湿陷性黄土地基处理方案

1 1 概述 概述 湿陷性黄土地基处理主要取决于湿陷性黄土的特殊性质 湿 陷性黄土地基的变形包括压缩和湿陷性两种 当基底压力不超过 地基土的容许承载力时 地基的压缩变形很小 大都在其上部结构 的容许变形值范围以内 不会影响建筑物的安全和正常使用 湿陷 变形是由于地基被水浸湿引起的一种附加变形 往往是局部和突 然发生 且不均匀 对建筑物破坏性大 危害严重 因此对湿陷性 黄土地区的建筑物不论地基承载力是否达到容许承载力 都应对 地基进行处理 前者以消除湿陷为目的 后者以提高承载力为主 同时应消除黄土的湿陷性 我国湿陷性黄土分布很广 各地区黄土的差别很大 地基处理 时应区别对待 并结合以下特点 1 湿陷性黄土的地区差别 如湿 陷性和湿陷敏感性的强弱 承载能力及压缩性的大小和不均匀性 的程度等 2 建筑物的使用特点 如用水量大小 地基浸水的可能 性 3 建筑物的重要性和其使用上对限制不均匀下沉的严格程度 结构对不均匀下沉的适应性 4 材料及施工条件 以及当地的施工 经验 湿陷性黄土的地基处理措施是采用机械手段对基础的湿陷 性黄土进行加固处理 或更换另一种材料改变其物理性质 达到消 除湿陷性 减少压缩和提高承载能力的目的 其中大多以第一个目 的即消除湿陷为主 湿陷性黄土的地基处理 在在处处理深度和理深度和处处理范理范围围上区分上区分 1 浅 处理 即消除建筑物地基的部分湿陷量 2 深基础处理 即消除建 2 筑物地基的全部湿陷量 这种方法包括采用桩基础或深基础穿透 全部的湿陷性黄土层 在湿陷性黄土地区设计措施 主要有地基处理措施 防水措施 和结构措施三种 地基地基处处理的常用方法理的常用方法有垫层 重锤夯实 强夯 土 或灰土 桩 挤密和深层孔内夯扩等 可以完全或部分消除地基的湿陷性 或采 用桩基础或深基础穿透湿陷性黄土层 使建筑物基础坐落在密实 的非湿性土层上 保证建筑物的安全和正常使用 防水措施使用防水措施使用以防止大气降水 生产和生活用水以及浸入地 基 其中包括场地排水 地面的防水 排水沟和管道的排水 防水 等 是湿陷性黄土地区建筑物设计中不可缺少的措施 结结构措施的作用构措施的作用是使建筑物适应或减少不均匀沉降所造成的 危害 在湿陷性黄土地区 国内外使用在湿陷性黄土地区 国内外使用较较多的地基多的地基处处理方法 理方法 重锤表 层夯实 强夯 垫层 挤密桩复合地基 垫处理 预浸水 爆扩桩 化学加固和桩基础等 近年来 深层孔内夯扩挤 高压旋喷注浆法 以及复合载体夯扩桩等也得到推广使用 目前我国以重目前我国以重锤锤表表层层夯夯实实 土 或灰土 土 或灰土 垫层垫层 强强夯 深夯 深层层孔内孔内 夯夯扩扩 高 高压压注注浆浆固固结结土 或灰土 土 或灰土 挤挤密密桩桩复合地基 复合地基 桩桩基基础应础应用用较较多 多 经验比较丰富 对于其他的处理方法则应用较少 或未使用过 化化 学加固学加固则多用于湿陷事故处理 从国外情况来看 与我国不同 保 加利亚多采用水泥土垫层 混凝土挤密短桩 俄罗斯等国认为当处 3 理厚度大于 12m 的黄土时 热处理和预浸水与水下爆扩相结合都 比桩基础经济 根据我国我国经验经验 灰土垫层 灰土 或土 挤密桩可分 别适用于处理 3m 左右和 10m 左右厚的湿陷性黄土层的湿陷性 10m 以上可采用深层孔内强夯以及桩基础等 预浸水法可用于处 理厚度大 自重湿陷性强烈的湿陷性黄土场地 但该方法处理后距 地表一定深度内的土层应具有湿陷性 必须采用其他方法另作处 理 总之 在具体选用湿陷性黄土的处理方法时 应根据建筑场地 的湿陷性类别 湿陷等级 以及地区特点 首先考虑因地制宜和就 地取材等原则 并根据施工技术可能达到的条件 经过技术经济对 比予以选用 必要时可几种方法综合考虑使用 2 湿陷性黄土的加固机理 湿陷性黄土的加固机理 2 1 湿陷性黄土的分布及特征湿陷性黄土的分布及特征 我国湿陷性黄土的分布面积约占我国黄土总面积的 60 左右 大部分分布在黄河中游地区 北起长城附近 南达秦岭 西自乌鞘 岭 东至太行山 除河流沟谷切割地段和突出的高山外 湿陷性黄 土几乎遍布本地区 面积达 27 万平方公里 是我国黄土的典型分 布 除此以外 在山东中部 甘肃河西走廊 西北内陆盆地 东北松 辽平原等地有零星分布 面积一般较小 且不连续 湿陷性黄土一 般都覆盖在下卧的非湿陷性黄土层上 其厚度为六盘山以西地区 较大 最大达 30m 六盘山以东地区稍薄 例如渭河谷的湿陷性黄 土厚度多为几米到几十米 