宁夏东部湿陷性黄土湿陷特征分析及“多年最大浸湿深度”探讨

李院兵

(武汉联动设计股份有限公司，湖北 武汉 430070)

近年来，笔者在宁夏东部先后承担了8个风力发电项目的勘察设计工作，风力发电机组单机容量1.5 MW，风机轮毂高度70 m，叶轮直径87 m，地基基础设计级别为一级[1]，基础结构安全等级为二级。根据受力特征，基础设计主要受控于抗倾覆条件，对于轮毂高度为70 m的风力发电机组塔筒，倾斜率≤0.005，当采用天然地基时，地基承载力≥200 kPa。

该地区的土层为自重湿陷性黄土，按《湿陷性黄土地区建筑规范(GB 50025—2004)》及《建筑桩基技术规范(JGJ94—2008)》的要求，其总体设计思路是湿陷性黄土层全部受水浸湿，并在自重或外载作用下土体结构被破坏、产生显著附加下沉，这种思路必然导致地基处理深度或基桩长度较大，但土的“湿陷性”是在试验室或现场对土体强制浸水加压测定的，在自然状态下，浸湿深度有多大？ 笔者结合这些项目的勘察设计经验，对这一问题试图作一肤浅探讨。

1 土层结构及其主要物理力学性质指标

该区域地层主要为马兰黄土，根据土工试验成果(主要是湿陷系数)，自上而下分为三层(①-③)，并将②层分为三个亚层(②1-②3)，各土层主要特征简述如下。

① 耕植土(Qpd)：褐灰色，松散，含有大量的植物根茎、腐殖质等。湿陷系数δs>0.07，具强烈湿陷性。

以上①-③层的层顶埋深及层厚如表1。

表1 土层平均埋深及厚度Table 1 Average depth and thickness of soil layer

通过在人工探井取得的Ⅰ级样品土工试验成果统计分析(统计数328件)，各土层主要物理力学性质指标如表2。

注：抗剪强度指标为标准值，其它为平均值；压缩系数及压缩模量为100～200 kPa压力段成果。

2 黄土状粉土湿陷性质评价[2]

2.1 自重湿陷量的计算及湿陷类型的判定

湿陷性黄土地基受水浸湿饱和后，在土层自重作用下产生下陷，自重湿陷量计算按公式(1)：

(1)

式中：β0为因地区土质而异的修正系数，本地区为1.2；δzsi为第i层土的自重湿陷系数；hi为第i层土的厚度(mm)；Δzs为自重湿陷量的计算值，自天然地面算起，至其下非湿陷性黄土层顶面止，其中自重湿陷系数δzs值<0.015的土层不累计。

经计算，自重湿陷量最大值1 599 mm，最小值378 mm，平均值975 mm，为自重湿陷性黄土场地。

2.2 湿陷量的计算

湿陷性黄土地基受水浸湿后，在基底荷重作用下产生下陷，其湿陷量计算按公式(2)：

(2)

式中：β为考虑基底下地基土的受水浸湿可能性和侧向挤出等因素的修正系数，0～5 m深度内取1.5，5～10 m深度内取1.0，10 m以下取β=β0=1.2；δsi为第i层土的湿陷系数；hi为第i层土的厚度(mm)；Δs为湿陷量的计算值，自地面下1.5 m算起，在自重湿陷性黄土场地，累计至非湿陷黄土层的顶面止。其中湿陷系数δs(10 m以下为δzs)<0.015的土层不累计。

