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湿陷性黄土地基湿陷机理及地基处理方法
［摘要］本文通过湿陷性黄土地基的湿陷性以及湿陷机理分析，对湿陷类别和等级的判别，提出对湿陷性黄土地基处理的方法及质量检测与控制在施工中的建议。
关键词：湿陷性黄土；湿陷机理；地基处理；质量控制
1前言
湿陷性黄土泛指饱和的结构不稳定的黄色土，在自重压力或自重压力与附加压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，发生显著下沉的现象。它的这种特性，会对结构物带来不同程度的危害，使路基及结构物大幅度沉降、折裂、倾斜，严重影响其安全和使用。
2黄土的湿陷机理
湿陷性黄土按其湿陷机理可分为高可溶盐的湿陷性黄土和高空隙率的湿陷性黄土，由于这两类湿陷性黄土的湿陷性机理不同，因此应对湿陷性黄土地基有可靠的鉴定和正确的认识，并采取必要的工程措施防止或消除它的湿陷性。
湿陷性黄土除了具备黄土的一般特征外，粒度成份以粉土颗粒为主，约占50%以上，具有肉眼可见的孔隙，它呈松散、多孔结构状态，孔隙比很大，天然剖面上具有垂直节理，含可溶盐(碳酸盐、硫酸盐类等)较多。垂直大孔性、松散多孔结构和遇水即降低或消失的土颗粒间的加固凝聚力是它发生湿陷的内部因素，而压力及水是外部条件。关于黄土湿陷性的鉴别，地基湿陷程度的判别，可以室内压缩实验为主，并以此提出工程上评价湿陷性的定量指标。湿陷系数δs。如图1
图1黄土压缩实验曲线
式中：h0—土样的原始高度(m)；
hp—土样在无侧向膨胀条件下，在规定实验压力P的作用下压缩稳定后的高度(m)；
hp′—对在压力作用下的土样进行浸水到达湿陷稳定后的土样高度(m)。
湿陷系数δs为单位厚度土层由于浸水在规定压力产生的湿陷量，它定量地表示了土样所代表黄土层的湿陷程度，所以规范规定，在一定压力作用下，δs≥0.015时应定为湿陷性黄土，否则应定为非湿陷性黄土。另外，黄土的湿陷性与所受的压力大小有关，使黄土产生湿陷临界压力称为湿陷起始压力Ps不同的黄土其Ps不同。若Ps小于上覆土的饱和自重时，则该土层在上覆土层自重压力的作用下受水即刻发生湿陷，称为自重湿陷性黄土。如果土的Ps大于上覆土的饱和自重，则土层在上覆土自重压力作用下，并不发生湿陷，称为非自重湿陷性黄土。自重湿陷性黄土受水浸湿后，湿陷现象比较明显且严重，在自重湿陷地区发生的结构物事故较多，特别是我省陇东、陇西地区。
为了正确反映湿陷性黄土地层的湿陷程度，并联系结构物和地基实际，合理地采用有效的防护措施，可用地基内各土层的湿陷系数，求得地基的计算湿陷量△s。
△s＝∑δsi﹕i·hi
式中：δsi﹕i—地基内第I层湿陷性黄土的湿陷系数；
hi—第I层湿陷性黄土的厚度(m)。
湿陷性黄土地基的湿陷等级如表1。
表1湿陷性黄土地基的湿陷等
级地基的计算湿陷量(m) 湿陷等级
0.05＜△s≤0.15 Ⅰ
0.15＜△s≤0.35 Ⅱ
△s＞0.35 Ⅲ
△s只是湿陷性黄土地基的定性指标，它并不代表地基的真实湿陷量。由于我国黄土上部土层的湿陷性比下部土层大，而地基上部土层受水浸湿的可能性又较大，因此在上式中地基的计算湿陷土层厚度一般定为从基底算起至其下5m为止。由于被地下水浸泡的那部分黄土层一般不具有湿陷性，当5m内已见地下水，则算至平均年地下水位为至。在5m深度内如有非湿陷性黄土层，则不将此层土的湿陷量累计在内。湿陷性黄土地基的湿陷等级越高浸水后可能产生的湿陷量就越大，对结构物的危害也越大，因此设计措施要求也越高。
另外，我国建筑规范还规定当基底下面土层包含有自重湿陷性黄土，可按下式判别是否属自重湿陷性地基。
△zs＝∑δ2si·hi
式中：△zs—地基的计算自重湿陷量(m)；
