湿陷性黄土地湿陷机理及地基处理措施探讨

http://www.chinaqking.com 期刊门户-中国期刊网2011/4/8来源:《价值工程》2011年4月上旬供稿文/焦增荣
[导读]湿陷性黄土地基易变形,会使建筑物大幅度沉降、折裂及倾斜。

焦增荣 Jiao Zengrong(山西省地质勘察局214地质队,运城 044000)
(214Geological Team of Bureau of Geology Exploration in Shanxi Provence,Yuncheng 044000,China)
摘要:湿陷性黄土地基易变形,会使建筑物大幅度沉降、折裂及倾斜。本文从湿陷性黄土的定义及特征出发,分析了湿陷性黄土的湿陷机理及湿陷评价指标,并对湿陷性黄土地基的处理措施进行了探讨。
Abstract: The collapsibility farmland is easy to change, which make the make building appear substantial settlement, fracture and tilt. In this paper, from the definition and characteristics of collapsibility farmland, the collapsible mechanism and evaluation index of collapsibility farmland are analyzed, and the treatment measures were discussed.
关键词:湿陷性黄土地;湿陷机理;地基处理
Key words: collapsibility farmland;collapsible mechanism;foundation treatment
中图分类号:TU4        文献标识码:A     文章编号:1006-4311(2011)10-0063-02
        1  湿陷性黄土定义及特征
        黄土在自重压力或附加压力的作用下,受水浸蚀后,导致土质结构迅速破坏,加固粘聚力消失,产生下沉、变性及土质强度下降现象,被称之为湿陷。根据湿陷性黄土的上覆压力的性质可分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土两类,其具含以下几种土质特征。①湿陷性。黄土在受水浸蚀后,且在自重压力或附加压力下,产生土质结构中的易溶盐类溶解,使颗粒间作用力遭受破坏,且互引力大于自身重力,引致土粒形成蜂窝状结构;并在外荷载作用下,致使土粒间隙之间扩展、相通,最终造成土质强烈变形,强度下降,形成湿陷特征。②直立性。湿陷性黄土具有较高强度和较小的压缩性,在天然含水较少的状态下,能支撑近90度的天然陡壁边坡。③膨胀性和崩解性。湿陷性黄土遇水膨胀,干旱收缩,反复交替造成土质易崩解并形成裂纹,影响路基质量。④难压实及水敏感性。湿陷性黄土的最大干密度、最佳含水量较高,难达到碾压密实条件,且湿陷性黄土对水含量敏感,含水量小易扬尘,大则翻浆。
        2  湿陷性黄土地的湿陷机理及湿陷评价
        2.1 湿陷性黄土成因  研究表明,黄土是在干旱条件下风尘堆积物经黄土化过程形成的,是在一定地质时期受干冷气候作用形成的古土壤。其中,沉积与固结过程是形成土结构的主要过程,随后经过风化、浸蚀进而改变了土的本质矿物成分及土质结构。研究表明,土壤的湿陷性与气候有关,干旱造就湿陷性强的土壤,半干旱与半湿润造就湿陷性弱的土壤,温和气候造就的土壤不显示湿陷性。
        2.2 造成黄土湿陷原因  造成黄土湿陷的原因主要有三种:①黄土的力学性质从内部改变了黄土在浸水及外部荷载因素下,使剪应力超过抗剪强度,从而发生湿陷。②黄土内部受浸水湿化作用下,使土壤自身摩擦力降低,外部扰动作用诱发湿陷。③黄土内部结构发生崩解,使黄土颗粒间胶结强度弱化,颗粒间相对迁移,并伴随小颗粒进入大间隙。同时由于颗粒间胶结被水溶解,在外部扰动作用下强度已不堪平衡,造成土质结构损坏。
