延安半岩半土地基类型及处理方法

李氡 赵阳

1.信息产业部电子综合勘察研究院 陕西西安 710054；2.长安大学 地质工程与测绘学院 陕西西安 710064

延安地处黄土高原中部，工程地质条件复杂，随着国家大力发展经济建设，延安地区合理利用土地资源，实施大规模削山造地、沟道造地。大规模的“削山填沟”必然会引起许多地质与岩土工程问题[1-4]，例如产生严重不均匀地基等不良地质情况，对城镇化发展及各种建筑物、构筑物的建设有较大影响。针对严重不均匀地基，胡岱文通过对某煤矿调度楼土岩组合地基进行分析，原地基使用换填垫层进行处理，房屋建成三年后结构良好[5]；李仰贤通过对某小区墙体裂缝的检测与分析，针对半岩半土地基使用挤密碎石桩加固后，房屋仍产生较大贯穿性裂缝[6]；张凤文对挤密碎石桩复合地基进行分析，在土岩组合地基上使用复合地基加固后，地基承载力和沉降均满足要求[7]。通过众多学者研究并结合延安地区建筑特点，本文基于延安地区岩土工程问题，通过大量野外调查与资料调研，对延安半岩半土地基分类，分析讨论延安地区半岩半土地基处理技术及土岩界面差异沉降控制方法。

1 半岩半土地基类型

延安地区黄土满覆于起伏的基岩顶面之上，在抬升的新构造运动影响下，黄土经流土长期侵蚀，形成现今梁峁起伏、河谷深切的地势。河谷两岸黄土斜坡陡峻，如图1所示，两侧坡脚均有基岩出露，形成5-30m的基岩陡坎。基岩沟谷及陡坎区主要分布于各沟谷下游区域，沟谷深切基岩，局部形成10-45m的直立或近直立陡坎。如图2形成基岩陡坎的原因系砂砾岩强度高、节理裂隙发育，形成基岩“U”型沟谷。总体来看，河谷区地形相对保存完整，地形利用率相对较高[1]。

随着延安地区大力发展建设新城，推进城镇化建设，建设施工方宜合理利用当地土地资源，重视各种地质情况下的地基处理问题，尤其在河谷阶地和基岩陡坎地区形成的半岩半土地基。通过对延安地区的地质情况分析，笔者将半岩半土地基依据土体性质划分为以下几种。

图1 黄土梁峁-黄土陡坡-基岩陡坎

图2 削山造地

1.1 冲洪（淤）积土+基岩型

延安地区冲洪（淤）积土广泛分布在沟谷不同部位，分布于沟谷中的冲洪积及淤积层，土质为灰色、灰黄色的粉质粘土、粘土等，呈可塑-软塑状态，含水量大，孔隙比相对较小，工程性质较差。该层下部的强风化砂岩渗透性较好，地下水呈疏干状态[1]。

如地质剖面图3所示，延安地区河谷两岸阶地发育，一般在沟谷下游黄土陡坡与基岩陡坎相接触，沟谷坡脚附近存有一定厚度冲洪积土。

1.2 黄土缓坡+下伏基岩型

延安地区城市用地极为紧张，大量工程都存在削坡现象，即通过削坡后进行田地耕种或修建建筑物，如地质剖面图4所示，黄土缓坡区工程地质结构以马兰黄土—离石黄土—新近系红粘土—侏罗系碎屑岩型为主，湿陷性土层厚度一般小于5m[1]。

图3 冲洪积土+基岩型地质剖面图

图4 黄土缓坡+下伏基岩型地质剖面图

图5 人工填土+基岩型地质剖面图

1.3 人工填土+基岩型

延安地区的人工填土如图5所示，主要为废弃石料、近期人工堆积的素土、建筑垃圾等。废弃石料一般在石料厂附近堆积于沟谷中，堵塞整个沟道；素土一般由开挖边坡、平整场地挖出的黄土组成；建筑垃圾一般由混凝土块石夹杂生活垃圾、砖瓦碎块组成，沿山坡道路向沟谷堆放。填土层总体分布松散凌乱、土体性质差异较大，地基严重不均匀。

