湿陷性黄土地基处理技术探讨

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  (西安工业大学建工学院 陕西 西安 710032)
  【摘 要】湿陷性黄土地区的建筑地基按照建筑物的用途与荷载需进行适当的地基处理,并选择合适的基础型式。本文针对湿陷性黄土在压力作用下受水浸湿引起湿陷变形的特点,论述了湿陷性黄土地基处理的原则,并结合建筑物的不同类型,提出了消除地基全部湿陷量和部分湿陷量的处理厚度以及局部处理和整片处理的宽度及作用等问题。
   【关键词】湿陷性黄土;地基处理
  The discussion on Collapsible loess foundation treatment technology
  
  Zheng Ai-wu
  (Architecture and Civil Engineering Xi'an Technology University Xi'an Shanxi 710032)
   【Abstract】The buildings' base of Collapsible loess region needs to be processed properly and choose appropriate foundation forms according to the buildings' usage and load. Aiming at the deformation characteristics of collapsible loess under the action of water pressure, this paper discusses the principles of collapsible loess foundation treatment. Combining with different types of buildings, the paper also proposes the elimination of the foundation's soaked quantity, the handling thickness of part of soaked quantity and local processing, the width of full wafer processing and the role of the problem.
   【Key words】Water-collapsible loess;Foundation treatment
  
  1. 前言
   湿陷性黄土泛指饱和的结构不稳定的黄色土,严格说来它是一种非饱和的欠压密土,具有大孔和垂直节理,在天然湿度条件下,其压缩性较低,承载能力比较高,但遇水侵蚀时,在附加压力或附加压力与其自重压力共同作用下引起湿陷变形,土的结构迅速破坏,引起其强度显著降低的同时,承载能力也明显降低。它的这种特性,会对结构物带来不同程度的危害,使路基及地面结构物大幅度沉降、折裂、倾斜,严重影响其安全和正常使用。湿陷性黄土地基处理,常用的方法是在其竖向或横向采用夯实挤密的方法,使处理范围内土的孔隙体积减小,干密度增大,压缩性降低,消除湿陷性,从而使地基土的承载能力得到明显提高。
  2. 湿陷性黄土地基处理的原则
   湿陷性黄土地基的变形,包括压缩变形和湿陷变形。压缩变形是地基土在天然湿度条件下由建筑物的荷载所引起,其变形量随时间增长而逐渐减小,稳定较快,工程竣工后一年左右即趋于稳定。从压缩变形的角度考虑,除对压缩性较高、承载力较低的新近堆积黄土及高湿度黄土需要进行地基处理外,对压缩性较低、承载力较高的黄土可不采取处理措施。湿陷变形是当地基的压缩变形还未稳定或稳定后,建筑物的荷载未改变,由于建筑物的地基受水侵蚀引起的,这种变形常常是局部或突然发生的,很不均匀,尤其是受水侵蚀初期,往往在1~2天内就可能产生20~30cm的变形量,这种量大、速率快而又不均匀的变形往往使建筑物发生严重变形甚至破坏,危害也比较严重。而湿陷的出现完全取决于受水浸湿的机率。有的建筑物在施工期间即产生湿陷事故,而有的则在几年甚至几十年后才出现事故。
   湿陷性黄土地基处理的目的:一是消除其全部湿陷量,使处理后的地基变为非湿陷性黄土地基,或采用深基础、桩基础穿透全部湿陷性黄土层,使上部荷载通过深基、桩基等转移至压缩性低的非湿陷性土(岩)层上,防止建筑物地基产生湿陷;二是消除地基的部分湿陷量,减小拟处理地基的总湿陷量,控制下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不大于规定的数值。
