大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度的多维度探究与实践

大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度的多维度探究与实践一、引言1.1研究背景与意义黄土在我国分布广泛，尤其在西北、华北等地，其总面积约64万平方千米，其中湿陷性黄土占比超过60%，且多存在于地表上层。大厚度湿陷性黄土场地在我国黄土地区并不罕见，这种特殊的地质条件给工程建设带来诸多挑战。当湿陷性黄土受水浸湿后，其结构会迅速破坏，进而产生显著的沉降，强度也会随之迅速降低。这一特性使得在大厚度湿陷性黄土场地上进行工程建设时，地基容易出现不均匀沉降、承载力下降等问题。在湿陷性黄土地区，曾有建筑物因地基处理不当，在建成后短时间内就出现了墙体开裂、基础下沉等严重病害，甚至有些建筑不得不拆除重建，造成了巨大的经济损失。从保障工程安全角度来看，确定合理的地基处理深度至关重要。若处理深度不足，剩余湿陷性土层在浸水后可能产生的湿陷变形，会对上部结构产生不利影响，如导致建筑物倾斜、开裂，影响其正常使用，甚至危及生命财产安全；若处理深度过大，虽能充分消除湿陷性，但会大幅增加工程成本，造成资源浪费，在经济上缺乏合理性。在当前工程建设蓬勃发展，尤其是黄土地区基础设施建设日益增多的背景下，深入研究大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度的确定方法，不仅有助于解决实际工程中的技术难题，保障工程的安全稳定运行，还能为工程建设提供经济合理的方案，提高资源利用效率，促进工程建设行业的可持续发展，具有重要的现实意义和工程应用价值。1.2国内外研究现状在国外，针对湿陷性黄土的研究开展较早。美国在20世纪中叶就开始关注黄土的工程性质，通过大量的现场试验和理论分析，对黄土的湿陷特性有了较为深入的认识。他们重点研究了黄土在不同荷载和含水量条件下的变形规律，提出了一些基于土力学理论的湿陷性评价方法，为工程实践提供了理论依据。前苏联在湿陷性黄土地基处理方面也积累了丰富的经验，研发了多种地基处理技术，如灰土桩挤密法等，这些方法在当时的工程建设中得到了广泛应用，有效地解决了湿陷性黄土地基的稳定性问题。国内对于湿陷性黄土的研究始于20世纪50年代，随着黄土地区工程建设的不断增多，研究工作也日益深入。众多学者通过室内试验、现场监测和数值模拟等手段，对湿陷性黄土的工程特性、湿陷变形机理以及地基处理方法进行了系统研究。在湿陷变形机理方面，揭示了黄土的湿陷是由于其特殊的粒间连接方式和孔隙结构，在浸水和荷载作用下，粒间连接破坏，孔隙结构塌陷，从而导致土体产生显著沉降。在地基处理深度的确定方法上，目前主要依据相关规范，如《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2018），规范中规定了不同湿陷等级和建筑类型下的地基处理深度要求，主要以消除地基的湿陷性为目标，根据湿陷性土层的厚度、湿陷系数等指标来确定处理深度。部分学者通过对大量工程案例的分析，提出了基于工程经验的处理深度建议，如根据建筑物的重要性、荷载大小等因素综合确定处理深度。然而，现有研究仍存在一定不足。一方面，规范中的处理深度要求较为笼统，未能充分考虑不同地区黄土性质的差异以及工程实际情况的多样性，在实际应用中可能导致处理深度不合理，要么处理不足留下安全隐患，要么处理过度造成资源浪费。另一方面，现有的基于工程经验的处理深度确定方法缺乏系统性和理论支撑，主观性较强，难以准确指导复杂工程条件下的地基处理设计。