调查区内削坡建房、交通建设、采石等人类工程活动强烈，群众居住地大部分位于各支谷下游及沟口位置，大多数人工填土即分布于此，受填筑前原始地形的影响，填土厚度差异较大。

1.4 滑坡堆积土+基岩型

调查区滑坡堆积层在各沟谷均有分布，尤其是沟谷下游，沟谷深切基岩，形成由侏罗系碎屑岩、离石黄土、马兰黄土组成的三层结构的边坡，如图6所示。在降雨及重力作用下斜坡失稳，沿基岩面面向前滑动，滑动物质堆积于基岩沟谷中。滑坡堆积土主要由Q2和Q3黄土滑动后的混杂堆积物组成，土体挤压破碎现象明显。

图6 滑坡堆积土+基岩型地质剖面图

1.5 多层不良地基土+基岩型

所谓多层不良地基即坡脚基岩陡坎处存在冲洪积土，坡体在降雨雨水入渗等情况下易发生滑坡，滑坡堆积体又堆积在基岩沟谷中。此类地质情况下，底部的冲洪积土工程性质较差，且滑坡堆积土存在较大湿陷性。

2 地基处理

通过对半岩半土地基形式进行划分，结合延安地区工程地质条件及建筑物特点，下文针对多层建筑物下半岩半土地基提出合理的地基处理方案：强夯（强夯置换）、换填、挤密桩、CFG桩、长短桩或刚柔性桩等。同时应注意在下伏基岩坡度较大场地上的建筑物，设计时必须考虑地基土的抗滑稳定性，当基岩坡度超过35°时，宜采取防止地基土可能沿土岩界面滑动的措施[8]，抗倾覆稳定性可参照《建筑地基基础设计规范》GB50007-2011进行验算。

2.1 半岩半土地基处理原则

（1）适用性：根据半岩半土地区地基土性质及基岩埋藏深度与坡度确定合适的地基处理方案；

（2）局部性：确定地基处理方式时应结合上部结构、基础形式、地质情况等确定合理的加固范围；

（3）针对性：半岩半土地基处理重点宜在地基土承载力、沉降和土岩界面差异沉降控制；

（4）易施工性：应根据施工经验和地区施工设备选择合理的地基处理方案；

（5）因地制宜性：地基处理材料可结合当地建筑垃圾或其他建筑材料，合理利用周边材料；

（6）经济性：对确定的多种地基处理方法对比分析，选择较为经济的方案。

2.2 换填

换填法适用于冲洪积土、淤积土、湿陷性黄土、人工填土等浅层处理。使用换填法处理地基时，宜在基岩埋深较浅或下伏基岩面起伏不大时采用，结合出露基岩面风化程度，一般选择强度较高的碎石、卵石垫层[8-10]；可结合延安地区地质条件，采用毛石混凝土或利用当地岩石废弃料掺和混凝土换填，调平地基刚度。换填深度宜结合工程地质条件确定，当基岩最大埋深在3m以内应全部换填，如图7所示；最大深度在5m以内，宜开挖至一定深度再进行垫层施工。鉴于半岩半土地质条件，对不均匀沉降控制较为严格，在设计施工中，可适当增加垫层厚度。

2.3 强夯和强夯置换

在半岩半土中地基土部分使用强夯法时，应注意其适用地基土的范围，对淤泥和淤泥质土地基不宜采用强夯法处理[11-12]。大多数半岩半土地基中地基土部分属于软土地基，厚度介于5-10m时，采用换填垫层法难以施工且工程量较大，此时应根据软土厚度选择强夯或强夯置换法，置换材料可选用级配良好的块石、碎石、矿渣、建筑垃圾等坚硬粗颗粒材料，合理利用当地条件，对于延安半岩半土地区的冲洪积土、淤积土部分，饱和度较高情况下可使用强夯置换法，在碎石墩和墩间土上铺设厚度不小于500mm的碎石垫层形成复合地基，置换材料应充分利用地方材料。