向东至河南西部则更小 并且常有非湿 4 陷性黄土层位于湿陷性黄土层之间 湿陷性黄土的最大特点是湿陷性黄土的最大特点是 在土的自重压力或土的附加压力 与自重压力共同作用下 受水浸湿时将产生大量而急剧的附加下 沉 这种现象称为湿陷湿陷 它与自重湿陷性黄土一般土受水浸湿时所 表现的压缩性稍有增加的现象不同 由于各地区黄土形成时的自 然条件差异较大 因此其湿陷性也有较大差别 有些湿陷性黄土受 水浸湿后的土的自重压力下就产生湿陷 而另一些黄土受水浸湿 后只有在土的自重压力和附加压力共同作用下产生湿陷 前者称 为自重湿陷性黄土自重湿陷性黄土 后者称为非自重湿陷性黄土非自重湿陷性黄土 一般将黄土开始 湿陷时的相应压力称为湿陷起始湿陷起始压压力力 可看作黄土受水浸湿后的 结结构构强强度度 当湿陷性黄土实际所受压力等于或大于土的湿陷起始 压力时 土就开始产生湿陷 反之 如小于这一压力 则黄土只产 生压缩变形 而不发生湿陷变形 湿陷变形不同于压缩变形 通常压缩变形在荷载施加后立即 产生 随着时间的增长而逐渐趋向稳定 对于大多数湿陷性黄土地 基来说 不包括饱和黄土和新近堆积的黄土 压缩变形在施工期 间就能完成一大部分 竣工后三个月到半年即基本趋于稳定 而湿而湿 陷陷变变形的特点是 形的特点是 变形量大 常常超过正常压缩变形的几倍甚至几 十倍 发生快 一般在浸水 1 3 小时就开始湿陷 就一般的湿陷事 故而言 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 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 5 间即产生湿陷事故 而有的则在几年甚至几十年后才出现湿陷事 故 湿陷性黄土湿陷湿陷性黄土湿陷变变形的主要指形的主要指标标 湿陷系数 湿陷的起始压力 和湿陷的起始含水量 其中以湿陷系数最为重要 湿陷系数湿陷系数是单位 厚度土样在土自重压力或自重压力与附加压力共同作用下浸水所 产生的湿陷量 它的大小反映了黄土对水的敏感程度 湿陷系数越 大 表示土受水浸湿后的湿陷量越大 因而对建筑物的危害越大 反之 则小 湿陷性黄土湿陷系数一般通过室内压缩仪进行测试 并按下 式计算湿陷系数的 s 26 2 1 e ee h hh pppp s 00 式中 为土样在压力 p 作用时下沉稳定后的高度 为上 hphp 述加压稳定后的土样 在浸水作用下 下沉稳定后的高度 为土 h0 样的原始高度 为土样在压力 p 作用下下沉稳定后的孔隙比 ep 为上述加压稳定后土样在浸水作用下下沉稳定后的孔隙比 ep 为土样的原始孔隙比 e0 湿陷系数在工程中主要用于湿陷系数在工程中主要用于 1 判别黄土的湿陷性 2 鉴别湿 陷性黄土湿陷性的强弱 3 预估湿陷性黄土地基的湿陷量 对黄土湿陷性的判别 按现行黄土规范 以以 0 015 作作为为界限界限值值 大于或等于 0 015 则定为湿陷性黄土 小于 0 015 则定为非湿陷 性黄土 利用湿陷系数 可大致判断湿陷性黄土湿陷性的强弱 一 6 般认为 0 03 为弱湿陷性 0 03 0 07 为中等湿陷性 s s 0 07 为强湿陷性 s 湿陷性黄土在局部荷载的作用下 在湿陷过程中湿陷性黄土 地基不但产生竖向变形 还将产生水平位移 主要是土在浸水状态 下土的结构遭受破坏 抗剪强度急剧降低 侧向限制就大为减弱 在双重因素的影响下 使地基土湿陷时产生了大量的侧向挤出 导 致湿陷量扩大 对于自重湿陷性黄土 在自重压力作用下受水浸湿 后由于其湿陷变形区各水平面上不存在压力差 没有侧向挤出现 象 但在外荷载作用下 在附加应力范围内产生侧向挤出 一般最 大水平位移发生在基础四个周边的竖向剖面上 而且集中 1 0 1 5 为基础宽度 的深度范围内 基底压力或基底面积大 则侧 向挤出的水平范围和影响深度也大 2 2 湿陷性黄土地基的各种地基湿陷性黄土地基的各种地基处处理方法的加固机理及影响因素理方法的加固机理及影响因素 湿陷性黄土地区地基处理 尽管在地基处理技术的应用上同 其他地区相比在施工工艺等方面差别不大 但其加固机理及方法 又进一步体现了湿陷性黄土的地区特征 往往在提高承载力的同 时 对黄土的湿陷性进行消除 1 重 重锤锤表面夯表面夯实实及及强强夯夯 重锤表面夯实适用于处理饱和度不大于 60 的湿陷性黄土地 基 一般采用 2 5 3 0t 的重锤 落距 4 0 4 5m 可以消除基底以下 1 2 1 8m 黄土层湿陷性 