濕陷性黃土工程性質(zhì)及其地基處理方法簡述

史宏民

（山西省水利建筑工程局，山西 太原 030006）

天然黃土在一定壓力下充分浸水后，其結(jié)構(gòu)迅速破壞而發(fā)生顯著附加下沉的現(xiàn)象稱為濕陷。濕陷是黃土區(qū)別于其他類土的一個非常重要的特性，受黃土的微結(jié)構(gòu)、物質(zhì)成分、孔隙比、含水率、壓應(yīng)力等因素影響。黃土濕陷性問題一直是黃土地區(qū)的一個典型的工程地質(zhì)問題。近年來，對黃土濕陷處理的研究越來越成為學(xué)術(shù)界和工程界關(guān)注的焦點(diǎn)。下面從濕陷性黃土的定義和特點(diǎn)，濕陷性黃土的工程性質(zhì)及濕陷性黃土地基處理方法等方面對其做一些簡單分析。

1 濕陷性黃土的定義和特點(diǎn)

1.1 黃土及濕陷性黃土的概念

黃土按成因可分為原生黃土和次生黃土。原生黃土是一種在半干旱氣候條件下以風(fēng)力搬運(yùn)沉積的、粉質(zhì)的、無層理并具有針狀大孔和垂直節(jié)理的特殊土，通常為褐黃、灰黃或黃褐色，含有碳酸鹽類。次生黃土又稱黃土狀土，是原生黃土經(jīng)受非風(fēng)力擾動、搬運(yùn)和沉積而成的，常具有層理和夾有砂、礫石層。

黃土在天然狀態(tài)下往往具有較高的強(qiáng)度和較低的壓縮性。黃土遇水浸濕后，凡是在上覆土自重壓力或附加壓力共同作用下，發(fā)生顯著附加沉陷的統(tǒng)稱為濕陷性黃土，否則就稱為非濕陷性黃土。即使在自重壓力作用下也會發(fā)生顯著濕陷的稱為自重濕陷性黃土，在自重壓力作用下雖未發(fā)生濕陷，但在附加壓力下發(fā)生濕陷的稱為非自重濕陷性黃土。

1.2 濕陷性黃土主要特點(diǎn)

黃土在我國西北和華北等地分布很廣，總面積約64萬km2，其中濕陷性黃土占我國黃土地區(qū)總面積的60%以上，而且多出現(xiàn)在地表上層，多屬晚更新世（Q3）和后更新世（Q4）。濕陷性黃土主要有以下特點(diǎn)：顏色呈棕黃、灰黃或黃褐色，天然剖面上垂直裂隙發(fā)育，孔隙比一般較大，常具有肉眼可見的大孔隙；顆粒組成以粉粒（0.05～0.005 mm）為主，其含量達(dá)50%以上；含碳酸鹽或硫酸鹽成分，有時含有鈣質(zhì)結(jié)核；水理性敏感，受水浸濕后易產(chǎn)生附加沉陷。

2 濕陷性黃土的工程性質(zhì)

2.1 濕陷性的判定及其程度劃分

黃土的濕陷性是黃土最重要的工程特性。為了判定黃土是否具有濕陷性以及濕陷性程度如何，需進(jìn)行室內(nèi)無縮試驗確定黃土的濕陷系數(shù)δs，然后根據(jù)δs值的大小加以判定。

式中：hp——保持天然濕度和結(jié)構(gòu)的土樣，加壓至變形時穩(wěn)定后的高度；

hp′——上述加壓穩(wěn)定后的土樣在浸水作用下變形穩(wěn)定后的高度；

h0——土樣的初始高度。

當(dāng)δs＜0.015時，定性為非濕陷性黃土；當(dāng)δs≥0.015時，定性為濕陷性黃土。

按δs值大小可將濕陷性黃土分為三類：當(dāng)δs＜0.03時，為輕微濕陷性；當(dāng)0.03≤δs<0.07時，為中等濕陷性；當(dāng)δs>0.07時，為強(qiáng)烈濕陷性。

