湿陷性黄土地基处理

第七章几种特殊土地基上的基础工程,太原理工大学轨道交通研究所,特殊土：由于生成时不同的地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等原因，使一些土具有一些特殊的成分、结构和性质，这些具有特殊工程性质的土类称为特殊土。特殊土的种类很多，大部分都具有地区特点，故又有区域性特殊土之称。我国主要的区域性特殊土包括湿陷性黄土、膨胀土、软土、冻土等。,第一节湿陷性黄土地基,湿陷性黄土：黄土的一种，天然黄土在一定的压力作用下，受水浸湿后，土的结果迅速破坏，发生显著的湿陷变形，强度也随之降低的，称为湿陷性黄土。湿陷性黄土分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。黄土收水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称为自重湿陷性黄土。若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。,一、黄土的特征和分布,黄土的分布,黄土在世界上分布相当广泛，占全球陆地面积的十分之一，成东西向带状断续地分布在南北半球中纬度的森林草原、草原和荒漠草原地带。中国是世界上黄土分布最广、厚度最大的国家，其范围北起阴山山麓，东北至松辽平原和大、小兴安岭山前，西北至天山、昆仑山山麓，南达长江中、下游流域，面积约63万平方公里。其中以黄土高原地区最为集中，占中国黄土面积的72.4,一般厚50200米（甘肃兰州九洲台黄土堆积厚度达到336米）,发育了世界上最典型的黄土地貌。我国西北的黄土高原是世界上规模最大的黄土高原，华北的黄土平原是世界上规模最大的黄土平原。,二、黄土湿陷发生的原因和影响因素,黄土湿陷的原因常由于管道漏水，地面积水，生产和生活用水等渗入地下，或由于降水量较大，灌溉渠和水库的泄露或回水使地下水位上升等原因而引起。但收水浸湿只是湿陷发生所必须的外界条件，而黄土的结构特征及物质成分湿产生湿陷性的内在原因。影响因素：1、干旱或半干旱的气候是黄土形成的必要条件。2、黄土受水浸湿后，结合水膜增厚进入颗粒之间。3、黄土中胶结物的多寡和成分，以及颗粒的组成和分布，对黄土的结构特点和湿陷性的增强有着重要的影响。4、黄土的湿陷性还和孔隙比，含水率以及所受压力的大小有关！,三、黄土湿陷性的判定和地基的评价,（一）黄土湿陷性的判定黄土湿陷性在国内外都采用湿陷系数s值来判定，湿陷系数s为单位厚度的土层，由于浸水在规定压力下产生的湿陷量，它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度。试验方法：s可通过室内浸水压缩试验测定。把保持天然含水量和结构的黄土土样装入侧限压缩仪内，逐级加压，达到规定试验压力，土样压缩稳定后，进行浸水，使含水量接近饱和，土样又迅速下沉，再次达到稳定，得到浸水后土样高度（如右图7-1），由式（7-1）求得土的湿陷系数s,h0,hp,pp,图7-1在压力p下浸水压缩曲线,式中：h0土样的原始高度(m)；hp土样在无侧向膨胀条件下，在规定试验压力p的作用下，压缩稳定后的高度(m)；对在压力p作用下的土样进行浸水，到达湿陷稳定后的土样高度(m)。湿陷性判定：我国湿陷性黄土地区建筑规范（GBJ25-90）按照国内各地经验采用s=0.015作为湿陷性黄土的界限值，s0.015定为湿陷性黄土，否则为非湿陷性黄土。湿陷性土层的厚度也是用此界限值确定的。一般认为s0.07为强湿陷性黄土。,（7-1）,（二）湿陷性黄土地基湿陷类型的划分,定义：黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。划分：湿陷性黄土地区建筑规范用计算自重湿陷量zs来划分这两种湿陷类型的地基，zs(cm)按下式计算：,（7-2）,式中：0根据我国建筑经验，因各地区土质而异的修正系数。对陇西地区可取1.5，陇东、陕北地区可取1.2，关中地区取0.7，其他地区（如山西、河北、河南等）取0.5；zsi第i层地基土样在压力值等于上覆土的饱和（S85%）自重应力时，试验测定的自重湿陷系数(当饱和自重应力大于300kPa时，仍用300kPa)；hi地基中第i层土的厚度(m)；n计算总厚度内土层数。,当zs7cm时为自重湿陷性黄土地基，zs7cm时为非自重湿陷性黄土地基。用上式计算时，土层总厚度从基底算起，到全部湿陷性黄土层底面为止，其中zs0.015的土层（属于非自重湿陷性黄土层）不累计在内。,（三）湿陷性黄土地基湿陷等级的判定,定义：湿陷性黄土地基的湿陷等级，即地基土受水浸湿，发生湿陷的程度，可以用地基内各土层湿陷下沉稳定后所发生湿陷量的总和（总湿陷量）来衡量。湿陷性黄土地区建筑规范对地基总湿陷量s（cm）用下式计算：,（7-3）,式中：si第i层土的湿陷系数；hi第i层土的厚度(cm)；考虑地基土浸水机率、侧向挤出条件等因素的修正系数，基底下5m（或压缩层）深度内取1.5；5m(或压缩层)以下，非自重湿陷性黄土地基=0，自重湿陷性黄土地基可按式(7-2)0取值。