此外，对于大厚度湿陷性黄土场地，如何综合考虑地基的强度、变形和稳定性要求，确定经济合理的处理深度，目前还缺乏深入的研究。本文将针对这些问题，通过理论分析、数值模拟和工程案例研究，深入探讨大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度的确定方法，以期为工程实践提供更加科学、合理的依据。二、大厚度湿陷性黄土场地特性分析2.1黄土的物理性质黄土作为一种特殊的第四纪陆相沉积物，其物理性质呈现出显著的特点，这些特性与湿陷性密切相关。黄土的容重一般在13-18kN/m³之间，其数值受到矿物成分、结构以及含水量等多种因素的综合影响。矿物成分决定了黄土的基本物质组成，不同矿物的密度差异会直接反映在容重上；结构的紧密程度影响着土颗粒之间的排列方式和孔隙大小，进而对容重产生作用；含水量的变化更是显著，当黄土含水量增加时，其容重会相应增大。例如，在我国西北某地区的黄土场地，通过大量的现场测试发现，当黄土的天然含水量从10%增加到20%时，容重从14kN/m³上升至15kN/m³左右。较低的容重意味着黄土颗粒之间的排列相对疏松，孔隙较多，这种结构特征为湿陷性的产生提供了一定的条件。黄土的比重通常在2.65-2.75之间，主要取决于其矿物组成。黄土中常见的矿物如石英、长石等，它们的比重相对稳定，使得黄土的比重也保持在较为固定的范围。比重虽然在数值上相对稳定，但它对于理解黄土的物质构成和基本特性具有重要意义，是分析黄土物理性质的基础参数之一。孔隙比是衡量黄土疏密程度的重要指标，黄土的孔隙比一般在0.8-1.5之间，具有较大的孔隙结构。这种大孔隙结构使得黄土在受水浸湿时，水分能够迅速渗入土体内部。当孔隙中的水分增加时，土颗粒间的连接力会被削弱，结构稳定性下降，进而容易引发湿陷现象。研究表明，孔隙比与湿陷系数之间存在正相关关系，即孔隙比越大，黄土的湿陷性越强。在某工程场地的研究中，通过对不同孔隙比的黄土进行湿陷性试验，发现当孔隙比从0.9增加到1.2时，湿陷系数从0.02增加到0.05，湿陷性明显增强。黄土的颗粒组成以粉粒为主，含量可达50%-70%，同时含有一定量的砂粒和粘粒。粉粒的含量高使得黄土具有较大的比表面积，增加了土颗粒与水和其他物质的接触面积。当黄土遇水时，粉粒表面的吸附水膜会增厚，导致土颗粒间的连接力减弱。粘粒含量较少时，黄土的骨架主要以胶结形薄膜状为主，这种胶结强度较低，容易在水和外力作用下破坏，从而增强了黄土的湿陷性；而当粘粒含量较高时，黄土骨架结构多以镶嵌状为主，胶结强度高，湿陷性则相对较弱。界限含水率包括液限和塑限，液限一般在25%-35%之间，塑限在15%-25%之间。当液限在30以上时，黄土的湿陷性较弱，且多为非自重湿陷性黄土；当液限小于30时，湿陷一般较强烈。这是因为液限较高的黄土，其土颗粒间的结合力相对较强，在受水浸湿时，结构破坏的难度较大，湿陷性也就相对较弱。例如，在某地区的黄土中，液限为32%的黄土在相同的浸水条件下，湿陷变形量明显小于液限为28%的黄土。2.2黄土的力学性质黄土的力学性质是确定地基处理深度的关键因素，对工程建设的稳定性和安全性有着至关重要的影响。黄土的压缩性是其力学性质的重要方面。在压力作用下，黄土会发生压缩变形，其压缩系数和压缩模量是衡量压缩性的重要指标。压缩系数越大，表明黄土在一定压力增量下的压缩变形越大，土的压缩性越强。研究表明，黄土的压缩系数与土的结构、孔隙比等因素密切相关。当孔隙比增大时，黄土的压缩系数也会相应增大，这意味着土体在受力时更容易被压缩，产生较大的变形。