2.4 挤密桩

半岩半土地基中土层较厚时，宜采用挤密桩处理，根据桩体材料将挤密桩分为挤密砂石桩、土桩、灰土桩等[11]。如图8所示，地基土为冲洪（淤）积土或强度较小的人工填土时，宜采用挤密碎石桩复合地基；地基土存在较大湿陷性时，宜选择挤密灰土桩。延安地区多层建筑基础形式多数为条形基础，挤密桩加固范围不宜超出或适当超出基础底面。一般经复合地基加固后地基土范围内的承载力和沉降均可满足要求，但土岩界面附近地基土深度过小或基岩陡坎坡度较大时，宜对土岩界面附近土体进行加固，可参考强夯或强夯置换施工技术中的分层夯实技术或在基岩陡坎附近使用（半）刚性桩进行地基土加固[13]。

图7 换填法示意图

图8 挤密桩复合地基示意图

2.5 水泥粉煤灰碎石桩

延安地区CFG桩施工工艺一般选择非挤土成桩，在地基处理时应合理确定其适用范围，不宜直接用于冲洪积土、淤积土等软弱土层，以免出现桩土应力比过大、桩基脱空等情况。在设计前应明确场地工程地质情况，如图9所示，基岩埋藏较深、起伏范围较大且地基土性质较好时，宜采用CFG桩复合地基解决承载力不足等问题，桩体宜穿过强风化岩层或嵌入强风化岩层一定深度，同时可适当增加垫层厚度以保证桩土协调变形[14-19]。

2.6 长短桩或刚柔性桩

本文的长短桩复合地基，一类是广义的长短桩复合地基，当基岩面起伏较大，地基处理时桩端宜全部嵌入基岩，使得桩长随基岩面深度而变化，如图9所示。另一类是狭义的长短桩复合地基，如图10所示。使用时应重视其形成条件，确保长桩、短桩和桩间土同时承担由基础传递的荷载。结合延安地质情况分析，地基土下砂岩埋深较浅，在基础下必须设置褥垫层，通过垫层协调长桩、短桩和桩间土的变形。长短桩复合地基中，长桩宜采用（半）刚性桩，如CFG桩等桩型，短桩宜采用散体桩或柔性桩，如碎石桩、水泥土桩等。如对于上文的多层不良地基土，上部土层可采用短桩消除黄土湿陷性，提高地基承载力，长桩可采用CFG桩控制地基土变形[20-22]。

图9 CFG桩复合地基示意图

图10 长短桩复合地基示意图

3 土岩界面差异沉降控制方法

通过野外调研及室内搜集资料，建筑物损坏一般出现在土岩界面处，由于附近土体未达到施工要求或基岩刚度与地基土刚度差异大，使得半岩半土地基在土岩界面处存在应力集中。针对这一现象，笔者建议当土岩界面附近基岩埋深较浅时，可参照路基施工过程中挖台阶施工工艺，如图11所示，换填一部分矿渣垫层或对土岩界面土体分层夯实，提高分界面处地基土刚度。当基岩埋深较深，笔者建议使用变刚度复合地基，如图12所示。地基土采用柔性桩或散体桩复合地基满足承载力和沉降要求，同时为控制土岩界面的差异沉降，在其一侧地基土部分使用（半）刚性桩和柔性桩（散体桩）相结合的方式，使过渡区地基刚度介于基岩刚度和复合地基刚度之间，沉降由突变变为渐变，满足多层建筑物差异沉降要求。

图11 挖台阶施工示意图

图12 变刚度复合地基示意图

4 结论

（1）本文根据地基土性质对延安半岩半土地基分类，对后续工程建设提供相关参考。

（2）笔者根据半岩半土地基处理原则，对半岩半土地基类型提出相关地基处理方案，对于不同地域及不同土岩组合地基形式，均有较强参考价值。

（3）现阶段地基土经地基处理后均能满足要求，但土岩界面处仍需注意。后续工程建设可参照本文提出的差异沉降控方法，结合现场工程条件进行地基处理。

（4）在进行施工设计时应结合现场地质条件，明确地基处理适用范围，尤其注意土岩界面因刚度突变造成的不均匀沉降问题，宜对其进行特殊处理。