刍议湿陷性黄土地质特性及处理方法
关键词：湿陷性黄土;特性;评价;处理措施
一、湿陷性黄土特性
湿陷性黄土是我国一种分布较为广泛的区域性土，它主要分布于我国西部的黄土高原上。湿陷性黄土是第四纪的一种沉积物，它以粉土颗粒为主，富含碳酸盐，具有大孔隙和垂直节理，以黄色为基本色调，具有湿陷性，在一定荷载作用下并在受水浸湿的情况下，土壤结构迅速破坏，并且失去承载力而发生显著下沉。
试验研究表明，粗粉粒和砂粒在黄土结构中起骨架作用，由于在湿陷性黄土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接触，能直接接触的大多为粗粉粒，细粉粒通常依附在较大颗粒表面，特别是集聚在较大颗粒的接触点处与胶体物质一起作为填充材料。作为黄土骨架的砂粒和粗粉粒，在天然状态下，由于上述胶结物的凝聚结晶作用被牢固地黏结着，使湿陷性黄土具有较高的强度。当遇水时在水的作用下导致各种胶结物软化，使胶结物失去作用导致土的强度突然下降便产生湿陷。我国湿陷性黄土的颗粒主要为粉土颗粒，占总重量约50%~70%，而粉土颗粒中又以0.05~0.01mm的粗粉土颗粒为多，占总重约40.60%，小于0.05mm的黏土颗粒较少，占总重约14.28%;大于0.01mm的细砂颗粒占总重的5%以内，基本上无大于0.25mm的中砂颗粒。此外，在局部地区的湿陷性黄土中又含有较多的易溶盐，以固态或半固态形式分布在各种颗粒的表面。黄土是在干旱或半干旱的气候条件下形成的沉积物，在初期生成过程中土中水分不断蒸发，在土孔隙中的毛细作用下少量水分逐渐集聚到较粗颗粒的接触点处。同时细粉粒、黏粒和一些水溶盐类也不同程度地集聚到粗颗粒的接触点形成胶结。
湿陷性黄土颗粒之所以在一定压力下受水时产生易著附加下沉，除上述在遇水时颗粒接触点处胶结物的软化作用外，还在于土的欠压密实状态。在干旱气候条件下，无论是风积、坡积还是在洪积的黄土层，其水的蒸发量影响深度大于大气降水的影响深度。在其形成过程中，充分的压力和适宜的湿度往往不能同时具备，导致土层的压密欠佳。接近地表2~3m的土层，因受大气降水的影响，一般具有适宜压密的湿度，但此时上覆土重很小，土层得不到充公地压密，便形成了低湿度、高孔隙率的湿陷性黄土。湿陷性黄土在天然状态下保持低湿和高孔隙率是产生湿陷的充分条件。参考气象降雨量，我国湿陷性黄土分布地区大部分年平均降雨量小于蒸发量，因而湿陷性黄土的天然湿度一般在塑限含水量左右或者更低一些。
二、黄土湿陷性评价
1.黄土湿陷性，应按室内浸水(饱和)压缩试验，在一定压力测定的湿陷系数δs进行判定。当湿陷系数δs值小于0.015时，定为非湿陷黄土;当湿陷系数δs值等于或大于0.015时，定为湿陷性黄土。
2.湿陷性黄土的程度，可根据湿陷系数δs值的大小分为三种：当0.015≤δs≤0.03时，湿陷性轻微;当0.03<δs≤0.07时，湿陷性中等;当δs>0.07时，湿陷性强烈。
3.湿陷性黄土场地的湿陷类型，应按自重湿陷量的实测值Δ'zs或计算值Δzs判定：当自重湿陷量的实测值Δ'zs或计算值Δzs小于或等于70mm时,应定为非自重湿陷性黄土场地;;当自重湿陷量的实测值Δ'zs或计算值Δzs大于70mm时,应定为自重湿陷性黄土场地。
三、处理措施
湿陷性黄土地基处理的主要目的：一是消除其全部湿陷量，使处理后的地基变为非湿陷黄土地基，或采用桩基础穿透全部湿陷黄土层，使上部荷载通过桩基础传递至压缩性低或较低的非湿陷性黄土(岩)层上，防止地基产生湿陷，当湿陷性黄土层厚度较薄时，也可直接将基础设置在非湿陷性黄土(岩)层上;二是消除地基的部分湿陷量，控制下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿量或湿陷起始压力值符合规定数值。
山西省运城市区域内广泛分布有第四纪新近堆积黄土，厚度在5~22.5m之间，多具有强湿陷性。在公路建设过程中，往往由于处理措施不当而造成黄土浸水失稳，从而在地表形成平面为圆型或椭圆型的蝶形湿陷坑，导致湿陷范围内的路基、路面和桥涵产生变形、开裂、沉陷等病害。
以山西省河津~运城高速公路地基处理为研究对象，结合对黄土地基湿陷性破坏机理的研究，提出了冲击碾压、强夯、灰土挤密桩及石灰土换填等地基处理方案。通过对试验段施工效果的检测，论证了处理方案是合理可行的。
1、冲击碾压
冲击碾压处理方案适用于Ⅰ、Ⅱ级非自重湿陷性黄土，处理后地表以下1m内的土层压实度应大于90%，且该深度内土层湿陷性消除。
