淺談水利工程濕陷性黃土地基處理措施

淺談水利工程濕陷性黃土地基處理措施黃土是干旱或半干旱氣候條件下的沉積物，在生成初期，土中水分不斷蒸發(fā)，土孔隙中的毛細作用，使水分逐漸集聚到較粗顆粒的接觸點處。同時，細粉粒、粘粒和一些水溶鹽類也不同程度的集聚到粗顆粒的接觸點形成膠結。試驗研究表明，粗粉粒和砂粒在黃土結構中起骨架作用，由于在濕陷性黃土中砂粒含量很少，而且大部分砂粒不能直接接觸，能直接接觸的大多為粗粉粒。細粉粒通常依附在較大顆粒表面，特別是集聚在較大顆粒的接觸點處與膠體物質一起作為填充材料。粘粒以及土體中所含的各種化學物質如鋁、鐵物質和一些無定型的獸類等，多集聚在較大顆粒的接觸點起膠結和半膠結作用，作為黃土骨架的砂粒和粗粉粒，在天然狀態(tài)下，由于上述膠結物的凝聚結晶作用被牢固的粘結著，故使?jié)裣菪渣S土具有較高的強度，而遇水時，水對各種膠結物的軟化作用，土的強度突然下降便產(chǎn)生濕陷。1濕陷性黃土的特點其最大特點就是濕陷變形，有兩個顯著特征：1)變形量大，常常超過正常壓縮變形的幾倍甚至幾十倍;2)發(fā)生快，一般在浸水1h?3h就開始濕陷。就一般的濕陷事故而言，往往在1d?2d內就可能產(chǎn)生20cm?30cm的變形量，這種量大、速率快而又不均勻的變形往往使水利工程發(fā)生嚴重變形甚至破壞。所以在濕陷性黃土地基上進行工程建設時，必須考慮因地基濕陷引起附加沉降對工程可能造成的危害，來選擇適宜的地基處理方法，避免或消除因地基的濕陷或少量濕陷所造成的危害。2影響黃土濕陷性的因素粒間的組成對濕陷性的影響試驗說明，粘粒含量越少，濕陷性越強。粘粒在黃土的結構中主要起膠結作用，尤其是小于0.002mm的細粘粒，它所起的膠結作用更加明顯。粘粒含量少時，黃土骨架的膠結形式主要是薄膜式，所以這種膠結強度教低，容易破壞，從而濕陷性強；粘粒含量高時，黃土骨架的膠結形式多為鑲嵌式，故這種膠結強度高，不容易破壞，從而濕陷性弱。一般來說，黃土中的粘粒含量超過30%時，濕陷性就會基本消失。（2） 可溶鹽含量對濕陷性的影響可溶鹽包括易溶鹽，中溶鹽和難溶鹽三種。由于可溶鹽在固態(tài)時對土粒起膠結作用，但是，溶解后即呈離子狀態(tài)時就會與土粒表面吸附的陽離了發(fā)生置換，所以影響到黃土的濕陷性。一般認為易溶鹽（NaCL、KCL、Na2S03、Na2CO3）含量高時黃土的濕陷性強；中溶鹽（CaSO4）含量多時濕陷性也越大；難溶鹽（CaC03）在黃土中既起骨架的作用又起膠結的作用，即難溶鹽的含量越多，濕陷性就越弱。（3） 含水率對濕陷性的影響天然含水率比較低的黃土濕陷性較強，而天然含水率高的黃土濕陷性就比較弱。所以，當天然含水率大于25%時，或者處于地下水位以下時，黃土就沒有濕陷性了。（4） 干重度對濕陷性的影響黃土的干重度越小，孔隙比就越大，濕陷系數(shù)也就越大。一般認為當干重度大于15kN/m3時，黃土的濕陷性基本上就沒了。3濕陷性黃土地基處理的基本思路當水利工程所選取的地點下是濕陷性黃土，那么一旦降雨，地基和水利工程就有可能會發(fā)生危險，那么必須采取相應的措施以消除地基土的濕陷性、降低土的壓縮性，提高承載力，增強水穩(wěn)性和減小變形。我國在解放后對于濕陷性黃土地基處理的實踐已有幾十年了，具體方法也很多，但歸納起來其基本思路不外乎以下幾種：（1）基本消除基礎已有土層的濕陷性；其常用方法有強夯、換土、擠密樁等。這是對于土層較?。?0m以內）時采用的辦法。當土層深厚時，常用辦法就是預浸水處理。這類辦法是通過工程措施，針對濕陷土層本身進行處理，改善其土壤結構和基本特性，以達到消除其濕陷性的目的。這種方法的缺點是對于深厚濕陷性黃土來說，耗時太長，往往影響工期。優(yōu)點是施工方便，費用較低；（2） 使水利工程基礎穿透濕陷性黃土層，傳力于濕陷土層以下的持力土層上，達到躲過濕陷性黃土層的目的。常用方法就是樁基，其中包括灰土擠密樁、碎石震沖樁、靜壓樁、混凝土灌注樁。這種方法避過了濕陷性土層，使基礎傳力于濕陷土層以下的持力土層上，相對來說比較安全可靠，所以被廣泛應用于比較重要的獨立水利工程的基礎處理；（3） 充分作好水利工程基礎的隔水層，使基礎濕陷性黃土地基無法浸水，以達到避免地基濕陷的目的。常用的隔水材料有灰土、油氈以及各種PVC和PE膜。這種方法常常用于對基礎承載力要求不高的設施，如游泳池、供水管床、渠道等。4濕陷性黃土處理措施4.1墊層法將基底以下濕陷性土層全部挖除或挖至預計的深度，然后以灰土或素土分層回填夯實。墊層厚度一般為1.0m?3.0m。它消除了墊層范圍內的濕陷性，減輕或避免了地基因附加壓力產(chǎn)生的濕陷，可以使地基的自重濕陷表現(xiàn)不出來。這種方法施工簡易，效果顯著，是一種常用的地基淺層處理或部分濕陷性處理方法，經(jīng)這種方法處理的灰土墊層的地基承載力可達到300kPa（素土墊層可達200kPa）且有良好的均勻性。