在夯实层的范围内 土的物理 力学性质 获得显著改善 平均干重度明显增大 压缩性降低 湿陷性消除 7 透水性减弱 承载力提高 非自重湿陷性黄土地基 其湿陷起始压 力较大 当用重锤处理部分湿陷性黄土层后 可减少甚至消除黄土 地基的湿陷变形 因此在非自重湿陷性黄土场地采用重锤夯实的 优越性较明显 强强夯法夯法处处理理湿陷性黄土地基 是在上述重锤夯实的基础上发 展起来的一种地基处理方法 其优点为施工简单 效率高 工期短 对湿陷性黄土湿陷性消除的深度较大 缺点是振动和噪音较大 我 国目前在湿陷性黄土地区应用强夯进行地基处理 取得较成功的 经验 夯击能量已超过 8000KN m 其对地基的影响深度按梅纳公 式进行计算 26 2 2 gQhH 式中 H 为影响深度 m Q 为重锤 KN h 未落距 m 为修正系 数 据不同条件 地质 物理力学性能 孔隙率等 可取 0 3 0 7 g 为重力加速度 在湿陷性黄土场地各夯击点的夯击数可按最后一击夯沉量等 于 3 6cm 来确定 一般达 6 9 击 稍湿的湿陷性黄土没有或有很少 自由水 在强夯过程中不存在孔隙水压力消散的问题 无需像夯击 饱和土那样要采用间歇多变的夯击方式 可以在一个夯位上连续 夯到所需击数 而后在移到下一个夯位上 依次一遍夯实 强夯对 湿陷性黄土土湿陷性的消除效果明显 一般可达 8 10m 2 土 灰土 土 灰土 垫层垫层 在湿陷性黄土地基上设置土垫层 在我国是一种传统的地基 8 处理方法 已有近两千年的历史 目前被广泛推广采用 将处理范 围内的湿陷黄土挖去 用素土 多用原开挖黄土 或灰土 灰土比一 般为 3 7 或 2 8 在最优含水量状态下分层回填 压 实 采用土垫 层或灰土垫层处理湿陷性黄土地基 可用于消除基础底面 1 3m 土 层的湿陷性 目前也有 6m 以上换填 主要做法是下部用素土换填 分层碾压 上部采用灰土垫层 减少地基的压缩性 提高地基的 承载力 降低土的渗透性 或起隔水作用 往往以消除湿陷作为地 基处理的目的 另外在灰土挤密桩或深层孔内夯扩法处理湿陷性 黄土地基时 往往在上部采用灰土垫层 就其处理范围来说 土垫层分为建筑物基础 独立基础和条形 基础 底面下的土 或灰土 垫层和建筑物范围内的整片土 或灰土 垫层两种 在下列情况下宜采用整片灰土垫层 1 地基受水浸湿的 可能性较大的建筑 2 湿陷性黄土层厚度较大的自重湿陷性黄土 场地 需要全部消除地基的湿陷性采用其他方法较困难时 可与其 他方法结合使用 主要起隔水作用 在其他情况下 经技术经济对 比认为合理时也可使用 工程实践证明 采用土 灰土 垫层处理湿 陷性黄土地基 只要施工质量符合工程要求 一般都能收到良好的 效果 在非自重湿陷性黄土地基上尤为突出 但需指出的是 当灰 土 或土 垫层质量不符合工程质量要求时 所发生的湿陷事故与 未进行地基处理的湿陷性黄土同样严重 在独立基础或条形基础下设置一定宽度的灰土垫层 有利于 途中应力的扩散 增强地基的稳定性 阻止基底下土侧向挤出 从 9 而减小或消除地基的湿陷变形 在土层相同的湿陷性黄土场地上 所做灰土 或土 垫层载荷试验表明 垫层的宽度超过基础底面宽 度太小 地基受水浸湿后不能有效地防止土的侧向挤出 湿陷变形 仍然较大 因此 垫层每边超出基础底面的宽度不得小于垫层厚度 的一半 其超过宽度按下式计算 B b 2ztan c 26 2 3 式中 B 为需处理土层底面的宽度 m b 为条形 或矩形 基础短边的 宽度 m z 为基础底面至处理土层底面的距离 c 为考虑施工机具 影响而外设的附加宽度 宜为 20cm 为地基压力扩散线与垂直 线的夹角 宜为 22 30 度 用素土处理宜取小值 用灰土处理宜取 大值 设置整片灰土 土 垫层是为了消除基础底面以下部分黄土的 湿陷性 同时借助于整片灰土 土 垫层的隔水效果 可与防水从室 内外渗入地基 保护整个建筑物范围内下部未经处理的湿陷性黄 土层不致受水浸湿 所以整片垫层超出外墙基础外缘宽度不应小 于其厚度 并不得小于 2 米 当仅要求消除基地下处理土层的湿陷性时 宜采用局部和整 片的土垫层 当同时要求提交土的承载力或水稳性时 宜采用局部 或整片灰土垫层 垫层质垫层质量由量由压实压实系数控制 并系数控制 并应应符合下列要求 符合下列要求 1 垫层厚度不大于 3 米时 其压实系数不得小于 0 93 2 垫层厚度大于 3 米时 其压实系数不宜小于 0 95 10 3 灰土 土 灰土 土 挤挤密密桩桩复合地基及孔内深复合地基及孔内深层层夯夯扩桩扩桩复合地基复合地基 