   基于甲类建筑的重要性,规范规定不允许出现任何破坏性变形,同时也不允许因变形而影响正常使用,所以对这类建筑地基处理要求比较严格,要求消除地基的全部湿陷量。乙类和丙类工程设计的面比较广,只要求消除其地基的部分湿陷量,然后根据地基处理的具体情况采取相应的结构措施和防水措施,以弥补地基处理的不足,保保障其主体结构的整体稳定和安全。
  3. 湿陷性黄土地基处理厚度的确定
   湿陷性黄土地基的处理厚度,根据其变形范围,可分为处理湿陷变形范围内的全部湿陷性黄土层和处理湿陷变形范围内的部分湿陷性黄土层两种。前者在于消除建筑物地基的全部湿陷量;后者在于消除建筑物地基的部分湿陷量。
   3.1 消除建筑物地基全部湿陷量的处理厚度。试验研究结果表明,对非自重湿陷性黄土地基,消除其全部湿陷量的处理厚度,应将基础底面以下附加应力与上覆土的饱和自重压力之和大于或等于湿陷起始压力的所有土层进行处理:
   即Pzi + Pczi≤Pshi (1)
   式中 Pzi——地基处理后下卧层顶面的附加压力(KPa);
   Pczi——地基处理后下卧层顶面的土自重压力(KPa);
   Pshi——地基处理后下卧层顶面土的湿陷起始压力(KPa)。
   当湿陷起始压力资料不能满足设计要求时,消除地基全部湿陷量的处理厚度,可按受压层深度的下线确定,处理至附加压力等于土自重压力20%(即Pz=0.2 Pcz)的土层深度至。
   在自重湿陷性黄土场地,建筑物地基浸水时,外荷湿陷与自重湿陷往往同时产生,处理基础底面下部分湿陷性黄土层,只能减小地基的湿陷量,欲消除建筑物地基的全部湿陷量,应处理基础底面以下的全部湿陷性黄土层。
   3.2 消除建筑物地基部分湿陷量的处理厚度。调查资料表明,当地基处理后的剩余湿陷量大于22cm时,建筑物在使用期间,地基受水浸湿均产生严重或较严重的湿陷事故;当地基处理后的剩余湿陷量介于22~13cm时,建筑物在正常使用期间,地基受水浸湿均产生轻微湿陷事故,见表1.
  根据上述调查资料的工程实例认为,对乙类建筑,要求消除其地基部分湿陷量的最小处理厚度:在非自重湿陷性黄土场地,不应小于受压厚度的2/3,在自重湿陷性黄土场地不应小于湿陷性黄土层厚度的2/3,且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不宜大于10cm.
   当湿陷性黄土层的厚度或基地宽度较大,处理2/3受压层或2/3湿陷性黄土厚度确有困难时,在建筑物范围内可采用整片处理。整片处理湿陷性黄土的厚度:在非自重湿陷性黄土场地,不应小于4m;在自重湿陷性黄土场地,不应小于6m,且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于15cm.
   丙类建筑包括多层办公楼、住宅楼、教学楼,建筑物的内外一般装有上、下水管,使用期间建筑物局部范围内存在漏水的可能性,消除地基部分湿陷量的最小处理,可采用表2中的数值。
  在Ⅲ、Ⅳ级自重湿陷性场地,对多层丙类建筑地基宜采用整片处理,且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于20cm.
   3.3 下卧层的验算。湿陷性黄土地基经处理后,土的干密度增大,压缩性降低,承载力提高。其提高的幅度与处理方法及处理前后土的性质有关,并可通过现场静载荷载试验、静力触探试验等方法确定,也可结合当地建筑经验确定,下卧层顶面的承载力应符合下式要求:
   PZ+PCZ<FZ (2)
  式中:PZ——下卧层顶面的附加压力(KPa);
   PCZ——下卧层顶面的土自重压力(KPa);
   FZ——下卧层顶面经深度修正后的承载力设计值(KPa)。
   地基处理后,下卧层顶面的附加压力PZ,对条形基础和矩形基础,可分别按下列公式计算:
   条形基础: PZ= b(p-pc)b+2ztg
   矩形基础: PZ= lb(p-pc)(b+2ztg)(l+2ztg)
  式中 b——条形(或矩形)基础底边的宽度(m);
   l——矩形基础底边的长度(m);
   p——矩形基础的平均压力设计值(KPa);
   z——基础底面至处理土层底面的距离(m);
   θ——地基压力扩散线与垂直线的夹角,一般为22°~30°,用素土处理宜取小值,用灰土处理宜取大值,当处理厚度小于基地短边宽度的1/4时(即Z<0.25b),取θ=0.