        2.3 湿陷性黄土的变化规律  黄土湿陷系数是随着压力的增加而增大。当压力增加到一定数值时,湿陷达到最大值,其后随压力的增加开始逐渐减小,只有压力刚好等于峰值湿陷系数的压力时,土样的湿陷作用才发挥得最充分,湿陷系数才最大。只有当压力超过湿陷初始压力且不大于湿陷最高压力时,饱和浸水才可能会产生相当或不小于0.015的湿陷变性。因此在工程建设中应计算出合适的地基压力,尽量使压力小于湿陷初始压应力且或者大于湿陷最高压力,可以才可能减少湿陷对工程的影响。研究表明,黄土湿陷性是随着土壤深度的增加而湿陷性逐渐降低,深度越大,湿陷性反应越小,其建设工程的性质也就越好;黄土间孔隙比例越大,其湿陷性越严重,且初始孔隙比与湿陷等级有随着深度增加而湿陷减少的趋势。一般情况下,在黄土湿陷数值初始阶段,黄土结构间的压缩量随压力增加而增大,但达到某一程度时,随压力的增大而土质结构压缩量逐渐减小,同时在相通荷载作用下,湿陷性黄土的压缩量随深度增加而减小。多数实验还表明黄土的湿陷性与浸水有直接关联。湿陷程度随含水量增加而减弱,致密饱水黄土的湿陷性很弱或基本不具有湿陷性。黄土只有在含水率达到一定值时才会发生湿陷,使黄土发生湿陷时的最低含水率为湿陷起始含水率。当含水量相等时,湿陷程度随浸湿程度增加而加强。且当压力达到某一数值,湿陷性黄土的含水量在湿陷起始含水量与饱和含水量之间变化时,湿陷系数与含水量之间成线性关系。致密饱水黄土的湿陷性很弱或基本不具有湿陷性。
        2.4 湿陷性黄土的评价指标  δs被地质学作为湿陷系数符号,代表着以δs为单位的厚度土层由于浸水在规定压力作用下产生的湿陷数值,定量标识了土样代表的湿陷等级系数。地质上对黄土湿陷等级系数已有明确的划分。判断土质是否具备湿陷性为,δs<0.015为非湿陷性黄土;δs≥0.015时为湿陷性黄土。判断湿陷性黄土的湿陷等级系数为,0.015≤δs≤0.03为轻微湿陷;0.03≤δs≤0.07为中等湿陷;δs>0.07为强烈湿陷。判断湿陷性黄土场地的湿陷类型为,自重湿陷量的实测值≤70mm为非自重湿陷性黄土场地;自重湿陷量的实测值>70mm为自重湿陷性黄土场地。判定湿陷性黄土湿陷等级系数可按照《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB50025-2004)的规定进行黄土湿陷等级系数判定。(表1)因此,在黄土地区修建工程应优先考虑选用非湿陷黄土地基,假如建筑工程已规划在了湿陷性黄土上,应尽量选用非自重湿陷性黄土地基。因为这种地基与自己重湿陷性黄土地基相比,要求较低。
       
        3  湿陷性黄土地基的常用处理措施
        3.1 地基处理  湿陷性黄土地基处理常用的方法有垫层法、强夯法、挤密法、浸水法和单液硅化或碱液加固法。这些处理方法均主要用于改善土壤力学性质,消除或减弱湿陷变形。①垫层法。垫层法是一种浅层处理湿陷性黄土地基的传统方法,此法具有因地制宜、就地取材和施工简便等特点。该方法适用于地下水位以上,可处理湿陷性黄土层厚度为1~3m。施工时先将湿陷性黄土挖出,并利用周边其他具有黏性土作填料,经过灰土搅拌后在最接近含水量分层进行回填、夯实至设计表高。此法消除了垫层范围的湿陷性,避免了地基因压力产生的自重湿陷。值得注意的是:对于湿陷性黄土地基,都不得采用具备如砂土那样的透水性材料做垫层,以免导致地基水浸;同时在施工中还应该注意地基的含水量不易过大、垫层处理的宽度要符合要求及施工中碾压分层的厚度不宜大于30cm。②强夯法。强夯法是利用100kN以上的重锤自由下落将一定深度的湿陷性黄土夯实紧密状态,同时强夯法还可将预留夯实的表层土直接夯成基坑或基槽。