浅析湿陷性黄土地基处理方法

浅析湿陷性黄土地基处理方法

孙晓峰

（四川泰合英华建筑设计有限公司，四川成都610017）

摘要：湿陷性黄土地基处理的目的主要是通过消除黄土的湿陷性，提高地基的承载力。常用的地基处理方法有：土或灰土垫层、挤密桩法、强夯法、桩基础、预浸水法、载体桩等。本分通过对不同处理方法的分析，提出不同处理方法的适用范围以及其经济效益特点。

关键词：湿陷性黄土；地基处理方法

前言

本文是根据西安某项目经验，总结分析湿陷性黄土地基处理方法。此项目位于陕西省西安市，场地湿陷性黄土厚度4～6m，为非自重湿陷性黄土，对于非单层房屋，需经过消除湿陷性处理后才可用作持力层。本文通过对湿陷性黄土地基常用处理方法的总结分析，为湿陷性黄土地区地基处理及基础设计提供一定参考。

湿陷性黄土广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区的黄土多具湿陷性。黄土的湿陷性是指在一定压力下受水浸湿，土结构迅速破坏，并产生显著附加下沉。湿陷性黄土地基的变形包括压缩变形与湿陷变形。对于一般的建筑，压缩变形通常能满足规范要求，而湿陷变形通常具有局部、突然、不均匀性，对建筑物危害性很大。因此，为保证建筑的安全性与正常使用功能，往往需要对湿陷性黄土进行地基处理，消除其湿陷性或部分消除湿陷性。

湿陷性黄土地基的处理方法较多，应根据房屋类型、黄土的湿陷性等级、不同的区域选用不同的方法，达到安全、经济、施工方便，提高地基处理的综合效益。

1垫层法

垫层法实际上就是我们通常采用的换填法，是一种浅层处理湿陷性黄土地基的传统方法，我国已经有2000多年的应用历史，在湿陷性黄土地区使用较广泛，具有因地制宜、就地取材和施工简便等特点。这种方法就是将基底以下的湿陷性黄土全部或者部分挖除，然后采用素土或灰土分层夯实做成垫层，以全部或者部分消除湿陷量，减少地基的压缩变形与渗透性，提高地基承载力。

1.1适用范围

适用于地下水以上，处理土层厚度一般为1～3m。通过处理基底下部分湿陷性黄土层，可以减小地基的湿陷量。处理厚度超过3m时，挖填方量大、施工周期长，施工质量不易保证，选用时应通过技术经济比较。

地基承载力特征值要求不高的情况，土垫层承载力特征值不宜超过180KPa，灰土垫层承载力特征值不宜超过250KPa。

垫层分为局部垫层和整片垫层，当同时要求提高垫层土的承载力及增强水稳定性时，宜采用整片灰土垫层进行处理。

1.2素土垫层法

素土垫层法通常就地取材，将基坑挖出的黄土洒水润湿后，在最优或者接近最优含水量下分层回填、分层回填夯实。

1.3灰土垫层法

灰土垫层法是采用消石灰与土的2：8或3：7的体积比配合而成，经过筛分拌合，再分层回填夯实。

1.4其它

垫层的地基承载力特征值应根据现场原位试验结果确定。

垫层的施工质量，对其承载力和变形有直接影响。垫层的施工质量，应用压实系数λc控制：（1）小于或等于3m的土（或灰土）垫层，不应小于0.95；（2）大于3m的土（或灰土）垫层，其超过3m部分不应小于0.97。为了确保垫层的施工质量，施工中将土料过筛，在最优或接近最优含水量下，将土（或灰土）分层夯实至关重要。素土（或灰土）挤密桩法

采用沉管、冲击、夯扩、爆扩等方法成孔，然后在孔中填以素土或灰土，分层捣实，形成土桩。成桩时，通过成孔过程中的横向挤压作用，桩孔内的土被挤向周围，成桩时，通过成孔过程中的横向挤压作用，桩孔内的土被挤向周围，用素土分层夯实的桩体，称为土挤密桩；用灰土分层夯实的桩体，称为灰土挤密桩。二者分别与挤密的桩间土组成复合地基，共同承受基础的上部荷载。

