值。
山西省運(yùn)城市區(qū)域內(nèi)廣泛分布有第四紀(jì)新近堆積黃土，厚度在5~22.5m之間，多具有強(qiáng)濕陷性。在公路建設(shè)過程中，往往由于處理措施不當(dāng)而造成黃土浸水失穩(wěn)，從而在地表形成平面為圓型或橢圓型的蝶形濕陷坑，導(dǎo)致濕陷范圍內(nèi)的路基、路面和橋涵產(chǎn)生變形、開裂、沉陷等病害。
以山西省河津~運(yùn)城高速公路地基處理為研究對(duì)象，結(jié)合對(duì)黃土地基濕陷性破壞機(jī)理的研究，提出了沖擊碾壓、強(qiáng)夯、灰土擠密樁及石灰土換填等地基處理方案。通過對(duì)試驗(yàn)段施工效果的檢測(cè)，論證了處理方案是合理可行的。
1、沖擊碾壓
沖擊碾壓處理方案適用于Ⅰ、Ⅱ級(jí)非自重濕陷性黃土，處理后地表以下1m內(nèi)的土層壓實(shí)度應(yīng)大于90%，且該深度內(nèi)土層濕陷性消除。
沖擊碾壓一般采用25KJ沖擊式壓路機(jī)，處理長(zhǎng)度不小于150m，處理寬度為路基占地界。沖擊碾壓時(shí)牽引車行駛速度在12～20km/h之間，以輪跡重疊1/2布滿表面為1遍。最佳沖擊碾壓遍數(shù)根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)確定。
試驗(yàn)段進(jìn)行沖擊碾壓，分別碾壓10、20、30、40、50遍，依次測(cè)量各遍地基沉降量及壓實(shí)。沉降量采用水準(zhǔn)儀測(cè)量，壓實(shí)度采用灌砂法檢測(cè)。
試驗(yàn)段地基碾壓20遍后，地基沉降量可顯著減少，40遍后沉降量變化很小，且沖擊碾壓對(duì)提高地基壓實(shí)度效果較為明顯。沖擊40遍時(shí)，地基沉降量平均約19cm，地表以下1m內(nèi)土層平均壓實(shí)度達(dá)到91%。處理后地基土層濕陷系數(shù)約為0.003<0.015,可判定地表以下1m范圍內(nèi)土層濕陷性基本消除，滿足濕陷性黃土淺層處理要求。
2、強(qiáng)夯
強(qiáng)夯處理方案適用于Ⅱ級(jí)及以上等級(jí)的自重濕陷性黃土填方路段，可消除地表以下5-6m內(nèi)土層濕陷性。強(qiáng)夯處理要求主夯最后2擊的平均夯沉量不大于5cm，單點(diǎn)夯擊次數(shù)不小于5擊。
根據(jù)土層濕陷等級(jí)、濕陷深度和路基填土高度的不同，分別采取不同能級(jí)的強(qiáng)夯進(jìn)行全幅滿夯。處理長(zhǎng)度不小于50m，處理寬度為路基占地界。
強(qiáng)夯一般分為三遍進(jìn)行，主夯2遍，排夯1遍。其中主夯按夯錘直徑D的2.5-3.5倍間距方格網(wǎng)跳夯實(shí)，最后一遍排夯(單點(diǎn)夯擊能600kN.m)，互相搭夯不小于1/2夯錘直徑。
試驗(yàn)段地基的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)結(jié)果表明，地基土層隨夯次數(shù)的增加而逐步密實(shí)，第1擊沉降量最大，隨后各擊沉降量逐漸減小，6擊以后沉降量基本保持在5 cm以內(nèi)，滿足設(shè)計(jì)要求。
試驗(yàn)段采用單點(diǎn)夯擊次數(shù)8擊強(qiáng)夯時(shí)，夯擊前、后地基土層深度與密度和濕陷性系數(shù)的關(guān)系表明強(qiáng)夯后土層深度增加、濕陷性系數(shù)顯著減小。土層深度為6.5m-7m區(qū)間強(qiáng)夯前后數(shù)值較為接近。地表下6m范圍內(nèi)土層濕陷性系數(shù)在0.001-0.013之間，均小于0.015,判定已完全消除濕陷性，達(dá)到地基處理要求。