灰土 土 挤密桩适用于加固地下水以上的湿陷性黄土地基 它是利用打入钢套管 或振动沉管或爆扩等方法 在土中成桩孔 然后在孔中分层填入素土 或灰土 并夯实而成 在成孔和夯实过 程中 原处于桩孔部位的土全部挤入周围土层中 使距桩周一定距 离内的天然土得到挤密 从而消除桩间土的湿陷性并提高承载力 灰土 土 桩是一种柔性桩 灰土 土 挤密桩地基 其上部荷载由桩 和桩间土共同承担 挤密后的地基为复合地基 类似垫层一样工作 上部荷载通过他往下传递时应力要扩散 而且比天然地基扩散的 更快 在加固深度以下 附加应力将大大减少 灰土 土 挤密桩对 地基的加固处理效果 不仅与桩距有关 还与所处理的厚度与宽度 有关 当处理宽度不足时 尤其在未消除全部黄土的湿陷性的情况 下 可能使基础产生较大的下沉 甚至尚失稳定性 根据 湿陷性 黄土地区建筑规范 GBJ25 90 要求 当为局部处理时 在非自重 湿陷性黄土场地 处理宽度两端要超过基础宽度的 0 25 倍 并不 应小于 0 5 米 在自重湿陷性黄土场地 如要求加固后地基土的湿 陷性完全消除 则处理宽度要超过基础宽度两边各 0 75 倍 不小 于 1 米 如果湿陷性黄土地基处理为整片处理时 每边超出建筑物 外墙基础外缘的宽度 宜大于处理厚度的一半 处理厚度根据建筑 物对地基的要求 地基的湿陷类型和湿陷等数 湿陷性黄土层的厚 度以及施工机械能力综合考虑 必要时 应采用防水措施和结构措 施 并根据现行规范 对非自重湿陷性黄土场地和自重湿陷性黄土 11 场地 根据建筑物的重要性程度区别对待 桩间土的挤密系数 对 甲 乙类建筑物不宜小于 0 88 对其它建筑物不宜小于 0 84 孔内 填料应采用素土或灰土 分层进行回填夯实 其压实系数对甲 乙 类建筑不宜小于 0 95 对其它建筑物不宜小于 0 93 当利用挤密桩对湿陷性黄土地基进行整片处理时 宜设置 0 5 米厚的灰土 土 垫层 深层孔内夯扩桩近些年在湿陷性黄土地区也开始进行应用 用螺旋钻孔 孔径一般为 40cm 夯锤重量一般为 20 30KN 孔内 填料一般为素土或灰土 或建筑物垃圾和废料 在湿陷性黄土地区 建筑地基应用中 成孔后 孔内分层夯填时 对孔周围土体进行挤 密 其挤密的影响范围 与夯锤的夯击能量有关 在消除孔周围土 体湿陷性的同时提高地基土的承载力 其受力与灰土 土 挤密桩 地基相似 所不同的是灰土 土 挤密桩地基 在成孔过程中对桩间 土的挤密已完成绝大部分 而孔内夯扩桩对桩间土的挤密则在孔 内充填土料的过程中完成 其对地基的处理深度较深 可达 20 米 左右 无地下水的限制 在湿陷性黄土地基处理时的要求 一般参 考灰土 或土 挤密桩地基 4 桩桩基基础础 在湿陷性黄土地区采用桩基础 将桩穿透湿陷性黄土层 在非 自重湿陷性黄土地区 桩底端应支承在压缩性较低的非湿陷性土 层中 对自重湿陷性黄土场地 桩底端应支承在可靠的持力层中 经 30 多年的工程实践证明 如桩穿透湿陷性土层 支承于可靠的 12 持力层上 则地基受水浸湿后完全能保证建筑物的安全 反之会导 致湿陷事故 湿陷性黄土地区桩基础一般采用打入桩 静压桩 钻孔或人工 挖孔灌注桩以及沉管灌注桩等 近年来使用较多的为钻孔 或人工 挖孔 灌注桩 静压桩以及沉管灌注桩 在兰州等湿陷性黄土湿陷 较强烈的地区大多为端承桩 西安河南等湿陷性相对较弱的地区 大多为端承摩擦桩或摩擦端承桩 近年来所作的复合载体夯扩桩 主要也是提高桩进入非湿陷性土层时桩端的端承力 与其他地区所用桩基础不同的是 在湿陷性黄土土层中不但 不能考虑桩的摩擦力 还应在桩的承载能力上减去桩的负摩擦力 所谓负负摩擦力摩擦力 就是浸水后的自重湿陷性黄土层 土的下沉速率大 于桩的下沉速率时 土对桩侧表面产生向下作用的摩擦力 在一般 情况下 地基土的竖向位移越大 则负摩擦力越大 实验表明 二 者之间并不成正比发展 负摩擦力受土的抗剪强度影响 虽然桩土 之间的相对位移较大 但浸水后降低的抗剪强度不足以支承外侧 饱和土的自重 因而悬附范围是有限的 通常认为 桩基的负摩擦 力只出现在自重湿陷性黄土地基中 而非自重湿陷性黄土地基中 的桩基则不需考虑 但多年来湿陷性黄土地基桩基的工程经验证 明 非自重湿陷性黄土地基 浸水后的桩基仍然可能产生负摩擦力 虽然负摩擦力数值比自重湿陷性黄土地区要小得多 在有些情况 下也不应忽视 自重湿陷性黄土层浸水后将产生湿陷 但桩在荷载作用下也 13 将产生一定下沉 在桩的上部 