在某工程场地的试验中，孔隙比为1.0的黄土，其压缩系数为0.25MPa⁻¹；而孔隙比增大到1.2时，压缩系数增大至0.35MPa⁻¹。压缩模量则是与压缩系数成反比的指标，压缩模量越大，土的压缩性越小，抵抗变形的能力越强。在地基处理深度的确定中，若黄土的压缩性过高，在建筑物荷载作用下可能产生过大的沉降变形，影响建筑物的正常使用。因此，对于压缩性高的黄土，往往需要增加地基处理深度，以减小地基的压缩变形，确保建筑物的稳定性。抗剪强度是黄土抵抗剪切破坏的能力，由内摩擦力和粘聚力组成。内摩擦力与土颗粒之间的相互摩擦和咬合作用有关，而粘聚力则取决于土颗粒间的胶结物质和结合水膜的作用。黄土的抗剪强度指标内摩擦角和粘聚力会受到含水量、密实度等因素的显著影响。当含水量增加时，黄土颗粒间的润滑作用增强，内摩擦力减小，同时结合水膜增厚，粘聚力也会降低，导致抗剪强度下降。在实际工程中，地基土体需要具备足够的抗剪强度来承受建筑物传来的荷载。如果黄土的抗剪强度不足，在荷载作用下地基可能发生剪切破坏，引发建筑物的倾斜、倒塌等严重事故。因此，在确定地基处理深度时，需要考虑黄土的抗剪强度，对于抗剪强度较低的黄土层，应通过适当的地基处理方法提高其抗剪强度，或增加处理深度，以保证地基的稳定性。湿陷起始压力是黄土开始产生湿陷变形时的压力，它是判断黄土湿陷性是否会在实际工程中发生的重要依据。当作用在黄土上的压力小于湿陷起始压力时，即使黄土受水浸湿，也不会产生明显的湿陷变形；而当压力超过湿陷起始压力时，黄土在浸水后会迅速发生湿陷。湿陷起始压力的大小与黄土的结构、含水量、孔隙比等因素有关。一般来说，结构紧密、含水量低、孔隙比较小的黄土，其湿陷起始压力相对较高。在工程设计中，需要准确确定黄土的湿陷起始压力，结合建筑物的实际荷载情况，判断地基是否会发生湿陷。如果建筑物的荷载超过了黄土的湿陷起始压力，就需要采取相应的地基处理措施，消除或减小湿陷性，而处理深度的确定则需要综合考虑湿陷性土层的厚度、湿陷起始压力与建筑物荷载的差值等因素，以确保地基在建筑物使用期间不会因湿陷而产生过大变形。2.3湿陷性黄土的特性湿陷性黄土的湿陷机理较为复杂，目前存在多种学说来解释这一现象，其中结构学说得到了广泛的认可。结构学说认为，黄土的湿陷性与其特殊的粒间连接方式和孔隙结构密切相关。在天然状态下，黄土颗粒通过粒间的胶结物质（如可溶盐、粘土矿物等）和弱结合水形成相对稳定的结构。这些胶结物质在干燥状态下能够提供一定的强度，使黄土能够承受一定的荷载而不发生显著变形。然而，当黄土受水浸湿时，水分会迅速进入土体孔隙，可溶盐溶解，弱结合水膜增厚，导致粒间连接力减弱。在外部荷载或土体自重的作用下，粒间连接被破坏，土颗粒发生重新排列，孔隙结构塌陷，从而产生显著的湿陷变形。例如，在室内试验中，对原状黄土试样进行浸水压缩试验，当试样浸水后，可观察到其孔隙比迅速减小，土体体积收缩，产生明显的湿陷沉降。影响湿陷性的因素众多，物质成分是其中一个重要因素。黄土中的矿物成分以石英、长石等轻矿物为主，这些矿物构成了黄土的基本骨架。而粘土矿物和可溶盐类对湿陷性的影响较为显著。粘土矿物具有较大的比表面积和较强的吸水性，当粘土矿物含量较高时，黄土在浸水后，粘土矿物吸水膨胀，会进一步削弱粒间连接力，增加湿陷性。可溶盐在黄土中起到胶结作用，遇水溶解后，胶结强度降低，导致土体结构不稳定，容易引发湿陷。研究表明，当黄土中可溶盐含量超过一定阈值时，湿陷系数会明显增大。微结构对湿陷性也有重要影响。黄土的微结构包括孔隙大小、形状、分布以及颗粒的排列方式等。