,湿陷等级的判定：可根据地基总湿陷量s和计算自重湿陷量zs综合，按表7-1判定。,湿陷性黄土地基的湿陷等级表7-1,四、湿馅性黄土地基的处理,目的：改善土的性质和结构，减少土的渗水性、压缩性，控制其湿陷性的发生，部分或全部消除它的湿陷性。在明确地基湿陷性黄土层的厚度、湿陷性类型、等级等后，应结合建筑物的工程性质，施工条件和材料来源等，采取必要的措施，对地基进行处理，满足建筑物在安全、使用方面的要求。,在桥梁工程中，对较高的墩、台和超静定结构，应采用刚性扩大基础、桩基础或沉井等型式，并将基础底面设置到非湿陷性土层中；对一般结构的大中桥梁，重要的道路人工构造物，如属级非自重湿陷性地基或各级自重湿陷性黄土地基也应将基础置于非湿陷性黄土层或对全部湿陷性黄土层进行处理并加强结构措施；如属级非自重湿陷性黄土也应对全部湿陷性黄土层进行处理或加强结构措施。小桥涵及其附属工程和一般道路人工构造物视地基湿陷程度，可对全部湿陷性土层进行处理，也可消除地基的部分湿陷性或仅采取结构措施。（结构措施是指结构形式尽可能采用简支梁等对不均匀沉降不敏感的结构；加大基础刚度使受力较均匀；对长度较大且体形复杂的建筑物，采用沉降缝将其分为若干独立单元。）,按处理厚度可分为全部湿陷性黄土层处理和部分湿陷性黄土层处理，前者对于非自重湿陷性黄土地基，应自基底处理至非湿陷性土层顶面（或压缩层下限），或者以土层的湿陷起始压力来控制处理厚度；对于自重湿陷性黄土地基是指全部湿陷性黄土层的厚度。后者指处理基础底面以下适当深度的土层，因为该部分土层的湿陷量一般占总湿陷量的大部分。这样处理后，虽发生少部分湿陷也不致影响建筑物的安全和使用。处理厚度视建筑物类别，土的湿陷等级、厚度，基底压力大小而定，一般对非自重湿陷性黄土为13m，自重湿陷性黄土地基为25m。,常用的处理湿陷性黄土地基的方法：,（一）灰土或素土垫层,（二）重锤夯实及强夯法,（三）石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩,（四）预浸水处理,（一）灰土或素土垫层,将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖到预计深度，然后用灰土（三分石灰七分土）或素土（就地挖出的粘性土）分层夯实回填，垫层厚度及尺寸计算方法同砂砾垫层，压力扩散角对灰土用30，对素土用22。垫层厚度一般为1.03.0m。它施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层湿陷性处理或部分处理的方法。,（二）重锤夯实及强夯法,重锤夯实法能消除浅层的湿陷性，如用15kN40kN的重锤，落高2.54.5m，在最佳含水量情况下，可消除在1.01.5m深度内土层的湿陷性。强夯法根据国内使用纪录，锤重100200kN，自由落下高度1020m锤击两遍，可消除46m范围内土层的湿陷性。两种方法均应事先在现场进行夯击试验，以确定为达到预期处理效果（一定深度内湿陷性的消除情况）所必需的夯点、锤击数、夯沉量等，以指导施工，保证质量。,（三）石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩,用打入桩、冲钻或爆扩等方法在土中成孔，然后用石灰土或将石灰与粉煤灰混合分层夯填桩孔而成（少数也有用素土），用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构，达到消除或减轻地基的湿陷性。此方法适用于消除510m深度内地基土的湿陷性。,（四）预浸水处理,自重湿陷性黄土地基利用其自重湿陷的特性，可在建筑物修筑前，先将地基充分浸水，使其在自重作用下发生湿陷，然后再修筑。,五、湿陷性黄土地基的承载力特征值和沉降计算,湿陷性黄土地区建筑规范（GB50025-2004）规定，湿陷性黄土地基承载力特征值，应根据地基载荷试验及当地经验数据确定。当基础宽度大于3m或埋置深度大于1.5m时，地基承载力特征值应按下式修正：,（7-4）,式中：fa-修正后的地基承载力特征值；fak-地基承载力特征值b、d-基础宽度和埋深的地基承载力修正系数-基础底面以下土的重度，地下水位以下取浮重度；m-基础底面以上土的加权平均重度，地下水位以下取浮重度；b-基础底面宽度(m)，当基宽小于3m按3m取值，大于6m按6m取值；d-基础埋置深度(m)，一般自室外地面标高算起。在填方整平地区，可自填土地面标高算起，但填土在上部结构施工后完成时，应从天然地面标高算起。对于地下室，如采用箱形基础或筏基时，基础埋置深度自室外地面标高算起；当采用独立基础或条形基础时，应从室内地面标高算起。,经灰土垫层（活素土垫层）、重锤夯实处理后地基土承载力应通过现场测试确定，其承载力特征值一般不宜超过250Kpa（素土垫层为200Kpa）。垫层下如有软弱下卧层，也需验算其强度。对各种深层挤密桩、强夯等处理的地基，其承载力也应作静荷载试验来确定。,建筑在湿陷性黄土地基上的桥梁墩台，应进行沉降