湿陷性黄土桩基技术处理方法探讨

陈 翔 张超越

摘 要: 我国分布有大面积的湿陷性黄土,以覆盖广、厚度大著称于世。湿陷性黄土中的桩基在浸水后产生的技术问题早已为工程界所重视,随着国家建设规模的扩大,在大厚度湿陷性黄土中的桩基越来越多。分析了大直径空心混凝土灌注桩在处理湿陷性黄土地基中的应用,并进行了湿陷性黄土地基处理的方法探讨。

关键词: 湿陷性黄土桩基;技术处理;方法

中图分类号: TU473

1 背景介绍

我国是世界上黄土面积分布最广泛的国家之一,其中约占3/4的黄土为湿陷性黄土。其最主要的特性是在土的白重压力或自重压力与附加压力共同作用下受水浸湿而产生的大量而急剧的附加下沉,会在桩侧表面产生的负摩阻力。负摩阻力不但不会对桩的荷载起抵抗作用,成为附加于桩侧表面的下曳荷载。因此在湿陷性黄土地区开展浸水过程中校侧负摩阻力的研究具有重要的意义。

湿陷性黄土中校的负摩阻力与浸水时桩顶有无荷载有关,桩顶无荷载时,浸水湿陷引起的负摩阻力大,中性点低;桩顶在荷载作用下,浸水湿陷引起的负摩阻力小,中性点高。从理论上分析中性点位置的高低也与桩顶有无荷载有关。桩顶无荷载时,由黄土湿陷引起的桩土问相对位移比桩顶有荷载时要大,因此桩上部负摩阻力得以充分发挥,中性点位置较深。

中国现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GBJ25-90对湿陷性黄土从工程角度作了明确划分,将湿陷系数δs≥0.015的黄土定义为湿陷性黄土,同时将实测或计算自重湿陷量大于7 cm的湿陷性黄土定义为自重湿陷性黄土,将实测或计算自重湿陷量小于或等于7 cm的湿陷性黄土定义为非自重湿陷性黄土,并将黄土的湿陷等级划分为轻微(Ⅰ级)、中等(Ⅱ级)、严重(Ⅲ级)、很严重(Ⅳ级)4个级别。

2 湿陷性黄土地基处理的工程实例

中国工程界自解放以来随着对湿陷性黄土的不断认识,先后于1966年、1978年和1990年分别制定了《湿陷性黄土地区建筑规范》,简称为“66黄土规范”、“78黄土规范”以及现在使用的“90黄土规范”,对湿陷性黄土地区的工程设计起到了规范和指导作用。笔者从事水利水电工程10多年来,先后参与了湿陷性黄土地区的供水工程、灌溉工程、泵站及电站工程以及游泳池等工程的设计,多数工程已正常运行多年,期间也出现过一些问题,在这里摘录点滴供大家交流和探讨。

(1)大直径空心混凝土灌注桩在处理湿陷性黄土地基中的应用。

陕西省东雷抽黄续建工程曾是陕西的重点工程,工程总投资15.0亿元,其下寨抽水站是提黄灌溉工程的三级站,笔者有幸参加了该站的设计工作,该项目的设计获得陕西省优秀工程设计一等奖。该站主要建筑物之一出水塔的基础就是深达17.0 m的自重湿陷性黄土,湿陷等级为Ⅱ级,塔体重量为4 500 t。其上游连接的是直径达2.0 m的4根厂房出水管道,下游衔接的是渡槽,所以对塔体的基础处理是极为重要的,一旦塔体沉陷,将直接影响上下游建筑物的安全。

地基处理先后对可能采用的灰土挤密桩、碎石震冲桩、静压桩、混凝土灌注桩以及沉井等方案进行了逐一比较,灰土挤密桩和碎石震冲桩存在的问题是处理深度不够和造价较高,采用混凝土灌注桩则造价更高。为了降低造价提高单桩承载力,设计拟采用空心混凝土灌注桩外加端部扩头来提高单桩的承载力,经过对不同桩径的反复试算,最后采用了8根桩径为2.0 m,壁厚0.3 m,桩端扩头直径3.6 m的空心混凝土灌注桩,桩深30 m,桩距6.0 m。负摩阻力系数取1.55 t/m²,正摩阻力系数取3.5 t/m²,桩端标准承载力21 t/m²,修正后为79.8 t/m²,单桩承载力812.4 t。当时查到的国内最大桩径为1.6 m,该桩的桩径已达到国内同类工程的最大桩径。工程实施已近10a,一直运行正常。

