太原东山地区湿陷性黄土处理方法的探讨

赵永伟

（山西省建筑设计研究院，山西 太原 030013）

1 场地概况

太原东山地区地形复杂，经长年累月的雨水冲刷，多为黄土台地和冲沟结合的地貌特征，高差可达20 m或者更多。湿陷土层大多为Q3纪马兰黄土，随地势变化湿陷等级变化较大，冲沟内多以Ⅰ级非自重湿陷为主，湿陷土层1~5 m；台地部分较低的部位（高差10 m左右）多Ⅱ级自重湿陷，湿陷土层7~15 m；高台部分以Ⅲ级、Ⅳ级自重湿陷居多，湿陷土层数10 m不等。

2 湿陷性黄土的形成

太原地区年平均降雨量在250~600 mm之间，属干旱气候、半干旱气候条件。在这样的条件下，太原东山地区的湿陷土层天然含水量较低，土体本身的结构性很强，从而形成了很多土体直立达十几米的自然景观。

3 湿陷性黄土地基处理方法的选择

基于这样的湿陷性黄土场地，建筑物的地基处理有以下几种常用的方法：垫层法、强夯法、预浸水法、灰土(土)挤密桩法、桩法、孔内深层强夯法（近几年太原东山地区使用较多），化学加固法、双复合桩法等方法。处理的目的都是消除湿陷性，也可用于提高地基土的承载力。

3.1 垫层法

包括素土垫层和灰土垫层。处理深度一般1~3 m，当处理厚度超过3 m时，挖、填土方量大，施工质量不易保证（目前也有6 m以上换填，主要做法是下部用素土换填，分层碾压，上部采用灰土垫层）。《湿陷性黄土地区建筑规范》GB50025—2004中注明承载力特征值素土垫层不宜超过180kPa，灰土垫层不宜超过250kPa。优点：工期短，施工工艺简单；缺点：局限于低层建筑或多层建筑。

3.2 强夯法

强夯法处理湿陷性黄土地基，是在重锤夯实的基础上发展起来的一种地基处理方法，通过夯锤对地基土反复冲击和振动，从而提高地基土的承载力并降低其压缩性，改善地基性能，地基处理有效深度预估值最大12 m。优点：工期短、效率高、施工工艺简单；缺点：振动和噪声较大，场地要求高，场地附近不能有已建建筑物。

3.3 预浸水法

此方法一般适用于湿陷性黄土土层较厚、湿陷性强的自重湿陷性黄土场地。是在修建建筑物之前，预先对湿陷性黄土场地大面积浸水，使土体在饱和自重压力作用下发生湿陷产生压密，以消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷湿陷性。由于浸水时场地周围地表下沉开裂，并容易造成“跑水”穿洞，影响附近建筑物的安全，所以在空旷的新建地区较为适用。优点：处理湿陷性效果较好；缺点：必须保证水量充足，临近没有建筑物。此法工期较长，一般在1年左右，还要注意场地附近边坡稳定问题。另外，地基预浸水结束后，在基础施工前应进行补充勘查工作，重新评定地基土的湿陷性。

3.4 灰土（土）挤密桩法

这是一种比较成熟的处理湿陷性黄土场地的方法，原理是通过成孔过程中的横向挤压作用，桩孔内的土被挤向周围，使桩间土得以挤密以达到处理湿陷的目的。适用于加固地下水位以上的湿陷性黄土地基，它是利用打入钢套管或振动沉管或爆扩等方法，在土中成桩孔，然后在孔中分层填入素土（或灰土）并夯实而成。其上部荷载由桩和桩间土共同承担，挤密后的地基为复合地基，上部荷载通过地基往下传递时应力要扩散，而且比天然地基扩散的更快，在加固深度以下，附加应力将大大减少，灰土（土）挤密桩对地基的加固处理效果不仅与桩距有关，还与所处理的厚度与宽度有关。优点：能够很好地消除处理范围内土层的湿陷性，加强土体后承载力有明显提升。缺点：同灰土垫层法类似，处理后的复合地基承载力250 kPa左右，不适用于高层建筑的地基处理。《建筑地基处理技术规范》JGJ 79—2002中明确指出，处理深度5~15 m。由于设备限制，一般设计过程中，用此方法处理湿陷土层在10 m范围内比较常见。

3.5 桩法

原理为采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层，使上部荷载通过桩基础直接传递至压缩性低或较低的非湿陷性黄土（岩）层上，当地基受水浸湿后完全能保证建筑物的安全。湿陷性黄土地区桩基础一般采用打入桩、静压桩、钻孔或人工挖孔灌注桩以及沉管灌注桩等，近年来，使用较多的为钻孔（或人工挖孔）灌注桩、静压桩以及沉管灌注桩。在湿陷性黄土场地使用桩基础与其他地区最大的区别在于，设计计算时，在湿陷土层范围内不但不能考虑桩身的侧摩擦力，还应在桩的承载能力上减去桩的负摩擦力。优点：直接穿透湿陷土层，完全不考虑湿陷土层对建筑物的影响；缺点：设计桩长较长，经济性方面较差。