具有大孔隙结构、疏松排列的黄土，其湿陷性往往较强。大孔隙为水分的快速渗入提供了通道，同时在浸水和荷载作用下，大孔隙周围的土颗粒更容易发生移动和重新排列，导致孔隙结构的破坏，从而产生湿陷。通过扫描电子显微镜观察发现，湿陷性黄土的孔隙尺寸较大，且孔隙之间相互连通，这种微结构特征使得黄土在受水浸湿时更容易发生湿陷。含水率是影响湿陷性的关键因素之一。当黄土的含水率较低时，土颗粒间的连接力较强，湿陷性相对较弱。随着含水率的增加，水分逐渐填充孔隙，土颗粒间的润滑作用增强，连接力减弱，湿陷性增大。当含水率达到一定程度后，黄土可能会达到饱和状态，此时湿陷性反而会有所降低，因为土体在饱和状态下，结构强度不再因浸水而大幅下降。在某工程场地的监测中，发现随着地下水位的上升，黄土的含水率增加，湿陷系数也随之增大，当含水率超过一定值后，湿陷系数增长趋势变缓。三、地基处理深度确定的依据与标准3.1相关规范解读《湿陷性黄土地区建筑标准》（GB50025-2018）是指导湿陷性黄土地基处理的重要规范，其中关于地基处理深度的规定，为工程实践提供了关键依据。对于甲类建筑，规范要求极为严格。在非自重湿陷性黄土场地，需将基础底面以下附加压力与上覆土的饱和自重压力之和大于湿陷起始压力的所有土层进行处理，或者处理至地基压缩层的深度。这是因为甲类建筑通常具有重要的功能或较高的安全要求，对地基的稳定性和变形控制要求极高。若不处理这些土层，在建筑物长期使用过程中，一旦地基浸水，可能会因湿陷变形导致建筑物出现严重的破坏，影响其正常使用甚至危及生命财产安全。例如，某大型化工厂的核心生产车间属于甲类建筑，在非自重湿陷性黄土场地进行建设时，按照规范要求，对基础底面以下附加压力与上覆土饱和自重压力之和大于湿陷起始压力的土层进行了处理，确保了车间在后续使用中的稳定性。在自重湿陷性黄土场地，对于一般湿陷性黄土地基，应将基础底面以下湿陷性黄土层全部处理。这是考虑到自重湿陷性黄土在自重应力作用下浸水就会发生湿陷，只有彻底消除湿陷性土层，才能有效避免地基湿陷对建筑物的危害。如某地区的重要公共建筑，位于自重湿陷性黄土场地，通过将基础底面以下湿陷性黄土层全部处理，成功保障了建筑在复杂地质条件下的安全稳定。对于大厚度湿陷性黄土地基上的甲类建筑，除了要将基础底面以下具自重湿陷性的黄土层全部处理外，还应将附加压力与上覆土饱和自重压力之和大于湿陷起始压力的非自重湿陷性黄土层一并处理。这是因为大厚度湿陷性黄土场地的地质条件更为复杂，湿陷性土层对建筑物的潜在威胁更大，只有全面处理相关土层，才能确保建筑物的安全。当遇到地下水位无上升可能，或上升对建筑物不产生有害影响，且按上述规定计算的地基处理厚度大于25m时，处理厚度可适当减小，但不得小于25m，且应在原防水措施基础上提高等级或采取加强措施。这是在保证安全的前提下，综合考虑工程成本和实际施工条件做出的规定，既确保了建筑物的基本安全，又在一定程度上实现了经济合理性。乙类建筑应采取地基处理措施消除地基的部分湿陷量。在非自重湿陷性黄土场地，处理深度不应小于地基压缩层深度的2/3，且下部未处理湿陷性黄土层的湿陷起始压力值不应小于100kPa。这是为了在满足一定安全要求的基础上，合理控制工程成本。通过处理部分湿陷性土层，并保证下部未处理土层具有一定的湿陷起始压力，可有效减少地基湿陷对建筑物的影响。在自重湿陷性黄土场地，处理深度不应小于基底下湿陷性土层的2/3，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于150mm。这是根据自重湿陷性黄土场地的特点，对处理深度和剩余湿陷量进行的双重控制，以保障建筑物在自重湿陷性黄土场地的安全使用。