土层的下沉大于桩的位移 因而产 生负摩擦力 在桩的下部 土的下沉小于桩的位移 将产生正摩擦 力 在负摩擦力过渡为正摩擦力处 有一个 中性点 该点处桩的 位移与土的下沉相等 因而摩擦力为零 计算负摩擦力时 只考虑 中性点以上部分 也就是负摩擦力的计算深度 在湿陷性黄土场地 的实验证明 中性点的位置基本位于湿陷性黄土层与其下非湿陷 性黄土层的交界部位 因此 负摩擦力的计算深度应等于桩在湿陷 性黄土层中的全部桩长 正负摩擦力的大小 宜通过现场试验确定 在桩基础施工时 特别是灌注桩成孔后 必须将孔底清理干净 以 免影响桩的端承力 造成事故 5 化学加固法 化学加固法 在我国湿陷性黄土地区地基处理应用较多 并取得实践经验 的化学加固方法包括硅化加固法和碱液加固法 其加固机理如下 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的孔隙中 另一方面 溶液与土的互相凝结 土起着凝结剂的作用 单液硅化系由浓度 10 15 的硅酸钠溶液加入 2 5 的氯化 钠组成 溶液进入土中后 由于溶液中的钠离子与土中水溶液盐类 中的钙离子 主要为 CaSO4 产生互换的化学反应 即在土颗粒表 面形成硅酸凝胶薄膜 从而增强土粒间的连接 填塞粒间孔隙 使 土具有抗水性 稳定性 减少土的渗水性 消除湿陷 同时提高地 基的承载能力 其化学反应式如下 14 Na2O SiO2 CaSO4 mH2O SiO2 m 1 H2O Na2 SO4 Ca OH 2 在反应初期 硅酸凝胶薄膜的厚度很小 只有几微米 因而它 不妨碍以后压入溶液的渗透流动 但相隔几小时后 由于凝胶大量 生成 土中孔隙被硅酸凝胶充填 毛细管通道被堵塞 使土的透水 性降低 尽管硅酸凝胶薄膜的厚度很小 但是它有足够的强度 能 使土在溶液饱和的初期 不会由于外荷作用而产生过大附加下沉 随着胶膜逐渐加厚和硬化 土的强度也随着时间而增长 在加固后 前半个月 土的强度增长速度最大 而且在一年以后仍有所增长 当土样在水中浸泡时 仍可观察到黄土在继续硬化 硅化加固中 由于黄土中钙 镁离子参加反应 生成硅酸凝胶 但土体达到一定 强度 为了提高加固土体的早期强度 以减少加固过程中附加下沉 可采用加气硅化法 加气硅化一般用 CO2和氨气 一般使用 CO2 较多 即首先在地基中注入 CO2气体 使土中空气部分被 CO2占 据 使土活化 然后灌入水玻璃溶液 再灌 CO2 由于碱性水玻璃 强烈吸收 CO2 形成自真空作用 促进浆液均匀分布于土中 并渗 透到土的微孔内 可使 95 97 的孔隙被浆液充填 加固土体的 透水性大大降低 地基经过加固后 浸水后的附加下沉量极其微小 湿陷性已完全消除 其地基层缩变形量很小 与天然地基相比 其 变形模量 以及地基承载力大大提高 碱液加固 利用 NaOH 溶液加固湿陷性黄土地基在我国始于 20 世纪 60 年代 其加固原则为 NaOH 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应 反应结果使 15 土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物 例如 2NaOH Ca2 2Na Ca OH 2 2NaOH Ca2 土粒 2Na 土粒 Ca OH 2 这种反应是在溶液渗入土中瞬间完成的 它所消耗的 NaOH 仅占加固土所用的一小部分 土中呈游离状态的 SiO2和 Al2O3 以及土的微细颗粒 铝硅酸 盐类 与 NaOH 作用后产生溶液状态的钠硅酸盐和钠铝酸盐 如 2NaOH SiO2 Na2O SiO2 H2O 2NaOH m Al2O3 Na2O m Al2O3 H2O 在氢氧化钠溶液作用下 土粒 铝硅酸盐 表面会逐渐发生膨 胀和软化 相邻土粒在这一过程中更紧密地相互接触 并发生表面 的相互溶合 但仅有 NaOH 的作用 土粒之间的这种溶合胶结 钠 铝硅酸盐类胶结 是非水稳性的 只有在土颗粒周围存在 Ca OH 2 的条件下 才能使这种胶结物转化为强度高且具有水硬性的钙铝 硅酸盐的络合物 依靠这些混合物的生成 使土粒相互牢固地胶结 在一起 强度大大提高 并且有充分的水稳性 上述反应是在固 溶相间进行 常温下反应速率较慢 而提高温度则能大大加快反应 的进行 当土中可溶性和交换性钙 镁离子含量较高时 灌入 NaOH 溶液即可得到满意的加固效果 如土中的这类离子含量较少 为了 取得有效的加固效果 可以采用双液法 