張家口市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)工程地質(zhì)問題研究及對策

梁　磊

(河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北 張家口 075000)

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張家口市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)工程地質(zhì)問題研究及對策

梁磊

(河北省地礦局第三地質(zhì)大隊(duì)，河北 張家口 075000)

張家口市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)位于河北省張家口市西南部丘陵區(qū)，場地巖土工程地質(zhì)環(huán)境條件較復(fù)雜，針對該區(qū)近幾年來內(nèi)出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題，收集大量的巖土工程地質(zhì)勘察及相關(guān)成功的地基處理成果資料，對區(qū)內(nèi)的基底巖性和地形地貌特征、巖土工程地質(zhì)特征、地下水的滲透運(yùn)移特征等地質(zhì)現(xiàn)象及作用進(jìn)行分析論證，摸索出一套適應(yīng)本地區(qū)工程地質(zhì)環(huán)境的巖土工程處理方法。

工程地質(zhì)問題；地基處理方法

張家口市產(chǎn)業(yè)集聚區(qū)位于張家口市西南，距市區(qū)約10 km，是一個(gè)集礦山、能源、航空、環(huán)保、工程機(jī)械和裝備制造的產(chǎn)業(yè)園區(qū)，園區(qū)原始地形地貌為低中山丘陵區(qū)，目前建設(shè)用地面積已達(dá)30 km2，園區(qū)場地地基土中經(jīng)過對溝谷和溝壑填筑整平改造的填土場地約占70%，園區(qū)內(nèi)投資企業(yè)為了滿足各類建筑物的安全使用，前期主要對填土地基采用了分層壓實(shí)、強(qiáng)夯、換填處理，部分采用素混凝土樁、灰土樁、水泥土樁等復(fù)合地基處理方法，但區(qū)內(nèi)一些建筑場地地基土依然產(chǎn)生了不均勻沉降，地面和建筑物墻體出現(xiàn)了開裂等不良工程地質(zhì)現(xiàn)象，尤其雨季甚為嚴(yán)重。筆者針對出現(xiàn)的問題對區(qū)內(nèi)及周圍工程地質(zhì)環(huán)境進(jìn)行了調(diào)查分析，收集大量的勘察成果和地基處理竣工資料，結(jié)合后期針對不良工程地質(zhì)問題所采取的可行安全的多元化地基處理方法的治理效果，提供了點(diǎn)滴參考經(jīng)驗(yàn)。

1　不良工程地質(zhì)現(xiàn)象特征

1.1建筑物墻體開裂

建筑物墻體產(chǎn)生的張裂縫特征：主要受填土基底地形地貌形態(tài)變化的控制，建筑物墻體走向與填土基底原始地形傾向展布一致的，裂縫沿填土基底坡向斜列式張開，裂縫面延伸方向與基地原始坡面近于垂直相交；建筑物墻體走向垂直或斜交原始地形傾向展布的建筑物，墻體裂縫呈不規(guī)則正“八”字或倒“八”字分布，裂縫長度和張開程度受基底原始斜坡坡面起伏程度大小的影響。

1.2地面沉陷或開裂

經(jīng)強(qiáng)夯、分層碾壓加固處理或采用素混凝土樁復(fù)合地基的場地，降雨后地面出現(xiàn)波狀起伏并伴有錯(cuò)落狀張開裂縫，裂縫有單獨(dú)和群組出現(xiàn)兩種。單獨(dú)裂縫多沿填土基底原始溝谷延伸分布，延伸較遠(yuǎn)，縫兩側(cè)高差明顯，裂縫一般寬度10～50 cm；群組出現(xiàn)的裂縫多出現(xiàn)在填土基底原始斜坡地帶，一般呈串珠狀斷續(xù)分布或多條雁行排列組合分布，延伸方向多與填土基底原始斜坡坡向垂直相交或斜交，延伸長度較短，裂縫一般寬度3～10 cm。

1.3擋土墻水泥或砌磚體根基部位表面白色粉末結(jié)晶和層狀脫落

擋土墻水泥面和磚面有白色粉末狀鎂鹽結(jié)晶，呈波形帶狀浸染附著于護(hù)坡墻體近墻體基礎(chǔ)的表面，水泥和砌磚體呈層狀脫落形成凹槽,墻體塌陷失去擋土功能和承重作用。