(2)宁夏扬黄扩灌工程十一泵站厂房湿陷性黄土基础的处理。

宁夏扬黄扩灌工程十一泵站主副厂房总长度77.5 m,主厂房宽13 m,副厂房宽14.5 m。其基础为自重湿陷性黄土,厚度达36.5 m,自重湿陷等级为Ⅲ—Ⅳ级,湿陷评价为严重—很严重。由于基础湿陷等级太高,而且厚度很大,面又广,经过多方比较,基础处理方案定为采用预浸水处理消除基础黄土的湿陷性。设计在建筑物周边外放5—10 m范围内(80 m×40 m)布置了6个20 m×20 m的浸水畦块,浸水坑深80 cm,然后在坑内用洛阳铲挖浸水孔,孔径8 cm,孔深23 m,孔距5.0 m,孔内填入碎石或砂砾石。浸水时,水深保持在淹没浸水孔0.5 m以上。经过224 d的持续观测(其中浸水观测162 d,停水观测62 d)。坑内停水前沉降量为127.5—188.6 cm,平均167.7 cm,停水后沉降量为16.2—85.3 cm,平均167.7 cm。浸水前后累计平均沉降量为215.1 cm。单位面积耗水量33.6 t/m³。

浸水停止4个月后,在现场布置探坑3个,探坑深度13 m,在探坑深度范围内每米取样1件,进行室内常规土工试验。探坑开挖后发现,13 m以下的土层仍呈饱和状态,不能取样。根据土工试验结果,在饱和自重压力下的自重湿陷性系数(δzs)均小于0.015,计算自重湿陷量△zs=1.9 cm,小于7 cm。200 kPa压力下的最大湿陷系数(δ)也小于0.015,计算总湿陷量△=6.0 cm。说明基础黄土的湿陷性已基本消除。

3 湿陷性黄土地基处理的方法探讨

中国在解放后对于湿陷性黄土地基处理的实践已有几十年了,具体方法也很多,但归纳起来其基本思路不外乎以下几种:

(1)基本消除基础已有土层的湿陷性;其常用方法有强夯、换土、挤密桩等。这是对于土层较薄(10m以内)时采用的办法。当土层深厚时,常用办法就是预浸水处理。这类办法是通过工程措施,针对湿陷土层本身进行处理,改善其土壤结构和基本特性,以达到消除其湿陷性的目的。这种方法的缺点是对于深厚湿陷性黄土来说,耗时太长,往往影响工期。优点是施工方便,费用较低;

(2)使建筑物基础穿透湿陷性黄土层,传力于湿陷土层以下的持力土层上,达到躲过湿陷性黄土层的目的。常用方法就是桩基,尤以灌注桩为主。这种方法避过了湿陷性土层,使基础传力于湿陷土层以下的持力土层上,相对来说比较安全可靠,所以被广泛应用于比较重要的独立建筑物的基础处理。缺点是投资费用较大;

(3)充分作好建筑物基础的隔水层,使基础湿陷性黄土地基无法浸水,以达到避免地基湿陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油毡以及各种PVC和PE膜。这种方法常常用于对基础承载力要求不高的设施,如游泳池、供水管床、渠道等。

另外,对于大厚度湿陷性黄土是否一定要消除其湿陷性这个问题很值得研究,尤其在西北地区,因为该地区湿陷土层较厚,经常在20 m以上,甚至像前面提到的36.5 m深。完全消除这些土层的湿陷性或彻底穿透湿陷土层往往要花很大代价,所以对这一问题的深入研究具有直接的经济效益,能够大量节约工程投资,缩短工程工期。此时应对建筑物使用条件和所处的周边环境作适当调查,具体问题具体分析,只要建筑物的基础承载力满足要求,外界来水又无法浸湿湿陷性地基时,完全可以考虑将建筑物基础坐落于湿陷土层上。事实上,很多游泳池、输水渠(管)道也就建在湿陷性土层上。对于基础承载力要求较高的较大型的建筑物,当基础埋深较大如箱基等,其地基承载力常常是可以满足要求的,此时就可以考虑不消除其地基土层的湿陷性,只要作好隔水处理即可。这样处理可以节约大量资金和工期,对于中小型深基坑厂房很值得借鉴。

参考文献

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