2适用范围

灰土挤密桩法或土挤密桩法适用于处理地下水位以上的湿陷性黄土地基，处理深度宜为5～15m。

灰土挤密桩或土挤密桩，在消除土的湿陷性和减小渗透性方面，其效果基本相同或差别不明显，但土挤密桩地基的承载力和水稳性不及灰土挤密桩，选用上述方法时，应根据工程要求和处理地基的目的确定。当以提高地基的承载力或增强其水稳性为主要目的时，宜选用灰土挤密桩法；当以消除地基的湿陷性为主要目的时，宜选用土挤密桩法。

当地基土的含水量略低于最优含水量（指击实试验结果）时，挤密的效果最好；当含水量过大或者过小时，挤密效果不好。当地基土的含水量w≥24%、饱和度Sr＞65%时，一般不宜直接选用挤密法。

2.1桩的布置

挤密孔的孔位，宜按正三角形布置；灰土挤密桩或土挤密桩处理地基的面积，应大于基础或建筑物底层平面的面积。

2.2处理深度

灰土挤密桩或土挤密桩处理地基的深度，应根据建筑场地的土质情况、工程要求和成孔及夯实设备等综合因素确定。

2.3桩径

当挤密处理深度不超过12m时，不宜预钻孔，挤密孔直径宜为0.35～0.45m；当挤密处理深度超过12m时，可预钻孔，其直径（d）宜为0.25～0.30m，挤密填料孔直径（D）宜为0.50～0.60m。

2.4承载力

采用挤密法时，对甲、乙类建筑或在缺乏建筑经验的地区，应于地基处理施工前，在现场选择有代表性的地段进行试验或试验性施工，试验结果应满足设计要求，并应取得必要的参数再进行地基处理施工。

灰土挤密桩或土挤密桩复合地基的承载力特征值，应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。初步设计当无试验资料时，也可按当地经验确定，但对土挤密桩复合地基的承载力特征值，不宜大于处理前的1.4倍，并不宜大于180kPa；对灰土挤密桩复合地基的承载力特征值，不宜大于处理前的2.0倍，并不宜大于250KPa。

2.5灰土挤密桩与CFG桩复合地基

对于高层建筑，单独采用灰土挤密桩不能满足地基承载力要求，而单独采用CFG桩无法消除湿陷性，因此采用灰土挤密桩与CFG桩复合地基就成为一种较好的新方法。即先采用灰土挤密桩部分或者全部消除黄土的湿陷性，同时提高桩间土对CFG桩的侧摩阻力，再利用CFG桩桩体强度高的特点，大幅度提高复合地基的承载能力。由挤密短桩与CFG长桩间隔布置，两种桩的配合使用与桩间土组成三元复合地基。

灰土挤密桩通常按等边三角形或正方形布置，桩径、桩长、桩距视场地具体情况和湿陷性黄土层厚度确定。灰土挤密桩的三桩或四桩中心位置的黄土层可能全部或部分仍具有湿陷性。所以CFG桩宜布置在这些桩间位置，这样在施工时就可消除此部分黄土的湿陷性。CFG桩布置的疏密视具体情况来定可以只布置在基础范围内，选择承载力相对较高的土层作为桩端持力层。灰土挤密桩和CFG桩全部施工完毕后铺设褥垫层，褥垫层材料选用中砂、粗砂、级配良好的砂石或碎石等，最大粒径不宜大于30mm，厚度宜取150mm～300mm，根据施工经验，当桩径大或桩距大时褥垫层厚度取高值。褥垫层是复合地基的核心，它能保证桩、土共同承担荷载，调整桩、土应力比和桩、土水平荷载的分担，保证桩在水平荷载作用下不会断裂，减少基础底面的应力集中和避免基础剪切破坏。

根据较多工程经验灰土挤密桩与CFG桩分步处理湿陷性黄土地基，不仅消除了湿陷性，变负摩阻力为正摩阻力，使复合地基的承载力得到大幅度的提高，作为100m以下高层建筑的地基处理方案是可行的。同时，CFG桩工程造价为一般钢筋混凝土桩基的1/3～1/2，较传统的桩基础更为经济，值得在湿陷性黄土地区的高层建筑地基处理中推广。