2　產(chǎn)生不良工程地質(zhì)現(xiàn)象原因分析

通過對園區(qū)內(nèi)近期五年的經(jīng)地基處理后的數(shù)十幢建筑物及建筑場地出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題的調(diào)查分析，問題產(chǎn)生的主要原因?yàn)椋阂皇桥c填土下伏基巖接觸面的高差變化大小和地形坡度有關(guān)；二是在雨季或融雪季節(jié)地下水位隨地形高差變化產(chǎn)生的水力坡度值的大小及形成地下水滲流強(qiáng)度的變化；三是因填土堆積固結(jié)時(shí)間短、級配差、土質(zhì)不均勻、孔隙比大，細(xì)粒土隨地下水一起產(chǎn)生流動(dòng)；四是因填土和基底基巖中蒙脫石礦物組分的水解膨脹作用；五是填土體孔隙內(nèi)和填土與基巖接觸面上的地下水離子化學(xué)交換作用及pH值。

2.1地形地貌和基底巖性

區(qū)內(nèi)填土基底地層由中生界白堊系泥質(zhì)膠結(jié)的礫巖和砂巖及粘土巖相互沉積構(gòu)成，巖石在干旱氣候環(huán)境條件下沉積形成，地表巖石長期受溫差、風(fēng)蝕和雨蝕的作用，風(fēng)化裂隙不發(fā)育，形成舒緩渾圓狀剝蝕殘丘，大氣降水的滲入條件差，滲入系數(shù)小于0.1，透水性和含水性極差，礫巖膠結(jié)物和粘土巖中的蒙脫石含量高，膠結(jié)程度差，干抗壓強(qiáng)度小于30 Mpa，具壓縮性、膨脹性及軟弱性，軟化系數(shù)小于0.6，基巖裸露斷面上粘土巖與礫巖及砂巖層相比較沿沉積巖層理形成“凹槽”。其巖石構(gòu)成如下：

礫巖：厚層狀，膠結(jié)物為紫紅色砂質(zhì)粘土，粘土礦物以蒙脫石為主，礫石成分為安山巖、凝灰?guī)r及變質(zhì)巖，磨圓度好，粒徑2～20 cm。

粉砂巖：灰色，泥質(zhì)膠結(jié)。

粘土巖：紫紅色，似層狀，蒙脫石粘土礦物含量較高，含鐵、鋁氧化物和氫氧化物較多，遇水膨脹軟化，擾動(dòng)后呈潤滑-粘糊狀，風(fēng)干失水后呈碎片狀風(fēng)化脫落。

2.2填土成分和填土堆積方式

區(qū)內(nèi)溝谷、山坡坡腳低洼處填土均為人工素填土，土的來源為附近丘陵的白堊系礫巖、砂巖、粘土巖及第四系黃土狀粉質(zhì)粘土，由挖掘機(jī)直接挖取經(jīng)大型運(yùn)輸車搬運(yùn)至堆積場地，絕大部分為一次性堆填，個(gè)別場地進(jìn)行了分層碾壓，填筑厚度5～25 m不等，填土體巖性以卵礫、蒙脫石粘土巖及粉質(zhì)粘土為主，未經(jīng)人工級配混合，未經(jīng)粉碎的礫巖、粘土巖團(tuán)塊及粉質(zhì)粘土沿水平方向各自成堆成帶分布、接觸界面近直立呈不規(guī)則曲面，填土巖性構(gòu)成水平向變化大，建筑施工前堆積時(shí)間小于3年，顆粒級配差，土的不均勻系數(shù)，d60/d10〉10，孔隙大小不均且連通性好，壓縮性變化大，濕陷性強(qiáng)烈且濕陷程度不均勻，為雨季降水的垂直滲入形成地下水、產(chǎn)生滲透和水化學(xué)作用提供了條件。