对于大厚度湿陷性黄土地基，基础底面以下具自重湿陷性的黄土层应全部处理，且应将附加压力与上覆土饱和自重压力之和大于湿陷起始压力的非自重湿陷性黄土层的2/3一并处理。当处理厚度大于20m时，可适当减小，但不得小于20m，并应在原防水措施基础上提高等级或采取加强措施。这同样是在考虑大厚度湿陷性黄土地基复杂性的基础上，为乙类建筑制定的处理深度要求，力求在安全与经济之间找到平衡。丙类建筑消除地基部分湿陷量的最小处理厚度，应符合规范中表6.1.5的规定。当按剩余湿陷量计算的地基处理厚度较大，采用表中的最小处理厚度时，应在原防水措施基础上提高等级或采取加强措施。这体现了对丙类建筑在保证一定安全标准的同时，根据不同情况灵活调整处理方案，通过加强防水措施等方式，弥补因处理厚度不足可能带来的风险。3.2确定处理深度的主要依据确定大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度时，需综合考虑多方面因素，这些因素相互关联，共同影响着处理深度的合理取值。建筑物的类型是首要考虑因素之一。不同类型的建筑物，其功能和重要性存在差异，对地基的要求也截然不同。甲类建筑通常为重要的工业与民用建筑，如大型发电厂、重要的政府办公大楼等，这类建筑对地基的稳定性和变形控制要求极高，因为一旦地基出现问题，可能会引发严重的安全事故，造成巨大的经济损失和社会影响。所以，对于甲类建筑，在确定地基处理深度时，往往需要更为严格，以确保地基能够承受建筑物的荷载，满足长期稳定运行的需求。乙类建筑如一般的教学楼、办公楼等，虽然重要性相对甲类建筑稍低，但也需要保证一定的安全标准，在确定处理深度时，要综合考虑建筑物的结构特点和使用要求。丙类建筑多为普通住宅、小型商业建筑等，其对地基的要求相对较低，但仍需满足基本的安全和使用要求。在实际工程中，某大型医院属于甲类建筑，位于大厚度湿陷性黄土场地，为确保医院建筑的安全稳定，其地基处理深度经过详细的勘察和计算，处理深度比一般乙类建筑要深，以消除可能存在的湿陷隐患，保障医院的正常运营。荷载大小直接关系到地基所承受的压力，是确定处理深度的关键因素。建筑物的荷载包括恒载和活载，恒载是建筑物自身结构和固定设备的重量，活载则是人员、家具、设备等可变荷载。当荷载较大时，地基所承受的压力相应增大，为了保证地基的稳定性和变形控制在允许范围内，需要更大的处理深度。在某高层建筑工程中，由于建筑物高度较高，结构复杂，其恒载和活载都较大，经计算，地基处理深度需达到20m以上，才能满足建筑物对地基承载力和变形的要求。如果处理深度不足，地基在建筑物荷载作用下，可能会产生过大的沉降变形，导致建筑物倾斜、开裂，影响其正常使用。场地的工程地质条件是确定处理深度的重要依据。大厚度湿陷性黄土场地的地质条件复杂多变，湿陷性黄土层的厚度、湿陷系数、湿陷起始压力等参数对处理深度的确定起着关键作用。湿陷性黄土层厚度越大，处理难度和成本越高，在确定处理深度时，需要综合考虑经济和技术可行性。湿陷系数反映了黄土湿陷性的强弱，湿陷系数越大，湿陷性越强，所需的处理深度通常也越大。湿陷起始压力则决定了黄土在何种压力下会开始产生湿陷变形，当建筑物荷载超过湿陷起始压力时，就需要采取措施消除湿陷性，处理深度也应根据两者的差值进行确定。在某场地，湿陷性黄土层厚度达到30m，湿陷系数较大，且湿陷起始压力较低，建筑物荷载超过湿陷起始压力较多，经分析，为消除湿陷性对建筑物的影响，地基处理深度确定为25m，以确保地基的稳定性。地下水位的高低和变化对地基处理深度也有显著影响。