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淺談濕陷性黃土地基的處理方法

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  摘要:黃土地區經常發生水土流失、地基濕陷、水庫邊坡、路塹及黃土源邊滑坡及崩塌等災害性地質活動,對工農業建設及人民生活經常造成嚴重危害,所以采用適合的處理方法處理黃土的失陷性對工程具有重要的意義。

  關鍵詞:濕陷性黃土;地基處理;強夯法;灰土擠密法

  在西北、華北地區常會遇到黃土地基處理問題,通常包括低濕度濕陷性黃土以消除或減小濕陷變形危害為主要目的,同時需提高地基承載力的地基處理問題,以及高濕度軟弱黃土(尤其是飽和黃土,多由濕陷性黃土飽水轉化而成,飽和度Sr﹥80%)以提高地基承載力、減少有害壓縮變形為目的的地基處理問題。由于后者的工程特性多與一般粘性土類似,主要應考慮地基的壓縮變形,可按軟弱粘性土對待,而前者則主要應考慮地基受水浸濕后的濕陷變形。

  一、墊層法

  墊層法是先將基礎下的濕陷性黃土一部分或全部挖除,然后用素土或灰土分層夯實做成墊層,以便消除地基的部分或全部濕陷量,并可減小地基的壓縮變形,提高地基承載力,可將其分為局部墊層和整片墊層。當僅要求消除基底下1~3m濕陷性黃土的濕陷量時,宜采用局部或整片土墊層進行處理;當同時要求提高墊層土的承載力或增強水穩性時,宜采用局部或整片灰土墊層進行處理。

  墊層的設計主要包括墊層的厚度、寬度、夯實后的壓實系數和承載力設計值的確定等方面。墊層設計的原則是既要滿足建筑物對地基變形及穩定的要求,又要符合經濟合理的要求。同時,還要考慮以下幾方面的問題:

  1.局部土墊層的處理寬度超出基礎底邊的寬度較小,地基處理后,地面水及管道漏水仍可能從墊層側向滲入下部未處理的濕陷性土層而引起濕陷,因此,設置局部墊層不考慮起防水、隔水作用,地基受水浸濕可能性大及有防滲要求的建筑物,不得采用局部土墊層處理地基。

  2.整片墊層的平面處理范圍,每邊超出建筑物外墻基礎外緣的寬度,不應小于墊層的厚度,即并不應小于2m。

  3.在地下水位不可能上升的自重濕陷性黃土場地,當未消除地基的全部濕陷量時,對地基受水浸濕可能性大或有嚴格防水要求的建筑物,采用整片土墊層處理地基較為適宜。但地下水位有可能上升的自重濕陷性黃土場地,應考慮水位上升后,對下部未處理的濕陷性土層引起濕陷的可能性。

  二、重錘表層夯實及強夯

  重錘表層夯實適用于處理飽和度不大于60%的濕陷性黃土地基。一般采用2.5~3.0t的重錘,落距4.0~4.5m,可消除基底以下1.2~1.8m黃土層的濕陷性。在夯實層的范圍內,土的物理、力學性質獲得顯著改善,平均干密度明顯增大,壓縮性降低,濕陷性消除,透水性減弱,承載力提高。非自重濕陷性黃土地基,其濕陷起始壓力較大,當用重錘處理部分濕陷性黃土層后,可減少甚至消除黃土地基的濕陷變形。因此在非自重濕陷性黃土場地采用重錘夯實的優越性較明顯。

  強夯法加固地基機理一般認為,是將一定重量的重錘以一定落距給予地基以沖擊和振動,從而達到增大壓實度,改善土的振動液化條件,消除濕陷性黃土的濕陷性等目的。強夯加固過程是瞬時對地基土體施加一個巨大的沖擊能量,使土體發生一系列的物理變化,如土體結構的破壞或排水固結、壓密以及觸變恢復等過程。其作用結果是使一定范圍內的地基強度提高、孔隙擠密。

  單點強夯是通過反復巨大的沖擊能及伴隨產生的壓縮波、剪切波和瑞利波等對地基發揮綜合作用,使土體受到瞬間加荷,加荷的拉壓交替使用,使土顆粒間的原有接觸形式迅速改變,產生位移,完成土體壓縮-加密的過程。加固后土體的內聚力雖受到破壞或擾動有所降低,但原始內聚力隨土體密度增大而得以大幅提高;單點強夯如圖1所示,夯錘底下形成夯實核,呈近似的拋物線型,夯實核的最大厚度與夯錘半徑相近,土體成千層餅狀,其干密度大于1.85g/cm3

  三、擠密樁法

  擠密樁法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基,施工時,先按設計方案在基礎平面位置布置樁孔并成孔,然后將備好的素土(粉質粘土或粉土)或灰土在最優含水量下分層填入樁孔內,并分層夯(搗)實至設計標高止。通過成孔或樁體夯實過程中的橫向擠壓作用,使樁間土得以擠密,從而形成復合地基。值得注意的是,不得用粗顆粒的砂、石或其它透水性材料填入樁孔內。