2.3地下水滲透

雨季大氣降水垂直滲入填土中，由于基底白堊系地層滲透性極差，坡前地帶坡度較大、溝谷發(fā)育，基底滲漏損失小，雨季地下水流匯集快、向下游低洼處排泄快，地下水位在填土體內(nèi)迅速抬升，水力坡度變大，水平滲透力增加，土體孔隙水的滲透壓力增高，填土層和下部老土層或基巖的滲透系數(shù)K1/K2比值達(dá)5～6，遠(yuǎn)大于滲透破壞臨界值2，上下新老土層的滲透性差異大，土層的接觸面上產(chǎn)生強(qiáng)烈滲流作用，對地基土產(chǎn)生潛蝕。本區(qū)填土產(chǎn)生潛蝕的臨界水力坡度一般在0.4～0.5(Ic=(ds-1)(1-n)+0.5n)。礫巖碎裂形成的空隙容水空間大、空隙連通性好，填筑的粗粒土和細(xì)粒土接觸面坡度大不規(guī)則，這樣就在填土體中造成水的不均勻滲透，部分地段水力坡度遠(yuǎn)大于產(chǎn)生滲透變形的臨界水力坡度。造成雨季填土地基地下水滲流速度和強(qiáng)度增大且分布極不均勻，將空隙中膠結(jié)程度差的細(xì)粒土沖涮-搬運(yùn)-帶走，使地下水粘粒含量增高變渾濁，增加了填土的孔隙率和孔隙直徑及連通性。

填土基底未經(jīng)整治，在挖山整平時(shí)原地貌未經(jīng)改造成階梯狀形態(tài)，在原地貌形態(tài)變化大、巖性變化大、風(fēng)化層及含腐殖質(zhì)松散土壤層未經(jīng)清理就進(jìn)行回填，這樣填筑的巖土體與下伏基底地層之間的軟弱面極易產(chǎn)生地下水滲流侵蝕。

2.4巖石和填土體的軟化水解

由于填土來源于附近基巖體，土質(zhì)受剝離母巖巖性的控制，填土中紅粘土和礫石未經(jīng)混合，不同巖性的土體堆積體各自相對獨(dú)立集中。含蒙脫石的紫紅色粘土巖持水性強(qiáng)、滲透性差，遇水膨脹軟化，具觸變性，吸水后產(chǎn)生軟化現(xiàn)象，表面結(jié)成糊狀，失水后收縮-崩解失去強(qiáng)度。

2.5地下水化學(xué)作用

由于填土來源于附近的白堊系碎屑巖類，干旱條件下形成的紫紅色粘土體及膠結(jié)物中的鐵、鋁氫氧化物含量高，大氣降水滲入地下后，形成的孔隙水與土體的離子交換律高達(dá)30%。在這種地球化學(xué)環(huán)境條件下，填土體的孔隙度大、連通性好，為地下水的運(yùn)移、儲(chǔ)存、水化學(xué)交換作用提供了空間。地下水在對填土的溶解作用中形成一個(gè)偏堿性環(huán)境，pH值約在8.5～9之間，粘土中的鈣(Ca++)離子與地下水中的鈉(Na+)鎂(Mg++)離子產(chǎn)生陽離子交換作用，土粒表面弱吸附水薄膜厚度增大，堿性狀態(tài)下粘土易被離散破壞，土粒間的相互吸附膠結(jié)力降低，粘粒懸浮性增強(qiáng)浮于水中被滲流帶走，增加了填土空隙中土粒的遷移量。當(dāng)?shù)叵滤疂B出地表聚集的低洼處時(shí)，由于蒸發(fā)作用的結(jié)果使水中鹽分結(jié)晶對建筑材料產(chǎn)生侵蝕危害作用，降低了建筑物的使用壽命。

3　應(yīng)對措施

為了保證建筑場地地基的穩(wěn)定性，在進(jìn)行勘察工作時(shí)主要著重探明填土場地基底原始地形地貌形態(tài)特征、填土方法、填土巖性構(gòu)成及地下水等，查明填土的濕陷性、不均勻性、滲流變形性、潛蝕變形性。然后根據(jù)不同的工程地質(zhì)條件選用不同的地基和基礎(chǔ)方案，以保證地面建筑物的長期安全使用。

3.1巖土工程勘察要點(diǎn)

3.1.1勘探孔布置

宜采用人工探井和沖擊鉆探進(jìn)行勘查，忌用泥漿鉆進(jìn)，勘探點(diǎn)間距宜控制在15～20 m，控制性探孔深度應(yīng)揭穿基底基巖強(qiáng)風(fēng)化帶或第四系黃土狀土進(jìn)入紅粘土層，一般鑒別孔應(yīng)穿透填土層。

3.1.2巖性鑒別及室內(nèi)土工試驗(yàn)數(shù)理統(tǒng)計(jì)成果的應(yīng)用

巖性描述中巖土體的顏色、濕度、塑性狀態(tài)、顆粒粒徑及充填物要描寫清楚，通過室內(nèi)試驗(yàn)物理指標(biāo)在勘探場區(qū)圈定高含水量和濕陷分級分布區(qū)。