经计算，湿陷量最大值2 152 mm，最小值710 mm，平均值1 354 mm。

2.3 湿陷等级的判定

本场地计算自重湿陷量>350 mm，计算湿陷量>700 mm，湿陷等级为Ⅳ级(很严重)。

3 天然地基分析

根据各土层物理力学性质参数，结合标准贯入试验成果及地区经验，综合确定该区域各土层岩土设计参数(表3)。

由表3可知，天然地基不能满足要求，须采用桩基础或进行地基处理，宜优先采用桩基础。

4 桩基础分析计算

自重湿陷性黄土地基浸水后，桩周土体在自重作用下下沉，对基桩产生下拉荷载，使桩的轴向力加大而产生较大沉降，桩端必须穿过湿陷土层。

根据当地打井资料，本地区基岩埋深>50 m，③层黄土状粉土平均埋深23 m，已揭露厚度>15 m，自上而下天然孔隙比减小，密实度增加，③层黄土状粉土是该场地经济性较好的桩端持力层。

根据工程经验，风机基础埋深一般为-3.0 m左右，采用干作业成孔灌注桩，桩径Φ1 000，扩底直径D1 500 mm，桩底面积Ap=1.77 m2,桩身周长u=3.14 m，初拟单桩承载力特征值Ra=1 600 kN,现以表1中各土层的平均埋深、平均厚度进行基桩承载力估算。

4.1 按中性点概念计算[3]

当桩穿越厚度为L0的高压缩土层，桩端置于相对较坚硬的持力层时，在桩的某一深度Ln以上，土的沉降大于桩的沉降，在该段桩长内，桩侧产生负摩阻力；L0深度以下的可压缩层内，土的沉降小于桩的沉降，土对桩产生正摩阻力，在Ln深度处，桩土相对位移为0，既没有负摩阻力，也没有正摩阻力，该点即为中性点。对于摩擦型桩，由于受负摩阻力作用沉降增大，中性点随之上移，即负摩阻力、中性点与桩顶荷载处于动态平衡，作为一种简化，取假想中性点(按桩端持力层性质取值)以上摩阻力为0估算基桩承载力。

对于自重湿陷性黄土，中性点深度按式(3)计算：

Ln=0.66L0

(3)

式中：Ln为自桩顶算起的中性点深度(m)；L0为自桩顶算起的湿陷土层厚度(m)。

桩长L=24 m，L0=20.41 m，Ln=13.47(扩底桩桩底以上3.0 m不计摩擦力)，依据表4数据，按式(4)估算基桩承载力：

Quk=u∑ψsiqsikli+ψpqpkAp

(4)

式中：Quk为单桩竖向极限承载力标准值(kN)；qsik为中性点以下第i层土极限侧阻力标准值(kPa)；qpk为桩的极限端阻力标准值(kPa)；li为中性点以下各层土的桩长(m)；ψsi、ψp为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数。

表4 基桩极限承载力标准值计算表Table 4 Calculation table of standard value ofultimate bearing capacity of foundation pile

经计算：Quk=3 380 kN,Ra=1 690 kN。

计算结果表明,当桩长超过24 m(桩端进入③层土3.59 m)时能够满足要求。

4.2 按《湿陷性黄土地区建筑规范》推荐公式计算

在自重湿陷性黄土场地，除不计自重性湿陷黄土层内的桩侧正阻力外，尚应扣除桩侧的负阻力，计算按式(5)计算：

(5)

对于上式中的qpa和qsa值，均应按饱和状态下的土性指标确定。

l=35 m，Z=20.41 m，(扩底桩底以上3.0 m不计摩擦力)，按表5计算。

经计算，Ra=1 618 kN。

计算结果表明，当桩长超过35 m(桩端进入3层非湿陷性黄土14.59 m)时能够满足要求。

表5 基桩承载力特征值计算表Table 5 Calculation table of characteristic valueof bearing capacity of foundation pile

两种方法的计算结果相差11 m，究其原因是《桩基规范》中性点观点认为负摩阻力与正摩阻力同时起作用，中性点以上负阻力大于正阻力至中性点以下正阻力大于负阻力；《黄土规范》自重湿陷性黄土层内除不计正阻力外，尚应扣除桩侧的负摩阻力。