当地下水位较高时，湿陷性黄土层处于饱水状态，其力学性质会发生变化，湿陷性可能会减弱，但同时也可能导致地基土的强度降低，压缩性增大。在这种情况下，确定处理深度时需要考虑地下水位对地基土性质的影响，以及建筑物在饱水地基条件下的稳定性。如果地下水位在建筑物使用期间可能发生变化，如因降水、排水等原因导致地下水位上升或下降，还需要预测水位变化对地基的影响，合理调整处理深度。在某场地，地下水位较高，且在雨季有上升趋势，为保证建筑物地基的稳定性，在确定处理深度时，充分考虑了地下水位上升对地基土强度和变形的影响，适当增加了处理深度，以防止地基因地下水位变化而产生不良影响。四、常见地基处理方法及对处理深度的影响4.1垫层法垫层法是一种浅层处理湿陷性黄土地基的传统方法，在湿陷性黄土地区应用较为广泛。其原理是将基础下一定深度的湿陷性土层挖除，然后换填强度较高、压缩性较低、水稳性良好的材料，如灰土、砂石、素土等，并分层夯实至要求的密实度。通过换填垫层，可有效提高地基的承载力，减少地基的沉降和湿陷变形，改善地基的工程性质。在施工工艺方面，首先需进行施工准备，包括对场地的清理和平整，确保施工场地具备施工条件；对天然地层进行详细的工程地质勘探，获取准确的地质资料，为垫层法的设计和施工提供依据；打通施工进料道路，保证材料运输畅通。准备好垫层所需的砂、片石、石碴等材料，并对材料进行质量检验，确保其符合设计要求，如采用级配良好的中、粗砂及碎石、石碴，其含泥量不大于15%，且不含有机质垃圾等杂物。基底清理是关键步骤，在天然地基上铺设垫层前，应将基底清理干净、平整，并按设计要求做好基底碾压或路拱，有边坡时应将边坡修整好，防止坍土混入垫层中，经检验合格后方可铺设垫层。垫层法施工采用分层压实的施工方法，可适当加水以提高压实效果。分层厚度、压实遍数应通过试压确定，确保每层都能达到设计的密实度要求。分层施工时，下层密度经检验合格后，方可填筑上层。在垫层填筑完成后，必须将路堤两侧的干砌片石护脚完成，并同时做好反滤层，以免砂子向两侧流失，保证路堤整齐完好，排水畅通。开挖基坑铺设砂垫层时，必须避免扰动软弱土层的表面，减少坑底土的结构在施工时遭到破坏，降低坑土结构强度。基坑开挖后应及时回填，不应暴露过久浸水，并防止践踏坑底。若砂、砂石垫层底面铺设在不同标高上，基坑地基上面应挖成踏步或斜坡搭接，各分层搭接位置错开0.5-1.0米距离，搭接处应注意压实，施工应按先深后浅的顺序进行。采用砂作为垫层的填料时，应注意地下水的影响，设置吸水坑或临时排水沟，保证垫层压实密度。垫层法适用于地下水位以上，对湿陷性黄土地基进行局部或整片处理，可处理的湿陷性黄土层厚度通常在1-3m。当湿陷性黄土层厚度较小时，采用垫层法处理能取得较好的效果，与其他地基处理方法相比，具有较好的经济效益。对于上部荷载不大、基础埋深较浅的中、低层民用建筑的地基处理工程，垫层法是一种常用且有效的方法。在场地土质较好或湿陷性黄土地区，地下水位以上坑壁可直立稳定或边坡稳定时，一般限制垫层厚度在5m以内。然而，垫层法在处理大厚度湿陷性黄土场地时存在一定的局限性。由于其处理深度有限，对于湿陷性黄土层厚度较大（超过3m）的场地，单纯采用垫层法难以满足消除湿陷性和控制地基变形的要求。若要处理大厚度湿陷性黄土，需要挖除大量的土方，不仅施工难度大，而且工程成本高，在经济上往往不合理。在某大厚度湿陷性黄土场地的工程中，湿陷性黄土层厚度达到8m，若采用垫层法处理，需挖除大量土方，且处理深度无法满足要求，最终未选用垫层法。4.2强夯法强夯法作为一种常用的地基处理方法，具有独特的加固机理和广泛的应用范围。