2.2 濕陷性黃土在物理力學(xué)性能指標(biāo)上的特點(diǎn)

2.2.1 顆粒組成

濕陷性黃土的顆粒組成以粉粒（0.05～0.005 mm）為主，含量達(dá) 50%～75%；其次為砂粒（>0.05 mm），占10%～30%；黏粒（<0.005 mm），占8%～25%。

2.2.2 界限含水率

濕陷性黃土的液限一般為22%～35%，塑限一般為14%～20%，塑性指數(shù)大多在9～12之間。液性指數(shù)常在0上下波動，所以大多數(shù)濕陷性較高的黃土處于堅硬或硬塑狀態(tài)。

2.2.3 比重、容重及孔隙比

濕陷性黃土的顆粒比重在2.55～2.85之間，在我國由西北向東南呈逐漸增加趨勢。

濕陷性黃土的天然容重一般為13.5～19.0 kN/m3，干容重一般為11～16 kN/m3，干容重超過15 kN/m3以上時，濕陷性一般很弱或無濕陷性。

濕陷性黃土的孔隙比一般較高，其變化范圍為0.8～1.24，大多為 0.9～1.1。

2.2.4 含水率和飽和度

濕陷性黃土的天然含水率一般較低，且其他條件不變時，含水率愈低，濕陷性愈強(qiáng)烈，隨著含水率的增大，濕陷性逐漸減弱。通常含水率超過23%時，就不再具濕陷性或濕陷性很弱，相應(yīng)土的壓縮性增高。

濕陷性黃土的飽和度的變化范圍為17%～77%，多數(shù)為40%～50%，當(dāng)飽和度接近80%時，濕陷性基本消失。

2.2.5 壓縮性

濕陷性黃土在天然狀態(tài)下壓縮性較低，遇水后壓縮性增高。我國黃土的壓縮系數(shù)一般為0.1～1.0。壓縮系數(shù)的大小與濕陷性黃土形成的地質(zhì)年代有關(guān)，一般在中更新世（Q2）時期形成的多屬低壓縮性或中等偏低壓縮性，在Q3及Q4時期形成的多屬中等壓縮性或中等偏高甚至高壓縮性，而在Q42時期形成的新邁堆積黃土則多屬高壓縮性。

2.2.6 抗剪強(qiáng)度

天然狀態(tài)下，用直剪固接快剪測得的濕陷性黃土黏聚力一般為 15～30 kPa，內(nèi)摩擦角為 17°～30°。

2.2.7 滲透性

濕陷性黃土的滲透性呈現(xiàn)明顯的各向異性。一般室內(nèi)試驗測得飽和滲透系數(shù)在垂直向為（0.16～0.33）×10-5cm/s，水平向為（0.1～0.83）×10-6cm/s。原位試驗和室內(nèi)試驗結(jié)果相差很大，原位試驗測得的滲透系數(shù)為1～15 m/d，接近粉細(xì)砂水平。

3 濕陷性黃土地基處理的主要方法

為確保濕陷性黃土地區(qū)路基與結(jié)構(gòu)物安全及正常使用，根據(jù)現(xiàn)場工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣候條件等特點(diǎn)，常需對黃土地基進(jìn)行處理。其目的是改善土的性質(zhì)，減少土的滲水性、壓縮性，控制其濕陷性的發(fā)生，部分或全部消除其濕陷性，濕陷性黃土地基處理的方法很多。在不同的地區(qū)，根據(jù)不同的地基土質(zhì)和不同的結(jié)構(gòu)物，地基處理應(yīng)選用不同的處理方法。主要有以下幾種：

3.1 換土墊層法

換土墊層法原理：當(dāng)軟弱土地基承載力和變形滿足不了建筑物的要求，而軟弱土層的厚度又不是很大時，將基礎(chǔ)底面以下處理范圍內(nèi)的軟弱土層部分或全部挖去，然后分層換填強(qiáng)度較大的砂、碎石或灰土等性能較穩(wěn)定、無侵蝕的材料，并夯擊、碾壓至密實。