即在灌完 NaOH 溶液后 再灌入 NaCl 溶液 这时 后者与土中部分 NaOH 发生作用 生成 16 Ca OH 2 部分 CaCl2也直接与钠铝硅酸盐络合物生成水硬性的胶 结物 其化学反应如下 2NaOH CaCl2 2NaCl Ca OH 2 Na2O SiO2 m Al2O3 X H2O CaCl2 CaO SiO2 m Al2O3 X H2O 2NaCl 碱液加固的适用范围 自重湿陷性黄土地基能否采用碱液加 固 取决于其对湿陷的敏感性 自重湿陷敏感性强的地基不宜采用 碱液加固 对自重湿陷不敏感的黄土地基经过试验认可并拟采用 碱液加固时 应采用卸荷或其他措施以减少灌液时可能引起的较 大附加下沉 当土中可溶性和交换性的钙 镁离子含量较高 大于 10mgcq 100g 干土 时 可只采用碱液一种溶液加固 否则 需用碱 液和 CaCl2两种溶液进行加固 经技术经济比较 也可采用碱液与 生石灰桩的混合加固方法 但对下列情况不宜采用碱液加固 对于地下水位或饱和度大于 80 的黄土地基 已渗入沥青 油 脂和其他石油化合物的黄土地基 6 预预浸水法浸水法 预浸水法是在修建建筑物前预先对湿陷性黄土场地大面积浸 水 使土体在饱和自重压力作用下 发生湿陷产生压密 以消除全 部黄土层的自重湿陷性和深部土层的外荷湿陷性 上部土层 一般 为距地表以下 4 5m 内 仍具有外荷湿陷性 需要作处理预浸水的 浸水坑的边长不得小于湿陷性土层的厚度 当浸水坑的面积较大 时 可分段进行浸水 浸水坑内水位不应小于 30cm 连续浸水时 17 间以湿陷度变形稳定为准 其稳定标准为最后 5 天的平均湿陷量 小于 5mm 地基预浸水结束后 在基础施工前应进行补充勘查工 作 重新评定地基的湿陷性 并采用垫层法或强夯法等处理上部湿 陷性土层 预浸水法一般适用于湿陷性黄土厚度大 湿陷性强烈的自重 湿陷性黄土场地 由于浸水时场地周围地表下沉开裂 并容易造成 跑水 穿洞 影响附近建筑物的安全 所以在空旷的新建地区较为 适用 在已建地区采用时 浸水场地与已建建筑物之间要留有足够 的安全距离浸水试坑与已有建筑物的净距 当地基内存在隔水层 时 应不小于湿陷性黄土层厚度的 3 0 倍 当不存在隔水层时 应 不小于湿陷性黄土层厚度的 1 5 倍 此外 还应考虑浸水时对场地 附近边坡稳定性的影响 预浸水法用水量大 工期长 处理 1m2面积至少需用水 5t 以 上 在一般情况下 一个场地从浸水起至下沉稳定以及土的含水量 降低到一定要求时所需的时间 至少需要一年左右 因此 预浸水 法只能在具备充足水源 又有较长施工准备时间的条件下才能采 用 7 其他的加固方法 其他的加固方法 高压注浆固结法 CFG 法等的加固机理与别的地区基本相同 参考其他有关章节 另外在饱和的黄土地区 近几年来也采用粉喷 桩法和深层搅拌法 其加固机理见相关章节 2 3 湿陷性黄土地基湿陷性黄土地基处处理的施工工理的施工工艺艺 18 湿陷性黄土地基处理的常用手段 大多同国内地基处理手段 的施工方法和施工工艺相似 所不同的是在加固机理上有一定区 别 2 3 1 灰土 或素土 灰土 或素土 垫层垫层施工施工 灰土 或素土 垫层施工时 先将处理范围内的湿陷性黄土全 部挖出 并对底部进行夯实或压实 然后将就地挖出的粘土配成相 当于最优含水量的土料 根据选用的碾压 或夯实 机械 按一定厚 度分层铺土 分层碾压 或夯实 直到设计标高为止 在大面积的施 工范围内 可采取分段开挖 分段碾压 夯实 上下面层应避免竖向 接缝 其错距离不应小于 0 5 m 在施工缝两侧 0 5m 范围内 应增 加碾压 或夯实 遍数 土垫层所用土料不得采用有机质含量大于 8 的种植土 建 筑垃圾和冻土等 灰土的土料应预过筛 其粒径不得大于 15mm 石灰宜用熟石灰经过筛后使用 粒径不得大于 5mm 且不得夹有 未熟化的生石灰块粒 施工时所用的机械一般采用重锤 压路机 羊足碾 蛙式夯机等 其每层铺土厚度以及灰土或土料的含水量 根据选用的施工机械确定 选用的含水量应接近最优含水量 最优 含水量一般通过击实试验确定 垫层施工质量检测应在每层表面 下 2 3 厚度处取样 检测土的干密度 取样数量不应小于下列规定 整片垫层 每 100m2每层 3 处 矩形 或方形 基础底面下的 垫层 每层 2 处 条形 包括管道 基础底面下的垫层 每 30m 每 层 2 处 19 2 3 2 硅化加固硅化加固 硅化加固主要材料为水玻璃 主要设备为注浆管 打孔机 带 