5 “多年最大浸湿深度”概念的提出

5.1 “多年最大浸湿深度”概念及测定方法

自重湿陷性黄土在浸水饱和后产生很大的沉降，对工程危害大，已被无数工程证实，在可能被洪水淹没区或可能存在较长时间积水区，全深度范围内考虑湿陷性黄土的浸水湿陷问题是合理的，但像本工程处在宁夏黄土低山、丘陵区，风机均处于丘顶或斜坡地带，地表排水畅通，且宁夏属于半干旱区，受水浸湿深度不可能达到23 m，采用“多年最大浸湿深度”的概念来进行地基与基础设计更加合理。

如同“季节性冻土标准冻深或最大冻深”的取得方法相似，“多年最大浸湿深度”可以采用“自然观测法”和“试坑浸水试验法”确定。

自然观测法：在连续雨天后或冰雪消融期，采用钻孔、挖孔等手段取得土样，进行室内土工试验，确定浸湿深度。

试坑浸水试验法：对于干旱地区，可采用挖试坑(如10 m×10 m×0.5 m),向试坑内注水维持0.3 m水头，维持时间根据历史极端气象资料确定，然后在试坑中心采用钻孔等手段取得土样，进行常规土工试验，确定浸湿深度。

5.2 “多年最大浸湿深度”测定与单桩浸水载荷试验区别

“多年最大浸湿深度”的测定是模拟和实测自然状态下土层的可能受水浸湿深度；而单桩浸水载荷试验中的浸水，是要求湿陷性黄土层在其深度内受水浸湿以至达到饱和。前者在地表不会形成长时间维持水头，地表水绝大部分顺坡势流出工程场地，仅极小部分渗入地下；后者则在地表形成长时间(规范要求不少于10 d)维持水头，强制将地表水导入地下土层孔隙中，后者显然与实际气象条件相差甚远，在自然条件下不可能发生浸水的土层假定其浸水湿陷，必然导致单桩承载力的降低，设计桩长加大，造成很大的浪费。

5.3 算例

笔者在完成该区域8个风力发电项目勘察任务中，经历了各个季节(雨季、旱季、冰雪消融期等)，即使在冰雪消融期，土层浸湿深度也没有超过2.0 m(丘顶或斜坡地带)。参考单桩浸水载荷试验成果(浸水10 d，6 m以上属于负阻段，6～9 m有正阻、负阻，9 m以下未出现负阻)，现假定在自然状态下土层受水浸湿深度为6.0 m(自然地面起算)，6.0 m以上不计正阻力也不计负阻力，在保证承载力满足要求及桩端置于非湿陷性土层的情况下，仍按公式(4)估算基桩承载力(如表6)(桩长l=21 m，桩底以上3.0 m不计摩擦力)。

经计算：Quk=4 014 kN,Ra=2 007 kN。

表6 基桩极限承载力标准值计算表Table 6 Calculation table of characteristic value ofbearing capacity of foundation pile

计算结果表明，假定地基发生浸水、土层湿陷深度在6.0 m，当桩长超过21.5 m(即桩端扩大头部分完全置于③层非湿陷性黄土)时，即能满足设计要求。

计算结果对比，湿陷性黄土的湿陷深度对基桩的设计长度影响巨大。

6 结语

湿陷性黄土地区进行岩土工程勘察，通过室内土工试验确定湿陷土层厚度是其重要工作之一，但仅仅依据室内土工试验确定的湿陷土层厚度进行地基处理及桩基设计显然过于保守，笔者认为应根据场地环境(如气象条件、地形地貌条件)综合分析地表水对湿陷性黄土层的影响，合理确定土层受水浸湿深度，并首次引入“多年最大浸湿深度”的概念，但遗憾的是受工作性质的限制，未能进行更深入的研究与论证，本文旨在“抛砖引玉”，文中假设条件可能存在错误，期盼专家、学者关注这个问题并开展这方面的研究工作。可以预见，在黄土地区按照“多年最大浸湿深度”设计，必将为工程建设带来较大的经济效益。