  灰土擠密樁和土樁地基一般適用于地下水位以上含水量14%~22%的濕陷性黃土和人工黃土和人工填土,處理深度可達5~10米。灰土擠密樁是利用錘擊打入或振動沉管的方法在土中形成樁孔,然后在樁孔中分層填入素土或灰土等填充料,在成孔和夯實填料的過程中,原來處于樁孔部位的土全部被擠入周圍土體,通過這一擠密過程,從而徹底改變土層的濕陷性質并提高其承載力。其主要作用機理分兩部分:

  (一)機械打樁成孔橫向加密土層,改善土體物理力學性能

  在土中擠壓成孔時,樁孔內原有土被強制側向擠出,使樁周一定范圍內土層受到擠壓,擾動和重塑,使樁周土孔隙比減小,土中氣體溢出,從而增加土體密實程度,降低土壓縮性,提高土體承載能力。土體擠密范圍,是從樁孔邊向四周減弱,孔壁邊土干密度可接近或超過最大干密度,也就是說壓實系數可以接近或超過1.0,其擠密影響半徑通常為1.5~2d(d為擠密樁直徑),漸次向外,干密度逐漸減小,直至土的天然干密度,試驗證明沉管對土體擠密效果可以相互疊加,樁距愈小,擠密效果愈顯著。

  (二)灰土樁與樁間擠密土合成復合地基

  上部荷載通過它傳遞時,由于它們能互相適應變形,因此能有效而均勻地擴散應力,地基應力擴散得很快,在加固深度以下附加應力已大為衰減,無需堅實的下臥層。

  一般來說,擠密樁可以按等邊三角形布置,這樣可以達到均勻的擠密效果。每根樁都對其周圍一定范圍內的土體有一定的擠密作用,即使樁與樁之間有一小部分尚未被擠密的土體,因為其周圍有著穩定的、不會發生濕陷的邊界這一部分也不會發生濕陷變形。樁與其周圍被擠密后的土體共同形成了復合地基,一起承受上部荷載。可以說,在擠密樁長度范圍內土體的濕陷性已完全被消除處理后的地基與上部結構渾然一體,即使樁底以下土后的土體即使有沉降變形,也是微小的和均勻的,不致對上部結構形成威脅。樁的間距的大小直接影響到擠密效果的好壞,也與工程建設的經濟性密切相關。

  四、樁基礎

  樁基礎既不是天然地基,也不是人工地基,屬于基礎范疇,是將上部荷載傳遞給樁側和樁底端以下的土(或巖)層,采用挖、鉆孔等非擠土方法而成的樁,在成孔過程中將土排出孔外,樁孔周圍土的性質并無改善。但設置在濕陷性黃土場地上的樁基礎,樁周土受水浸濕后,樁側阻力大幅度減小,甚至消失,當樁周土產生自重濕陷時,樁側的正摩阻力迅速轉化為負摩阻力。因此,在濕陷性黃土場地上,不允許采用摩擦型樁,設計樁基礎除樁身強度必須滿足要求外,還應根據場地工程地質條件,采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁(包括端承樁和摩擦端承樁),其樁底端以下的受力層:在非自重濕陷性黃土場地,必須是壓縮性較低的非濕陷性土(巖)層;在自重濕陷性黃土場地,必須是可靠的持力層。這樣,當樁周的土受水浸濕,樁側的正摩阻力一旦轉化為負摩阻力時,便可由端承型樁的下部非濕陷性土(巖)層所承受,并可滿足設計要求,以保證建筑物的安全與正常使用。

  五、化學加固法

  在我國濕陷性黃土地區地基處理應用很多,并取得實踐經驗的化學加固法包括硅化加固法和堿液加固法,其加固機理如下:

  硅化加固濕陷性黃土的物理化學過程,一方面基于濃度不大的、粘滯度很小的硅酸鈉溶液順利地滲入黃土孔隙中,另一方面溶液與土的相互凝結,土起著凝結劑的作用。

  堿液加固:利用氫氧化鈉溶液加固濕陷性黃土地基在我國始于20世紀60年代,其加固原則為:氫氧化鈉溶液注入黃土后,首先與土中可溶性和交換性堿土金屬陽離子發生置換反映,反映結果使土顆粒表面生成堿土金屬氫氧化物。

  六、預浸水法

  預浸水法是在修建建筑物前預先對濕陷性黃土場地大面積浸水,使土體在飽和自重應力作用下,發生濕陷產生壓密,以消除全部黃土層的自重濕陷性和深部土層的外荷濕陷性。預浸水法一般適用于濕陷性黃土厚度大、濕陷性強烈的自重濕陷性黃土場地。由于浸水時場地周圍地表下沉開裂,并容易造成“跑水”穿洞,影響建筑物的安全,所以空曠的新建地區較為適用。

  七、結論

  本文論證了濕陷性黃土地基常用處理方法的選用原則、適用范圍、可能處理深度及效果,同時對各處理方法應注意事項和可能帶來的負面作用等也進行了概述,這為工程場地地基處理方案的選型論證及實施提供了技術支持。

  參考文獻:

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