3.6 孔内深层强夯法

原理为预先挤密成孔，对土体进行挤密，至设计标高后自下而上分层填料强夯并夯扩，第二次对土体进行挤密，形成高承载力的密实状体和强力挤密的桩间土相结合的加强体。通过对土体的挤密消除湿陷性并提高地基承载力，此方法遇到含水夹层或地下水位较高时无法成孔。采用整片地基处理时，自基础侧边外延宽度可采用地基处理深度的1/3，同时不小于2 m或外扩3排桩。当桩体填料为活性胶结性材料时可适当减少外扩尺寸。优点：工期短，经济性较好；缺点：当场地土含水量小于14%时，施工难度较大。建议施工前对场地土进行含水量试验，当含水量较小时，可以采取增湿措施。

工程实例：太原东山某住宅小区，场地为Ⅱ级自重湿陷，基础底以下湿陷土层10~13 m不等，基底下场地土含水量最小为16%，建筑物为地上28层，地下1层。设计桩长18 m，正三角形布置，桩间距1.0 m，挤密成孔400 mm，填料为1∶4水泥土，夯扩后直径不小于600 mm，桩顶铺设300 mm厚3∶7灰土，复合地基承载力不小于400kPa。检测要求，复合桩基检测加载为1000kPa（2.5倍），桩体范围内湿陷性全部消除，填料压实系数不小于0.96，桩间土挤密系数不小于0.88，桩身强度不小于4.0 MPa。该工程现已竣工，检测结果均满足设计要求。

桩体轴心受压承载力Q：

式中：Q：相应于荷载效应基本组合时，单桩所受轴向压力设计值（kN）；

fcu：桩体试块抗压强度设计值，kPa；

φc：系数，取 0.6~0.7；

Apm：桩身平均横截面面积，m2。

复合地基承载力特征值：

式中：fspk：复合地基承载力特征值，kPa；

m：桩土面积置换率；

d：夯后桩身平均直径，m；

de：一根桩分担的处理地基面积的等效圆直径，m。等边三角形布桩de=1.05 s，正方形布桩de=1.13 s，s为桩间距，m；

fpk：处理后桩体单位截面积承载力特征值，kPa；

fsk：桩间土的承载力特征值，kPa。当场地土质为黄土、非饱和性粉土和砂土时，宜按1.5~2.5倍天然地基承载力特征值取值；对淤泥、淤泥质土按经验确定。

3.7 化学加固法

化学加固方法包括硅化加固法和碱液加固法，硅化加固湿陷性黄土的物理化学过程，一方面基于浓度不大的、黏滞度很小的硅酸钠溶液顺利地渗入黄土的孔隙中，另一方面溶液与土的互相凝结，土起着凝结剂的作用。硅化加固中，由于黄土中钙、镁离子参加反应，生成硅酸凝胶，当土体达到一定强度，为了提高加固土体的早期强度，以减少加固过程中附加下沉，可采用加气硅化法，加气硅化一般用CO2和氨气，一般使用CO2较多。碱液法在自重湿陷性黄土地区使用较少，而且加固深度不足5 m，碱液加固原理为NaOH的溶液注入黄土后，首先与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反应，反应结果使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物，土粒（铝硅酸盐）表面会逐渐发生膨胀和软化，相邻土粒在这一过程中更紧密地相互接触，并发生表面的相互溶合。这些混合物的生成，使土粒相互牢固地胶结在一起，强度大大提高，并且有充分的水稳性。常温下反应速率较慢，而提高温度则能大大加快反应的进行。优点：处理湿陷性效果较好，现在一般仅用于已建建筑物的湿陷事故处理。缺点：造价太高。

3.8 双复合桩法

用两种复合桩对地基土进行地基处理，其中第一种复合桩可处理地基土湿陷并能提高一定的地基承载力，第二种复合桩在已经消除湿陷性的前提下可提高地基承载力，通过这两种方法共同作用来进行达到地基处理的目的。消除湿陷性的复合桩可以用灰土（土）挤密桩或者孔内深层强夯法等方法，一般只穿透湿陷土层（湿陷土层厚度较薄在5~10 m左右），这种桩施工完之后进行检测，检测的复合地基承载力作为第二种桩的计算承载力（本来计算这里用天然土的承载力），对第二种复合桩进行设计，第二种桩可以用水泥粉煤灰碎石桩、预制管桩、灌注桩等，当然如果在承载力满足要求的前提下水泥粉煤灰碎石桩更经济，而且水泥粉煤灰碎石桩属于复合桩的范畴。这种方法布桩可以采用正方形或者正三角形，第二种桩布置在第一种桩的心形位置。一般使用较多的为正方形布置，一是有利于施工放线，二是可适当放大桩间距，不至于布桩太密集。设计进行建筑物沉降计算时，在第一种桩桩长范围内可以进行压缩模量的修正，修正系数根据勘察单位提供的经验系数或重新试验确定。当场地土复杂，湿陷土层之下有含水夹层时，多用此方法处理。优点：施工工艺简单，湿陷性处理效果较好，当第一种桩在处理湿陷效果欠佳的情况下，第二种复合桩还可以选择挤密桩对地基土进行二次挤密。缺点：工期较长，第一种桩检测之后才能进行第二种桩的设计调整及施工。

4 结束语

上述湿陷性黄土地基的处理方法，近年来在太原东山地区被广泛应用，都取得了良好的效果。随着社会经济的迅速发展,高层建筑也越来越多，湿陷性黄土地区的地基湿陷处理已经引起了各方的高度关注，同时也会有更多、更好的处理湿陷的方法出现。但在经济性比较的同时，不管是采用哪种地基处理方法，都要有严密的质量控制手段,才能更有效地获得预期的效果。

[1]GB50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范.

[2]CECS197：2006孔内深层强夯法技术规程.