2.6其它

因灰土挤密桩法或土挤密桩法具有就地取材、以土治土、原位处理、深层加密和费用较低的特点，在我国西北及华北等黄土地区已广泛应用。

孔内深层强夯法（DDC法）

DDC法是一种新型深层地基处理方法，该法先成孔至预定深度，然后自下而上分层填料强夯或边填料边强夯，形成高承载力的密实桩体和强力挤密的桩间土。

DDC法可以处理深厚的湿陷性黄土，一般处理深度20m左右，不宜超过30m。

用料标准低，就地取材：DDC技术的最大特之一就是对填料要求不严，可就地取材，凡是无机固体材料均可，如土、砂、碎石、建筑垃圾、碎砖块、混凝土块、粉煤灰等工业废料均可加以利用，而且不需要严格加工。

地基承载力提高显著，复合地基fk＝200～800kPa，为原天然地基的3～9倍。复合地基变形模量大，沉降变形小：变形模量显著提高，承载性状明显，地基变形量大为降低，E0值可达30～40MPa以上。

3社会经济效益好

该技术具孔内深层强夯的特征，故震动小，噪音低；消除渣土污染；可大量节约钢材、水泥，降低工程造价，一般可降低造价25～80%以上。

DDC技术具有适用范围广、用料标准低、处理效果佳、绿色环保、工程造价低、施工工期短等优势，具有较好的推广价值和应用前景。

4强夯法

强夯法又叫动力固结法，是利用起重设备将10～40t的重锤起吊到6～30m高处，然后使重锤自由落下，对黄土地基进行强力夯击，破坏其天然结构，减少其孔隙，达到加固地基、消除湿陷性的目的。

强夯法适用对地下水位以上饱和度Sr≤60%的湿陷性黄土地基，可处理的深度在3～12m。

采用强夯法处理湿陷性黄土地基，土的天然含水量宜低于塑限含水量1%～3%。在拟夯实的土层内，当土的天然含水量低于10%时，宜对其增湿至接近最优含水量；当土的天然含水量大于塑限含水量3%以上时，宜采用晾干或其他措施适当降低其含水量。

现工程中大量应用的1000～3000KN.m强夯能级，处理厚度3.5～6.5m，处理效率相对稳定、处理速度快捷、费用经济。

强夯土的承载力，宜在地基强夯结束30d左右，采用静载荷试验测定。根据相关工程经验，一般的湿陷性黄土经强夯处理后，地基承载力可达到250～350KPa。

5预浸水法

预浸水法是利用黄土浸水产生湿陷的特点，在施工前进行大面积浸水，使土体产生自重湿陷，达到消除深层黄土的湿陷的目的，再配合上部土层处理措施，来达到消除全部土层湿陷性的一种处理方法。

预浸水法宜用于处理湿陷性黄土层厚度大于1Om，自重湿陷量的计算值不小于500mm的场地。

预浸水法具有用水量大、工期长特点。处理1m2面积黄土需用水5～30t；一个场地从浸水起至下沉稳定及土的含水量降低到一定要求需要1年时间左右。因此，此法只能在具备充足水源、且施工时间允许的条件下才能采用。

地基预浸水结束后，在基础施工前应进行补充勘察工作，重新评定地基土的湿陷性，并应采用垫层或其他方法处理上部湿陷性黄土层。

6化学加固法

在我国湿陷性黄土地区地基处理应用很多，并取得实践经验的化学加固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、粘滞度很小的硅酸钠溶液顺利地渗入黄土孔隙中，另一方面溶液与土的相互凝结，土起着凝结剂的作用。

碱液加固：氢氧化钠溶液注入黄土后，首先与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反映，反映结果使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物。