﹝si—第I层土在上覆土的饱和自重压力下，测得自重湿陷系数；
hi—第I层土的厚度(m)。
上式计算深度可自基础底面算至基下10m为止。但其中△zs﹝s＜0.015的土层不累计。
根据大量的室内外试验对比确定，当△zs≤0.07m时可定为非自重湿陷性黄土地基；△zs＞0.11m时为自重湿陷性黄土地基；△zs为0.07—0.11m时，可结合当地实践经验确定。
在黄土地区修建结构物，应首先考虑选用非湿陷性黄土地基，它较经济可靠，如确定基础位于湿陷性黄土上，则应尽量利用非自重湿陷性黄土地基，因为这种地基的处理与自重湿陷性黄土地基相比，要求较低。
3湿陷性黄土地基的处理方法
湿陷性黄土地基处理的方法很多，在不同的地区，根据不同的地基土质和不同的结构物，地基处理应选用不同的处理方法。在勘察阶段，经过现场取样，以试验数据进行分析，判定属于自重湿陷性黄土还是非自重湿陷性黄土，以及湿陷性黄土层的厚度、湿陷等级、类别后，通过经济分析比较，综合考虑工艺环境、工期等诸多方面的因素。最后选择一个最合适的地基处理方法，经过优化设计后，确保满足处理后的地基具有足够的承载力和变形条件的要求。所采用的有垫层法、强夯法、灰土桩挤密法、深层搅拌桩法、振冲碎石桩法等。本文根据近几年在公路建设中所见所闻，浅述一些自己的看法和建议与同行共同讨论。
3.1灰土和素土垫层法
3.1.1将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖至预计的深度，然后以灰土或素土分层回填夯实。垫层厚度一般为1.0～3.0m。它消除了垫层范围内的湿陷性，减轻或避免了地基因附加压力产生的湿陷，可以使地基的自重湿陷表现不出来。这种方法施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层处理或部分湿陷性处理方法，经这种方法处理的灰土垫层的地基承载力可达到300KPa(素土垫层可达200KPa)且有良好的均匀性。
3.1.2施工中应注意的问题：(1)地基土的含水量，对于含水量较大，或曾局部基坑进水者，要采取相应的措施(如凉晒等)，严格控制灰土(或素土)的最佳含水量，对接近最佳含水量时，宁小勿大，偏大时土体强度则显著下降，变形明显增大。(2)垫层处理的宽度要达到规范要求，使碾压设备能充分碾压到位，还使形成的垫层压实度产生差异。(3)严把质量关，施工中碾压分层的厚度不宜大于30cm，并逐层检测压实度，达到设计规范要求。
3.2强夯法
3.2.1强夯法亦称动力固结法，通过重锤的自由落下，对土体进行强力夯实，以提高其强度，降低其压缩性，该法设备简单，原理直观，适用广泛，特别是对非饱和土加固效果显著。这种方法加固地基速度快，效果好，投资省，是当前最经济简便的地基加固方法之一。
3.2.2施工中注意的问题
(1)首先在设计阶段，应考虑湿陷性黄土处于哪一种类别、等级，以及场地等因素，因为强夯的夯击能量，夯点布置，夯击深度，夯击次数和遍数等因场地而异，土的含水量、孔隙比及夯击的单位面积夯击能对湿陷性黄土的强夯有效加固深度起着重要的作用。在经过试夯后确定出设计参数，确定施工设计方案，因此不经试夯确定施工参数往往会给工程造成后患。
(2)由于强夯影响深度内土的含水量差异，会导致局部处理效果不佳，对于此种情况必须采取土的增湿或减湿措施，以免出现橡皮土情况。如有此种情况，应立即停止夯击，当凉晒一定时间后，在夯击坑内加入碎石类的粗骨料，继续夯击。
(3)施工中在控制关键工序上严把质量关，因为一份设计提供后，锤重、落距、夯点布置等是没有随意性的，而唯一可能被人为改变的是夯击次数，因在试夯时根据最后夯击的沉降量来确定夯击次数的，当别的参数已确定后，它就成为影响处理的唯一因素，所以施工中应以它为质量控制的关键工序管理点。