注意：強(qiáng)夯處理時(shí)土基的天然含水量宜低于塑限含水量1%-3%。當(dāng)土基天然含水量小于10%時(shí)，夯擊過程中表層土容易松動(dòng)，夯分泌質(zhì)量達(dá)不到設(shè)計(jì)效果;當(dāng)土基含水量過大時(shí)，施工中應(yīng)采取方格網(wǎng)點(diǎn)等間距挖孔填埋生石灰的辦法，將處理深度范圍內(nèi)土的含水量有效降至最優(yōu)含水量范圍，再進(jìn)行強(qiáng)夯處理。
3.灰土擠密樁(多用于橋涵地基處理)
灰土樁擠密樁法是利用成孔時(shí)的側(cè)向擠壓作用，使樁間土得以擠密;隨后將樁孔用灰土分層夯填密實(shí)，稱為灰土擠密法�；彝翑D密樁法與夯實(shí)、碾壓等豎向加密方法不同，屬于橫向加密土層。施工中當(dāng)套管打入地層時(shí)，管周地基土受到了較大的水平向擠密作用，使管周圍一定范圍內(nèi)的地基土的工程物理性質(zhì)得到改善，其密實(shí)度增加、壓縮性降低、濕陷性全部或部分消除。灰土樁擠密地基屬于人工復(fù)合地基，其上部荷載由樁體和樁間擠密土共同承擔(dān)�；彝翗斗ň哂性惶幚�、深層擠密和以土治土的特點(diǎn)，用于處理厚度較大的濕陷性黃土或填土地基時(shí)，可獲得顯著地技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。工程實(shí)例：山西運(yùn)城沃爾瑪商場(chǎng)采用灰土樁擠密樁法處理。土樁和灰土樁法使用于處理地下水位以上的濕陷性黃土、素填土或雜填土地基。處理深度宜為5~15m。
灰土樁擠密樁法處理地基時(shí)的面積，應(yīng)大于基礎(chǔ)或建筑物底層平面的面積，并應(yīng)符合下列規(guī)定。
(1)當(dāng)采用局部處理時(shí)，超出基礎(chǔ)底面的寬度：對(duì)非自重濕陷性黃土、雜填土和素土等地基，每邊不應(yīng)小于基底寬度的0.25倍，并不應(yīng)小于0.50m;對(duì)自重濕陷性黃土地基，每邊不應(yīng)小于基底寬度的0.75倍，并不應(yīng)小于1.00m。
(2)當(dāng)采用整片處理時(shí)，超出建筑物外墻基礎(chǔ)底面外緣的寬度，每邊不宜小于處理土層厚度的1/2，并不應(yīng)小于2m。
(3)樁孔直徑宜為300~450mm，并可根據(jù)所選用的成孔設(shè)備或成孔方法確定。樁孔宜按三角形布置，樁孔間的中心距離，可為樁孔直徑的2.0~2.5倍。
4、石灰土換填
石灰土換填適用于挖方段。當(dāng)挖方深度超過地基土層濕陷深度時(shí)，認(rèn)為基底已不具備濕陷性，不進(jìn)行處理。當(dāng)挖方深度小于土層濕陷深度時(shí)，采取開挖80cm路床、沖擊碾壓基底后換填6%石灰土的處理方法，消除路床范圍內(nèi)土層濕陷性，并形成灰土封閉層，避免匯水滲入基底導(dǎo)致濕陷。
換填石灰土處理方案，開挖及回填土方數(shù)量較大，施工周期長(zhǎng)，易受雨水影響，應(yīng)周密安排施工環(huán)節(jié)，確保施工質(zhì)量。
四、結(jié)語(yǔ)
沖擊碾壓、強(qiáng)夯、灰土擠密樁、石灰土換填、水泥攪拌樁等處理方案能夠有效消除不同濕陷等級(jí)和處理深度范圍內(nèi)黃土濕陷性。在公路建設(shè)過程中，應(yīng)針對(duì)地基土層濕陷情況采用相應(yīng)處理方案，做到有的放矢、對(duì)癥下藥。
參考文獻(xiàn)：
1、 GB 50025-2004《濕陷性黃土地區(qū)建筑規(guī)范》
2、 GB 50202-2002 《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)程》
3、JGJ79-2002，J220-2002《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》