3.1.3探明填土區(qū)基底形態(tài)

探明填土基底的埋藏深度，繪制基底標(biāo)高等值線圖，探明原始地形地貌，查明基底表面老土、填土巖性。

3.1.4地下水

探明地下水水位、水質(zhì)、透明度，繪制地下水流場圖，查明流向、水力坡度，水位隨降雨升降的變化速度和幅度，采取地下水水樣和土樣進(jìn)行化學(xué)分析。

3.2適應(yīng)本地區(qū)的地基處理方法

針對研究區(qū)填土構(gòu)成復(fù)雜、基地起伏變化大、季節(jié)性地下水滲透作用強(qiáng)等不良地質(zhì)作用現(xiàn)象明顯，選擇單一的地基處理方法是難以解決可能出現(xiàn)工程地質(zhì)問題，所以必須依據(jù)查明的工程地質(zhì)條件，分析可能出現(xiàn)的地質(zhì)問題，采用科學(xué)合理的地基處理方案，才能有效地處理好各類工程地質(zhì)問題，避免不良工程地質(zhì)現(xiàn)象的出現(xiàn)，保證建筑物的安全。在地基處理方案選擇中，需要采用多種地基處理方法構(gòu)成的多元復(fù)合地基，每一種地基處理方法在復(fù)合地基中起著專項(xiàng)作用。

3.2.1樁基或素混凝土樁

主要承擔(dān)著豎向傳遞上部荷載的作用，樁基礎(chǔ)使樁端和樁側(cè)巖土層通過樁身承受地面荷載；素混凝土樁復(fù)合地基主要是通過樁身使樁端和樁側(cè)巖土層通過樁身承受大部分地面荷載，樁間土也承受小部分地面荷載，樁直徑宜控制在400～600 mm。

3.2.2素土、灰土、水泥土擠密樁

主要是對地基土層進(jìn)行擠密加固，消除土的濕陷性，降低土的孔隙比，提高土的密實(shí)度，形成樁土共同承載上部荷載的復(fù)合地基。

3.2.3換填分層壓實(shí)

主要是對地基淺部填土層進(jìn)行加固，消除地基土的濕陷性，提高土的密實(shí)度和承載力。

3.2.4水泥漿高壓注漿加固

針對填土的大孔隙比、不均勻性、基底地形變化大、雨季地下水變化大并伴隨著強(qiáng)烈的滲透作用和水化學(xué)作用等，對換填壓實(shí)土層和基礎(chǔ)底以下填土層或樁間土層進(jìn)行高壓滲透注漿，強(qiáng)制將水泥漿注入土體孔隙中，同一建筑場地的注漿頂界要保持統(tǒng)一的標(biāo)高，底界至填土基底老土層或基巖面。其作用一是將孔隙中的部分氣體排出降低填土層的孔隙比；二是通過水泥水解和水化反應(yīng)所生成的水泥水化物與土顆粒發(fā)生離子交換、團(tuán)?；饔?、碳酸化反應(yīng)及硬化凝固等一系列物理-化學(xué)作用，形成有一定強(qiáng)度和水穩(wěn)性好的加固土體；三是降低了填土中地下水的水力坡度，使填土的滲透性和地下水的滲透力及地下水滲透過程中與土顆粒之間的離子交換量降低或消除；四是消除了填土體在地下水的作用下沿基底斜坡面產(chǎn)生滑移可能；五是提高了樁間土與樁體及基底土層緊密結(jié)合，充分發(fā)揮出復(fù)合地基整體承擔(dān)建筑物荷載的作用。這樣針對不同的建筑物用途、基礎(chǔ)，選用不同的復(fù)合地基類型，便可以解決遇到的不同工程地質(zhì)問題。

4　基礎(chǔ)和復(fù)合地基方案

4.1樁基礎(chǔ)

適用多層和高層建筑，直接將地面建筑物豎向荷載傳遞到填土基底巖層或老土層，抗水平力強(qiáng)，避免了基底地形起伏變化大、地下水滲透作用強(qiáng)、地基土不均勻的不良影響，在基巖埋藏較淺的地帶采用人工挖孔灌注樁，基巖埋藏較深的地帶采用旋挖成孔灌注樁，樁徑宜控制在600～1 200 mm，樁端入巖深度不小于0.5倍樁徑。