工程中常用的墊層有：砂墊層、砂卵石墊層、碎石墊層、灰土或素土墊層、煤渣墊層及其他性能穩(wěn)定、無侵蝕性的材料做成的墊層。

3.2 素土擠密樁法

素土擠密樁是利用沉管、沖擊等方法將鋼管打入土中側(cè)向擠密成孔，然后在孔中分層填入土夯實而成的樁，它與周邊土共同組成復(fù)合地基，承受上部荷載。

素土擠密樁的主要特點(diǎn)有：第一，素土擠密樁成樁時為橫向擠密，同樣達(dá)到所要求的干密度指標(biāo)，可消除地基土的濕陷性，提高承載力，降低壓縮性。第二，與換土墊層相比，不需大量開挖回填土方工程量；處理深度較大，可達(dá)12～15 m；成樁材料可就地取材，降低工程造價。

3.3 強(qiáng)夯法

強(qiáng)夯法是用起重機(jī)械將80～400 kN的夯錘起吊到6～30 m高度后，將夯錘自由落下，產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊能量，對地基進(jìn)行強(qiáng)力夯實，從而提高地基承載力，降低壓縮性。

強(qiáng)夯法的主要特點(diǎn)有：施工工藝和施工設(shè)備簡單，適用土質(zhì)范圍廣，加固效果顯著，可獲得較高的承載力。具有工效高、施工速度快、節(jié)省加固原材料、施工費(fèi)用低、耗用勞動力少等優(yōu)點(diǎn)。

強(qiáng)夯法施工技術(shù)參數(shù)包括單位夯擊能、夯擊點(diǎn)的布置及間距、單點(diǎn)夯擊擊數(shù)與夯擊遍數(shù)、夯擊間隔時間、處理范圍、加固影響深度。

3.4 振沖碎石樁法

振沖碎石樁法是在地基中借振沖器成孔，振密填料置換，形成以碎石、砂礫等散粒材料組成的樁體，與原地基土一起構(gòu)成復(fù)合地基，使其排水性能得到很大改善，加速土層固結(jié)，使承載力提高，沉降量減少。

主要特點(diǎn)有：技術(shù)可靠，機(jī)具設(shè)備簡單，操作技術(shù)易于掌握，施工簡便；可節(jié)省三材，因地制宜，就地取材，可利用碎石、卵石、砂、礦渣等作填料；加固速度快，節(jié)約投資，碎石樁具有良好的透水性，加速地基固結(jié)，地基承載力可提高1.3～1.35倍。

3.5 深層攪拌樁法

深層攪拌樁法分為高壓噴射注漿法與水泥土攪拌法。

高壓噴射注漿法又稱施噴法，是利用鉆機(jī)把帶有特殊噴嘴的注漿管鉆進(jìn)至土層的預(yù)定位置后，用高壓脈沖泵，將水泥漿液通過鉆桿下端的噴射裝置，以高速高壓射流噴入土體，沖擊切削土層，使噴射流射程內(nèi)的土體遭到破壞。同時，鉆桿邊轉(zhuǎn)動邊提升，使土體與水泥漿充分?jǐn)嚢杌旌?，凝聚固結(jié)后即在地基中形成一定強(qiáng)度的水泥土混合體，從而使地基得到加固。

水泥土攪拌法利用水泥（石灰）等材料作為固化劑，通過深層攪拌機(jī)在地基深部就地將軟土和固化劑（漿體或粉體）強(qiáng)制拌和，利用固化劑和軟土發(fā)生一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使其凝結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)性好和較高強(qiáng)度的水泥土（灰土），與天然地基形成復(fù)合地基。水泥土攪拌法的特點(diǎn)是：在地基加固過程中無振動、無噪音、無污染；對被加固土體側(cè)向擠壓，對鄰近建筑物影響很?。挥行岣叩鼗鶑?qiáng)度；施工工期短，造價低廉。