冲击碾压一般采用25KJ冲击式压路机，处理长度不小于150m，处理宽度为路基占地界。冲击碾压时牵引车行驶速度在12～20km/h之间，以轮迹重叠1/2布满表面为1遍。最佳冲击碾压遍数根据现场试验确定。
试验段进行冲击碾压，分别碾压10、20、30、40、50遍，依次测量各遍地基沉降量及压实。沉降量采用水准仪测量，压实度采用灌砂法检测。
试验段地基碾压20遍后，地基沉降量可显著减少，40遍后沉降量变化很小，且冲击碾压对提高地基压实度效果较为明显。冲击40遍时，地基沉降量平均约19cm，地表以下1m内土层平均压实度达到91%。处理后地基土层湿陷系数约为0.003<0.015,可判定地表以下1m范围内土层湿陷性基本消除，满足湿陷性黄土浅层处理要求。
2、强夯
强夯处理方案适用于Ⅱ级及以上等级的自重湿陷性黄土填方路段，可消除地表以下5-6m内土层湿陷性。强夯处理要求主夯最后2击的平均夯沉量不大于5cm，单点夯击次数不小于5击。
根据土层湿陷等级、湿陷深度和路基填土高度的不同，分别采取不同能级的强夯进行全幅满夯。处理长度不小于50m，处理宽度为路基占地界。
强夯一般分为三遍进行，主夯2遍，排夯1遍。其中主夯按夯锤直径D的2.5-3.5倍间距方格网跳夯实，最后一遍排夯(单点夯击能600kN.m)，互相搭夯不小于1/2夯锤直径。
试验段地基的统计数据结果表明，地基土层随夯次数的增加而逐步密实，第1击沉降量最大，随后各击沉降量逐渐减小，6击以后沉降量基本保持在5 cm以内，满足设计要求。
试验段采用单点夯击次数8击强夯时，夯击前、后地基土层深度与密度和湿陷性系数的关系表明强夯后土层深度增加、湿陷性系数显著减小。土层深度为6.5m-7m区间强夯前后数值较为接近。地表下6m范围内土层湿陷性系数在0.001-0.013之间，均小于0.015,判定已完全消除湿陷性，达到地基处理要求。
注意：强夯处理时土基的天然含水量宜低于塑限含水量1%-3%。当土基天然含水量小于10%时，夯击过程中表层土容易松动，夯分泌质量达不到设计效果;当土基含水量过大时，施工中应采取方格网点等间距挖孔填埋生石灰的办法，将处理深度范围内土的含水量有效降至最优含水量范围，再进行强夯处理。
3.灰土挤密桩(多用于桥涵地基处理)
灰土桩挤密桩法是利用成孔时的侧向挤压作用，使桩间土得以挤密;随后将桩孔用灰土分层夯填密实，称为灰土挤密法。灰土挤密桩法与夯实、碾压等竖向加密方法不同，属于横向加密土层。施工中当套管打入地层时，管周地基土受到了较大的水平向挤密作用，使管周围一定范围内的地基土的工程物理性质得到改善，其密实度增加、压缩性降低、湿陷性全部或部分消除。灰土桩挤密地基属于人工复合地基，其上部荷载由桩体和桩间挤密土共同承担。灰土桩法具有原位处理、深层挤密和以土治土的特点，用于处理厚度较大的湿陷性黄土或填土地基时，可获得显著地技术经济效益。工程实例：山西运城沃尔玛商场采用灰土桩挤密桩法处理。土桩和灰土桩法使用于处理地下水位以上的湿陷性黄土、素填土或杂填土地基。处理深度宜为5~15m。
灰土桩挤密桩法处理地基时的面积，应大于基础或建筑物底层平面的面积，并应符合下列规定。
(1)当采用局部处理时，超出基础底面的宽度：对非自重湿陷性黄土、杂填土和素土等地基，每边不应小于基底宽度的0.25倍，并不应小于0.50m;对自重湿陷性黄土地基，每边不应小于基底宽度的0.75倍，并不应小于1.00m。
(2)当采用整片处理时，超出建筑物外墙基础底面外缘的宽度，每边不宜小于处理土层厚度的1/2，并不应小于2m。
(3)桩孔直径宜为300~450mm，并可根据所选用的成孔设备或成孔方法确定。桩孔宜按三角形布置，桩孔间的中心距离，可为桩孔直径的2.0~2.5倍。
4、石灰土换填
石灰土换填适用于挖方段。当挖方深度超过地基土层湿陷深度时，认为基底已不具备湿陷性，不进行处理。当挖方深度小于土层湿陷深度时，采取开挖80cm路床、冲击碾压基底后换填6%石灰土的处理方法，消除路床范围内土层湿陷性，并形成灰土封闭层，避免汇水渗入基底导致湿陷。
换填石灰土处理方案，开挖及回填土方数量较大，施工周期长，易受雨水影响，应周密安排施工环节，确保施工质量。
四、结语
冲击碾压、强夯、灰土挤密桩、石灰土换填、水泥搅拌桩等处理方案能够有效消除不同湿陷等级和处理深度范围内黄土湿陷性。在公路建设过程中，应针对地基土层湿陷情况采用相应处理方案，做到有的放矢、对症下药。
参考文献：
1、 GB 50025-2004《湿陷性黄土地区建筑规范》
2、 GB 50202-2002 《建筑地基基础工程施工质量验收规程》
3、JGJ79-2002，J220-2002《建筑地基处理技术规范》