7桩基础

使建筑物基础穿透湿陷性黄土层，直接将荷载传至黄土以下土层，常采用方法就是桩基础。一般采用预制桩、预应力管桩、灌注桩等。

在湿陷性黄土场地上的桩基础，桩周土受水浸湿后，桩侧阻力大幅度减小，甚至消失，当桩周土产生自重湿陷时，桩侧的正摩阻力迅速转化为负摩阻力。因此，在湿陷性黄土场地上，不允许采用摩擦型桩，设计桩基础除桩身强度必须满足要求外，还应根据场地工程地质条件，采用穿透湿陷性黄土层的端承型桩（包括端承桩和摩擦端承桩），其桩底端以下的受力层：在非自重湿陷性黄土场地，必须是压缩性较低的非湿陷性土（岩）层；在自重湿陷性黄土场地，必须是可靠的持力层。这样，当桩周的土受水浸湿，桩侧的正摩阻力一旦转化为负摩阻力时，便可由端承型桩的下部非湿陷性土（岩）层所承受，并可满足设计要求，以保证建筑物的安全与正常使用。

8载体桩

载体桩是一种全新的施工技术，它改变了传统的地基基础处理观念，选择下部层位稳定、土性较好的土层作为被加固土层，以桩端土体为研究对象。

载体桩其工艺是采用柱锤夯击土体成孔，然后将钢护筒套在柱锤上沉到设计标高后停止，再用柱锤击出护筒底一定深度，分批向孔内投入填充料和干硬性混凝土，用柱锤反复夯实、挤密，在桩端形成载体，最后放置钢筋笼，灌注桩身混凝土而成桩，也可在载体上放置预制好的管桩而成桩。该桩有上部的桩身和下部的载体组成，桩身为钢筋混凝土结构，载体是避软就硬，以碎砖、碎石、混凝土块等位填充料，在持力层内夯扩加固挤密形成的多种材料组成的复合体。载体由干硬性混凝土、填充料、挤密土体三部分组成。其核心是基于深层土体的密实理论。

该桩与其他桩型的最大区别在于它不是通过桩身形状、桩径、桩端面积的改变来提高承载力，而是利用柱锤对填充料进行夯实挤密，挤密区土体收到很大夯击能量对侧向周围影响土体时价侧向挤压力进行有效的加固挤密。土体变的密实，变形模量有较大提高，所以较大幅度的提高地基承载力。载体受力与传统夯扩装手里是完全不同的，夯扩桩靠桩侧与桩端扩大头承载，而载体桩施工完毕后，深层载体为直径2～3m、厚度与3～5m的密实混合体（砂层除外），载体桩的承载特性是受力扩散，因此它是一种扩展基础。桩身将上部结构荷载传递到载体，再用载体传递并扩散到承载力搞得持力层土体，承载力的验算可以等效为扩展基础的承载力验算。当承台梁下采用载体桩时，桩端深层独立基础；当采用满堂布置载体桩时，桩端载体在扩地等效为桩端深度处的筏板基础，故载体桩施工工艺实际上是一种将条基、独立基础、筏板基础等进行深层施工的技术。

9结语

目前在我国湿陷性黄土地区最常用的地基处理方法包括：土（或灰土）垫层、土（或灰土）挤密桩、强夯和桩基础等。化学加固法由于造价高，一般仅用于湿陷事故处理。DDC桩在湿陷性黄土地区近几年来应用较多，在湿陷性黄土不同地区使用时其孔内充填材料有所不同。除上述几种方法外，预浸水、载体桩、热加固、水下爆扩等也曾用于湿陷性黄土地基处。预浸水法可以消除大厚度黄土地基的自重湿陷性，但其缺点是需水量大，要有一定的水源保证，工期较长，至少需要提前一年进行，浸水后尚需结合其他地基处理方法处理上层土，因而其广泛使用受到限制，我国目前使用也不是很多。载体桩由于其可靠性高、施工方面、造价较底等优势，近几年也逐渐用于处理湿陷性黄土。

本文中提到的西安某项目采用了两种处理湿陷性的方法：（1）33层高层筏板基础下采用灰土挤密桩与CFG桩复合地基；（2）多层商业部分采用灰土垫层法，独立基础下换填1m深灰土。此两种方法均为最近几年处理湿陷性黄土的常用方法，其具有可靠、经济、施工方便等特点。

参考文献：

[1]GB50025-2004湿陷性黄土地区建筑规范[S]

[2]CECS197：2006孔内深层强夯法技术规程[S]

[3]JGJ135-2007载体桩设计规程[S]