  4. 湿陷性黄土地基处理宽度的确定
   建筑物的地基处理,在平面上可分为局部处理和整片处理。前者是在独立(方形或矩形)基础或条形基础底面下进行,使基地压力得以扩散,以减小下卧层顶面的附加应力;后者是在整个建筑物的平面范围内(包括基础底面以下)进行处理,以增强防水效果。
   在未处理的湿陷性黄土地基上所做的浸水载荷试验结果表明,面积较小的独立基础和条形基础下,土的侧向位移约占总湿陷量40~60%,其侧向位移范围一般发生在距基地边缘0.5~0.75倍的基础宽度内,因此,为防止或减小湿陷性黄土地基的湿陷变形,应将基础下可能发生位移的所有土层包括在处理范围以内。以阻止其侧向基础。局部处理超出基础底面的宽度:对非自重湿陷性黄土地基,每边不应小于短边长度的0.25倍,并不应小于0.5m;对自重湿陷性黄土地基,每边不应小于短边长度的0.75倍,并不应小于1.0m。也可分别按下式计算:
   非自重湿陷性黄土地基: A=1.5(b+0.5a) (3)
   自重湿陷性黄土地基: A=2.5(b+0.5a) (4)
  式中 A——拟处理地基的面积(m2)
   a、b——分别为基础底面短边和长边的长度(m)。
   局部处理超出基础底面的宽度较小,地基处理后,地面水及管道漏水等仍可从基础侧向渗入下部未处理的湿陷性黄土层引起湿陷,对地基受水浸湿可能性大的建筑物,不宜采用局部处理。
   整片处理超出建筑物外墙基础外缘的宽度,每边不宜小于拟处理湿陷性黄土层厚度的1/2,并不应小于2m。整片处理兼有防水、隔水作用,在地下水位不可能上升的自重湿陷性黄土场地,当未消除地基的全部湿陷量时,对地基受水浸湿可能性大或有严格防水要求的建筑物,宜采用整片处理;当地下水位有可能上升时,应考虑水位上升后,对下部未处理的湿陷性黄土层引起湿陷的可能性。
  5. 湿陷性黄土地基常用处理方法的选择
   湿陷性黄土地基处理,应根据建筑物的类别、场地的湿陷类型、湿陷性黄土的厚度、湿陷系数、自重湿陷系数、湿陷起始压力沿土层深度的分布,并考虑因地制宜、就地取材、保护环境以及施工条件的可能性等因素,通过技术经济分析比较后,可选用表3中的一种或几种相结合的处理方法。
   地基处理施工前,对已选定的处理方法,宜在有代表性的场地上进行试验或试验性施工,通过必要的测试,以检验设计参数和处理效果,如果不满足设计要求,应及时查明原因或修改设计。
   当采用垫层法、夯实法或挤密法处理湿陷性黄土地基时,应根据工程要求使用素土或灰土作填料,但不得使用砂、石等粗颗粒的材料作填料,以防止浸湿未处理的湿陷性土层。在雨季、冬季选用上述方法施工期间,应采取防雨、防冻措施,保护备好的土料和灰土不受雨水淋湿或冻结,并应防止地面水流入已处理和未处理的基坑或基槽内。
   当基础荷载较大,采用地基处理方法的承载力不能满足设计要求时,应采用桩基础(包括扩底或不扩底的灌注桩和静力压入或打入的预制桩)穿透湿陷性黄土层,使桩底端支承在压缩性低的非湿陷性土(岩)层中。这样,当桩周土受水浸湿,桩侧的正摩阻力转化为负摩阻力时,桩顶的上部荷载,便可由桩底端下部非湿陷性土(岩)层所承受,同时桩基地基也不致因浸水引起湿陷。
  6. 结语
   近年来,随着我国湿陷性黄土地区基本建设事业的发展,建设用地日趋紧张,许多大型工程建设项目不得不建造在大厚度的湿陷性黄土场地上,因而地基处理的深度和难度越来越大,而现有的地基处理方法(包括高能量强夯和孔内夯实挤密法等),一般只能消除基地下10~20m地基上的湿陷性,当基地下的湿陷性黄土层厚度大于20m时,往往需要采用桩基础穿透湿陷性黄土层予以处理,因而工程造价也越来越高,为了使处理后的地基技术先进、经济合理、确保质量,今后尚应研究和开发行之有效的处理大厚度湿陷性黄土地基的新方法,以满足高、重型建筑地基处理的需要。
  参考文献
  [1] 国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GBJ25-90.中国计划出版社,1991年1月.
  [2] 国家行业标准《建筑地基处理技术规范》JGJ79-91. 中国计划出版社,1992年9月.
  [3] 钱鸿缙等编著《湿陷性黄土地基》中国建筑工业出版社,1985年9月.
  
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