(4)强夯结束后，检测的重点是判定它的有效加固深度是否达到设计要求，因为有效加固深度的第一标准应是消除湿陷性，也就是以δs＜0.015作为判别指标。所以检验手段应采用探井取不扰动土试样进行检测。当这一指标达到要求后，一般情况下对承载力的要求等也均可满足。
3.3深层搅拌桩法
3.3.1探层搅拌桩是复合地基的一种，近几年在黄土地区应用比较广泛，可用于处理含水量较高的湿陷性弱的黄土。它具有施工简便、快捷、无振动，基本不挤土，低噪音等特点。
深层搅拌桩的固化材料有石灰、水泥等，一般都采用后者作固化材料。其加固机理是将水泥掺入粘土后，与粘土中的水分发生水解和水化反应，进而与具有一定活性的粘土颗粒反应生成不溶于水的稳定的结晶化合物，这些新生成的化合物在水中或空气中发生凝硬反应，使水泥有一定的强度，从而使地基土达到承载的要求。
深层搅拌桩的施工方法有干法施工和湿法施工两种，干法施工就是“粉喷桩”，其工艺是用压缩空气将固化材料通过深层搅拌机械喷入土中并搅拌而成。因为输入的是水泥干粉，因此必然对土的天然含水量有一定的要求，如果土的含水量较低时，很容易出现桩体中心固化不充分、强度低的现象，严重的甚至根本没有强度。在某些含水量较高的土层中也会出现类似的情况。因此，应用粉喷桩的土层中含水量应超过30%，在饱和土层或地下水位以下的土层中应用更好。
湿法施工是将水泥搅拌成浆后注入土中的方法。水泥浆通过柱塞式泥浆泵强制注入，除非特殊情况很少断浆，施工中一般采用预搅下沉时就喷浆的工艺，因此桩体的均匀性比干法施工好。但喷浆增加了水泥土的含水量，强度会受到一定影响，实际应用时需根据土的工程性质，尤其是含水量情况作出适当的选择。
3.3.2施工中应注意的问题
(1)必须在设计或施工中采取有效措施来保证搅拌桩复合地基各参数能达到各自的设计值，否则设计的可靠度会降低，如桩端为硬土，或桩长超过临界桩长时， (桩间土承载力拆减系数)取值高于规定，就必须采取设置褥垫层或其他方法使桩间土发挥较高的强度，选用较高的桩体强度时，就必须采取增加水泥用量、掺加外加剂、复搅等措施，才能保证设计与预期的实际结果比较一致。
(2)施工中为达到强度要求，有必要进行复搅。复搅是在桩的一部分或桩的全长重复搅拌一次，其作用是：①改善桩体的均匀性，如第一次注浆不均匀时，可通过复搅调节，提高桩长方向上的均匀程度，同时，也使桩截面内的均匀性得到改善。②现场不同桩段有不同的水泥掺入比，使不同桩段有不同的桩身强度。
(3)加强施工管理，因为桩体的固化材料需由压缩空气作载体，而气体流速、流量受土层情况的影响，人工难以调节，所以施工机械应采用带有自动控制喷浆、喷粉的装置，以消除施工中一些人为因素，便于监督检查，避免由于喷浆和喷粉不均匀或者喷浆量、喷粉量未达到设计要求而发生断桩问题。
(4)现场施工中应勤于检查，严格监督。深层搅拌桩属于一种柔性桩，桩身检测较困难，施工时质量有疏忽，就可能发生断桩现象。目前用低应变动测法检测搅拌桩的质量得到了肯定，可用此法或结合抽芯取样检测法控制质量。
4 结语
上述几种湿陷性黄土地基的处理方法，近年来在公路建设中被广泛使用，都取得了良好的效果。随着科学技术的迅速发展，对新型材料的研究使用，对湿陷性黄土地基的处理方法越来越多，也有了一定的施工经验。在近十几年开始采用的有孔内深层强夯法CFG(水泥粉煤灰碎石桩)法、夯坑置换法、压力灌浆法等，都不失为好方法。但不管是采用那种方法，只要有严密的质量控制手段，都可能经济而有效地获得期望的效果。笔者在本文中的一些看法是基于几年公路建设中的见闻积累，文中有不妥之处，望行业同仁指正。
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