4.2復(fù)合地基

4.2.1換填與注漿加固相結(jié)合

適應(yīng)處理廠房車間、倉庫場地填土地基，其填土基底較為平緩，先對上部填土進(jìn)行換填分層壓實(shí)，然后對換填土層下的填土進(jìn)行注漿加固。

4.2.2素混凝土樁與素土(水泥土)樁相間布置

適應(yīng)多層建筑，在老土層埋藏較淺且原始地形地貌平緩的填土地帶，素混凝土樁徑宜控制在400～600 mm，樁端入老土層深度已根據(jù)上部荷載確定；素土樁樁徑400～500 mm為宜，樁深不小于填土深度，作用是對淺部填土地基進(jìn)行擠密。

4.2.3素混凝土樁與素土(水泥土)樁相間布置結(jié)合注漿加固

適應(yīng)原始地形為山麓斜坡地帶和基底起伏較大的填土場地，為防止地下水沿填土底界面運(yùn)移產(chǎn)生強(qiáng)烈的滲透作用和土體發(fā)生蝕變變形，因此在采用素混凝土樁與素土樁消除填土濕陷性及提高地基承載力的基礎(chǔ)上，素混凝土樁應(yīng)崁入老地層一定深度，當(dāng)基底坡度較大時(shí)，為了防止雨季地下水滲透產(chǎn)生的水平力對素混凝土樁的影響作用，須在擠密加固層層底以下填土進(jìn)行高壓注漿，增加下部樁間土層對素混凝土樁體的束縛力，有效發(fā)揮復(fù)合地基的整體性作用。

4.2.4素混凝土樁結(jié)合注漿加固

適應(yīng)大面積的獨(dú)立基礎(chǔ)或柱下帶基礎(chǔ)工業(yè)廠房、倉儲(chǔ)車間，在對整個(gè)填土場地進(jìn)行強(qiáng)夯或分層碾壓后，在基礎(chǔ)下設(shè)計(jì)施工素混凝土樁復(fù)合地基，然后再對基礎(chǔ)以下填土層進(jìn)行注漿加固，其目的是防治雨季地下水位抬高產(chǎn)生的滲透破壞作用，提高整個(gè)場地的地基穩(wěn)定性，防止不均勻沉降、地面塌陷和開裂。

4.3擋土墻防水蝕措施

墻體內(nèi)設(shè)置排水孔，墻體內(nèi)側(cè)墻面涂抹或鋪設(shè)防水材料，內(nèi)置反濾層保證墻體內(nèi)土體在雨季排水暢通、無積水。

5　結(jié)語

研究區(qū)原始地貌起伏較大且?guī)r性構(gòu)成復(fù)雜，所產(chǎn)生的諸多工程地質(zhì)問題，究其原因主要是:原巖中蒙脫石礦物含量高滲透性極差且膨脹收縮性較強(qiáng)、填土區(qū)填土均取自于原始基巖、填筑時(shí)也未經(jīng)過粉碎混合分層碾壓、基底坡度大的地帶也未進(jìn)行削坡整平、填土與基底的滲透能力差別懸殊、雨季填土中的地下水在地形的作用下在短時(shí)間內(nèi)形成的水力坡度大是造成研究區(qū)幾年來出現(xiàn)的工程地質(zhì)問題的主要原因。

我們在探明該區(qū)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件的基礎(chǔ)上，認(rèn)真分析地質(zhì)資料，制定了科學(xué)合理、切實(shí)可行的地基整治方案，通過施工和施工后的動(dòng)態(tài)觀測，摸索出了適應(yīng)該地區(qū)的地基處理方法。

[1]河北省地質(zhì)局第三地質(zhì)大隊(duì).河北省張家口洋河盆地水文地質(zhì)詳查報(bào)告.1990.

[2]牛志榮，等.復(fù)合地基及其工程實(shí)例[M].北京：中國建材出版社.2000.10.

[3]葉書麟.地基處理工程實(shí)例應(yīng)用手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社.1998.

[4]龔曉南.地基處理手冊(第三版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社.2008.

[5]劉德貴.四川綿陽市地區(qū)工程地質(zhì)研究.山西建筑.2007(10).

2016-04-28

梁磊(1986-)，男，河北唐山人，技術(shù)員，主要從事工程地質(zhì)勘察工作。

P642.4

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1004-1184(2016)05-0187-03