其强夯的夯力取决于施工设备的黄土厚度和要求消除湿陷性黄土的有效深度,一般取1000KN·m/m2~4000KN·m/m2。该法一般适用于地下水位以上,饱和程度小于60%的湿陷性黄土。由于此法设备需求简单且原理简单,对非饱和土加固效果显著,因而是目前最经济实惠的地基加固方法之一。但是在施工过程中使用该法值得注意的是:在设计阶段应周全考虑湿陷性黄土的等级系数、位置、场地等;由于强夯影响到深度内土的含水量差异,会导致局部处理效果不佳,此刻应采用增湿或减湿来避免橡皮土状态;在施工过程中还需要严格把好质量工序关,在试夯时应根据最后夯击的沉降量来确定夯击次数;最后做好强夯施工的记录,做好土样实验,检测土的压缩系数和实现系数与强夯土的承载力。③挤密法。挤密法是指在工时,先按设计方案在基础平面位置布置桩孔并成孔,然后将备好的素土或灰土在最优含水量下分层填入桩孔内,并分层夯实至设计标准。通过成孔或桩体夯实过程中的横向挤压作用,使桩间土得以挤密,从而形成复合基。该法适用于地下水位以上且饱和度小于等于65%的湿陷性黄土,处理厚度在5~15m之间。在施工中同时需要注意的是:选择代表地段进行试验施工,取得必要相关参数进行工程施工;孔底填料需夯实,且系数不小于0.97;在松动土的预留厚度应在0.5~0.7m之间;在挤密地基时应填充0.5m后的灰土在基底作为垫层;在大型工程处理中,还应在处理深度内分层取样测定挤密土的湿陷性及孔内填料压实度。④浸水法。预浸水法是指在修建工程前预先对湿陷性黄土场进行大面积浸水,使黄土在自重应力作用下发生湿陷产生压力,进而消除黄土层的自重湿陷性和土层内部的外荷湿陷性。此法一般适用于土层厚度大于10m,且自重湿陷性计算值不小于500mm的湿陷性黄土场地。预浸水法适用于处理湿陷性黄土层厚度大于10m,自重湿陷量的计算值不小于500mm的场地。预浸水法可消除地面6m以下土层的湿陷性,6m以上土层的湿陷性可采用垫层等方法给予处理。此法在工程施工中需要注意的是需要一定的浸水时间、停水时间才能进行施工。⑤化学加固法。我国治理湿陷性黄土地基具有实践经验的包括单液硅化和碱液加固法:单液硅化加固湿陷性黄土一方面作用于浓度及粘滞度小的硅酸钠溶液渗透进黄土空隙中,与土质内部结构相互凝结,起着凝结剂的作用;碱液加固是利用氢氧化钠溶液与黄土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反映,反映结果使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物,进而起到加固作用。
        3.2 防水处理措施  防水处理的目的在于控制黄土地基在使用中的含水率小于湿陷起始含水率。其处理措施可采用:①基本防水措施,如在建筑场地布置防水渠道、在地面进行防水及散水的各项防水措施干预;②检漏防水措施,如在建筑场地增加及检漏井;③严格防水措施,即对重要建筑场所及等级系数高的湿陷地基进行在检漏防水的基础上对防水地面、检漏管沟、检漏管等设施提高设计标准,如增加卷材防水层、采用钢筋混凝土排水沟等。
        3.3 结构处理措施  使建筑场地的建筑物与地基变形相适应,或者使建筑物的不均匀沉降减小,也可用沉降缝分成若干个体型简单的独立单元,用增设圈梁、基础梁、构造柱等方法,加强建筑物上部结构的整体刚度。
        4  结语
        本文对湿陷性黄土的湿陷机理及湿陷评价指标进行概述,着重对湿陷性黄土地基的常用处理措施进行探讨,从中分析了各项处理方法的定义、处理方位和注意事项进行了概述。本文认为应针对不同自然条件和工况下的湿陷性黄土地基的自身特点,采取“因地制宜” 处理原则,以相应措施对湿陷性黄土地基进行处理。
  参考文献:
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