脚架或其他机械成孔机 分配器 溶液罐 注浆泵 胶皮管 带压 压力表和滑轮等 注浆孔的布置原则 应能使被加固墙体在平面和 深度范围内能造成一个整体 加固 1m3土体的溶液用量 Q L m3 可按下式计算 Q Vn Vw Vn d 式中 Vn 为加固前 1m3土的孔隙体积 L Vw 为加固前 1m3土的 土体中水的体积 L d 为加固前地基土体平均干重度 Kn m3 为加固前土体的平均含水量 硅化加固湿陷性黄土地基的施工 可分以下几个步硅化加固湿陷性黄土地基的施工 可分以下几个步骤骤 1 成孔打入注浆管 硅化施工一般从天然地面或基础底面以 上 1 0 1 5m 的覆盖层开始 按照设计的注浆孔放线定位 注浆管 的打入可采取分批 分段流水作业 自外向里间隔进行 当加固深 度超过 1 5m 时 宜分层进行注浆 注浆次序自上而下进行 即先 将注浆管打入第一加固层 注入浆液 完毕后再将其打入第二加固 层 以此类推 直至设计规定的深度为止 2 浆液配置当水玻璃 硅酸钠 溶液的浓度大于硅化加固要 求的 浓度时 应加水稀释 稀释 1L 硅酸钠溶液的加水量 x L 可按下式计算 xlx aa aa 12 21 20 式中 a1为稀释前的硅酸钠 水玻璃 溶液比重 一般为 1 45 1 53 a2为加水稀释后硅酸钠溶液的比重 采用单液硅化时 一般为 1 13 1 15 浆液配料时 先将未稀释的水玻璃溶液盛入容器内 把 2 5 的 氯化钠溶液和按上式算出的用水量徐徐到入容器 搅拌均匀 用 比重计检查其浓度 符合要求时即要将配好的溶液盛入注浆用 的容器内 并立即使用 放置时间不宜超过 4h 以免沉淀和形成 凝胶 每注浆管加固一层土所需的水玻璃溶液用量 V L 可按下式 计算 V R2LQ 式中 R 为加固半径 m L 为加固一层土的厚度 Q 为加固 1m3土体的溶液用量 L m3 3 往地基内注浆 注浆与打注浆孔的程序相同 一般自上而 下分层进行 注浆管打入设计标高以后 应及时连接注浆设备 向 土中注入浆液 接管及注浆时 不得将注浆管摇动 以防管壁与周 围土由于松动而产生缝隙 造成冒浆 注浆压力一般为 1 2Mpa 注 浆速度为 2 5L min 在注浆过程中 也可根据具体情况逐渐增大 或减少灌注压力和注浆速度 浆液冒出地面时 应立即停止灌注 将注浆管周围的表层土翻松夯实或采取其他有效措施处理后方可 继续灌注 21 整个注浆孔注浆完毕后 应及时拔出注浆管 用热水冲洗干净 所有注浆孔宜用水泥砂浆填塞 如用素土或灰土填塞应分层捣实 2 3 3 碱液加固碱液加固 碱液加固设备和工艺均较为简单 用洛阳铲或钢管打到预定 的加固深度 孔径为 5 7cm 孔中填入 2 4cm 粒径的小石子至注 浆管下端的标高处 然后将 20mm 钢管插入孔中 再用 0 5 2 0cm 粒径的小石子填入管子四周约 20 30cm 高 其上用素 土填实直到地表 碱液注入灌注桶中 溶液在桶中可用蒸汽管加热或在桶底直 接用火加热 桶底部焊一带阀门直径为 20mm 的管嘴 外接直径 25mm 胶皮管 注碱液时将胶皮管与注液管连接 开启阀门 溶液 即以自流方式渗入注浆孔周围 形成加固体 碱液加固时的氢氧化钠消耗量主要取决于土对它的吸收能力 是由土中钙 镁离子和有机物含量中细颗粒含量吸收这些成分与 氢氧化钠反应的能力所决定 一般每加固 1 m3黄土所需氢氧化钠 的用量约为 35 45kg 相当于干土重 3 左右 为了使更多的氢氧 化钠被土吸收 也可先灌较浓溶液 120 130g L 后灌较稀溶液 70 80 g L 当溶液带入土中的水量较多时 容易使湿陷性黄土 地基产生较大的附加下沉 因而不宜采用更稀浓度的溶液 注浆孔 一般应在基础两侧或周围各布置一排 孔距视对地基加固的要求 而定 2 3 4 预预浸水施工浸水施工 22 浸水场地的面积应根据建筑物的平面尺寸和湿陷性黄土层的 厚度确定 对于平面为矩形的建筑物 浸水场地的宽度不应小于湿陷性 黄土层的厚度 并根据建筑物的平面尺寸 沿短边加宽 2 4m 沿 长边加宽 5 8m 对平面为方形或圆形的建筑物 浸水场地的边长 或直径应大于湿陷性黄土层的厚度 并按建筑物尺寸外延 3 5m 当浸水场地面积较大时 预浸水应分段进行 每段 50 米左右 浸水前沿场地四周挖土或修筑土埂 高 0 5 米 并设置地面标点和 深标点 浸水后定期观测标点下沉 至下沉稳定为止 自重湿陷性黄土场地一般土质疏松 而且常有裂缝和孔洞分 布 在浸水过程中容易发生 跑水 