4.2強夯法強夯法亦稱動力固結法，通過重錘的自由落下，對土體進行強力夯實，以提高其強度，降低其壓縮性，該法設備簡單，原理直觀，適用廣泛，特別是對非飽和土加固效果顯著。這種方法加固地基速度快，效果好，投資省，是當前最經(jīng)濟簡便的地基加固方法之一。但是由于其過大的噪聲及振動，所以在很多城市是禁止使用強夯法的。4.3灰土樁擠密法灰土樁擠密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，然后將備好的灰土在最優(yōu)含水量下分層填入樁孔內，并分層夯（搗）實至設計標高為止。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、石或其他透水性材料填入樁孔內?；彝翑D密樁和土樁地基一般適用于地下水位以上，含水量14%?22%的濕陷性黃土與人工黃土和人工填土，處理深度可達5m?10m?；彝翑D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并提高其承載力。4.4化學加固法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。4.5預浸水法預浸水法是在修建水利工程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(fā)生濕陷產(chǎn)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，影響水利工程的安全，所以空曠的新建地區(qū)較為適用。4.6深層攪拌樁法深層攪拌樁的固化材料有石灰、水泥等，一般都采用后者作固化材料。其加固機理是將水泥摻入黏土后，與黏土中的水分發(fā)生水解和水化反應，進而與具有一定活性的黏土顆粒反應生成不溶于水的穩(wěn)定的結晶化合物，這些新生成的化合物在水中或空氣中發(fā)生凝硬反應，使水泥有一定的強度，從而使地基土達到承載力的要求。4.7振沖碎石樁法振沖碎石樁是軟弱土地基加固的常用技術，是用高壓水流輔助振沖器對地基進行振沖形成樁孔，分批填入碎石等堅硬材料，再振沖密實，循環(huán)進行到成樁完畢。碎石樁群與原有地基構成復合地基，提高地基的承載力，減少地基沉降量和差異沉降量。振沖碎石樁的加固分兩種情況：1） 機體貫穿整個軟弱層，達到堅硬層，形成復合地基，與原地基相比，復合地基的承載力提高，壓縮減少，這就是復合土層中樁體的應力集中作用。2） 在軟弱層較厚時，樁體不穿過整個軟弱土層，這樣，軟弱層只有部分厚度轉變?yōu)閺秃蠈樱溆嗖糠秩蕴幱谔烊粻顟B(tài)。4.8孔內深層夯擴樁復合地基在成孔和夯實過程中，原處于樁孔部位的土全部擠入周圍土層中，使距樁周一定距離內的天然土得到擠密，從而消除樁間土的濕陷性并提高承載力?；彝粒ㄍ粒D密樁地基其上部荷載由樁和樁間土共同承擔，擠密后的地基為復合地基，類似墊層一樣工作，上部荷載通過它往下傳遞時應力要擴散，而且比天然地基擴散的更快，在加固深度以下，附加應力將大大減小，灰土（土）擠密樁地基的加固處理效果，不僅與樁距有關，還與所處理的厚度和寬度有關?？變壬顚雍粩U樁近些年在濕陷性黃土地區(qū)也開始進行應用，用螺旋鉆孔，孔徑一般為40cm。夯錘重量一般為20kN?30kN，孔內填料一般為素土或灰土，或水利工程垃圾和廢料。在濕陷性黃土地區(qū)建筑地基應用中，成孔后，孔內分層夯填時，對孔周圍土體進行擠密，其擠密的影響范圍與夯錘的夯擊能量有關，在消除孔周圍土體濕陷性的同時提高地基土的承載力，在成孔過程中對樁間土的擠密已完成絕大部分，而孔內夯擴樁對樁間土的擠密則在孔內充填土料的過程中完成。其對地基的處理深度較深，可達20m左右，而且無地下水的限制，在對濕陷性黃土地基處理時，一般要求參考灰土（或土）擠密樁地基。5施工中存在的問題5.1局限性在灰土擠密樁施工中由于機械振動危及周圍水利工程的現(xiàn)象是很有限的，對于部分舊土坯建筑有時會出現(xiàn)掉皮或墻體開裂現(xiàn)象，影響的因素不單純與距離有關。5.2施工前清理場地場地內外施工機械運行的道路應暢通無阻，施工前應做好場地平整工作，清理地上和地下的障礙物，以利于機械運行，保證施工質量和機械運行安全。5.3漏孔、錯孔現(xiàn)象灰土擠密成孔施工時應防止漏孔或錯孔，在成孔后及時進行其施工質量檢查，認真做好記錄，富沉管成孔和拔管有困難時，在樁尖與樁管連接處可加設寬5cm，厚1.2cm左右環(huán)箍，能減輕沉管和拔管的困難。5.4嚴格灰土的配合比配合比應符合設計要求，在施工現(xiàn)場因為某些人、機因素不能嚴格按照配合比實施，就有可能影響到成樁質量，無法達到降低土體壓縮性的效