给予浸水法施工造成困难 影 响处理效果 因此 从一开始注水就仔细观察 如发现有裂隙或孔 洞 跑水 现象 需及时填土堵塞 浸水初期 水位不宜过高 待周 围地表形成环形裂缝时在将水位适当提高 跑水 一般发生在开始 浸水的时候 在第一周内要加强观察 跑水 严重时要停止浸水 以便处理 由于湿陷性黄土地区湿陷黄土的特点 除进行正常和必需的 地基处理外 防水措施也是保证湿陷性黄土地基上建筑物安全和 正常使用的重要措施之一 由于湿陷性黄土浸水后产生湿陷变形的特点 防止水对地基 浸湿而产生变形 对湿陷性黄土地区的建筑物而言 显得较为重要 在自重湿陷性黄土地区 当湿陷性土层较厚时 限于施工技术条件 23 或进行经济对比认为不合理 而采取消除地基的部分湿陷量 难于 达到控制剩余湿陷量的目的 就需要加强防水措施 采取严格的防 水措施 辅以地基处理 这样可以消除上部处理土层的湿陷性 减 少地基的湿陷量 而且可以减少下部土层的湿陷几率 而对于非自 重湿陷性黄土地基上的一般建筑物 当地基的湿陷量较小时 可以 不进行地基处理 而以防水措施为主 辅以结构措施 这样做不致 产生较严重的湿陷事故 这也是在非自重湿陷性黄土地基上的习 惯做法 有一定成功经验 另外还有结构措施 即在湿陷性黄土地基上的建筑物在结构 设计时应考虑当地基发生湿陷时建筑物仍能保持其整体性和稳定 性 减少建筑物的不均匀下沉 并减轻建筑物的损坏程度 其结构措施的主要内容为 选择合理的结构和基础形式 以 适应不均匀下沉 加强结构的整体性和空间刚度 以减少不均 匀下沉 外墙建筑部件 结构 的强度 减轻湿陷的损害 预留 适当净空 以适应湿陷变形 2 4 结语结语 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 重锤夯实和强夯 土 或灰土 桩挤密和桩基础等 化学加固法由于造价高 一般仅用于湿陷事故处理 高压旋喷注浆 固结法用于新建湿陷性黄土地基处理的实例较少 钻孔夯扩桩在 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 热加 24 固 水下爆扩及电火花加固等也曾用于湿陷性黄土地基处理 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 热加固法可以完全消除部分黄 土的湿陷性 大大提高土的承载能力 但加固土体的设备较复杂 加固后土体的强度不够均匀 我国在 20 世纪五六十年代曾有过应 用 并取得较好加固效果 水下爆扩加密土的方法可用于处理饱和 黄土地基或者与预浸水法相结合 在处理自重湿陷性黄土地基时 可提高消除湿陷性的效果 加速湿陷的完成 电火花法国外已取得 成功的经验 但目前国内还没有使用 实实例 例 强强夯法夯法处处理湿陷性黄土施工技理湿陷性黄土施工技术术 高速公路 高速公路 1 强强夯法施工原理夯法施工原理 强夯法又称动力固结法 是利用重力机械将重 8 30t 的夯锤 25 起吊一定高度后 突然释放 重锤从高处自由下落对地基产生强大 的冲击能 在地基土中产生巨大的应力波来破坏土体原有的大孔 隙结构 使土体局部发生液化 并产生许多裂隙 增强排水通道 使孔隙水逸出 待孔隙水压力消散后 土体重新固结 承载力提高 同时 强夯还提高了土层的均匀程度 减少路基的差异沉降 2 强强夯法施工控制参数夯法施工控制参数 在大面积开工前 先试夯 在试验现场沿夯击点等距离的不同 深度以及等深度的不同距离埋设双管封闭式孔隙水压力仪或钢弦 式孔隙水压力仪 在夯击作用下进行对孔隙水压力沿深度和水平 距离的增长和消散的分布规律研究 从而确定强夯的有效加固深 度 夯点布置及间距 夯击次数及遍数等施工参数 以便控制施工 1 有效加固深度 H 10 hMKH 式中 K 有效加固深度修正系数 一般取 0 5 M 锤重 h 落距 m 2 夯击点布置 夯点布置一般采用等边三角形或正方形网格布设 夯点中心 距离由夯锤尺寸 夯锤边缘外土最大液化宽度确定 26 先夯击标有 1 的夯点 再夯击标有 2 的夯点 经不同时间测试 通过综合分析 在两夯点间挖坑取样 进行密度检测 看是否达到 设计要求 若不符合要求进行第二遍夯击 一般黄土夯击 2 3 遍即 可 3 夯点间距 夯点间距一般采用下列公式进行计算 d 1 69 0 385Z 式中 Z 设计液化深度 m 夯锤底面半径 m 经验系数 一般取 0 65 80 d 设计夯点中心距离 夯点的夯击次数 夯点的夯击次数按现场试夯得到