其加固机理主要基于动力压实和动力固结理论。在非饱和土中，强夯加固主要基于动力压实概念。土体由固相、液相和气相三部分组成，当重锤从高处自由落下，产生的巨大冲击能量以压缩波的形式在土中传播。在压缩波能量作用下，土颗粒相互靠拢，气体部分首先被排出，颗粒进行重新排列，由天然的紊乱状态进入稳定状态，孔隙大为减小。这种体积变化和塑性变化使土体在外荷作用下达到新的稳定状态，对应的外观现象是土体产生冲切变形。在饱和土中，强夯加固借助动力固结理论。巨大的冲击能量在土中产生很大的应力波，破坏了土体原有的结构，使土体局部发生液化并产生许多裂隙，增加了排水通道，使孔隙水顺利溢出，超孔隙水压力消散后，土体固结。由于软土具有触变性，随着时间推移，强度会逐渐提高。强夯法的施工参数包括夯锤重量、落距、单击夯击能、夯击遍数、夯点间距等。夯锤重量一般为10-40t，落距通常在6-40m之间。单击夯击能等于夯锤重量与落距的乘积，它是衡量强夯能量大小的重要指标。夯击遍数一般为2-3遍，最后再以低能量夯击一遍，对于渗透性弱的细粒土，必要时夯击遍数可适当增加。夯点间距可根据建筑结构类型，采用等边三角形、等腰三角形或正方形布置，第一遍夯击点间距可取5-9m，以后各遍夯击点间距可与第一遍相同，也可适当减小。对于处理深度较大或单击夯击能较大的工程，第一遍夯击点间距宜适当增大。强夯法处理深度的影响因素众多。单击夯击能是关键因素之一，一般来说，单击夯击能越大，强夯的有效加固深度越大。土体的性质也对处理深度有显著影响，如土体的颗粒组成、含水量、孔隙比等。颗粒较粗、含水量较低、孔隙比较大的土体，在强夯作用下更容易被压实和固结，处理深度相对较大。地基土的原始密实度也会影响强夯的处理深度，原始密实度较低的地基土，在强夯时的压缩和变形空间较大，处理深度相应增加。施工工艺和设备也会对处理深度产生影响，如夯锤的形状、尺寸，起重机的性能等。合理的施工工艺和先进的设备能够更好地传递强夯能量，提高处理深度。在大厚度湿陷性黄土场地，强夯法得到了一定的应用。例如，在某大厚度湿陷性黄土场地的工程中，采用了强夯法进行地基处理。该场地湿陷性黄土层厚度达10m，通过现场试夯，确定了合理的施工参数。夯锤重量为20t，落距为15m，单击夯击能为3000kN・m，夯击遍数为3遍。第一遍夯击点间距为6m，第二遍和第三遍夯击点在第一遍夯点的中间位置。经检测，强夯后地基土的湿陷性得到了有效消除，地基承载力显著提高，满足了工程设计要求。又如，在另一大厚度湿陷性黄土场地，湿陷性黄土层厚度为12m，采用高能级强夯进行处理。夯锤重量为30t，落距为20m，单击夯击能达到6000kN・m。通过多遍夯击，成功消除了地基土的湿陷性，处理深度达到了8m以上，为后续工程建设提供了坚实的基础。这些应用案例表明，强夯法在大厚度湿陷性黄土场地具有较好的处理效果，能够有效提高地基的稳定性和承载能力，但在应用过程中，需要根据具体场地条件和工程要求，合理确定施工参数，以确保处理效果和工程质量。4.3挤密法挤密法是处理湿陷性黄土地基的常用方法，其中灰土挤密桩和素土挤密桩应用较为广泛。灰土挤密桩是利用冲击或振动沉桩设备，将带有桩尖的桩管打入原地基中，然后在拔管过程中通过桩管将灰土夯填入桩孔内，形成扩大桩体，同时对原地基土进行挤密，达到加固地基的目的。其原理基于土的侧向挤密，在桩管沉入地基及拔管夯填过程中，桩管对桩孔内填料的夯击作用，使填料向桩孔四周挤压地基土，使桩周围一定范围内的地基土孔隙减小，密实度增加，从而提高地基承载力。素土挤密桩则是通过振动或冲击等方式将原状土挤密实，然后填入素土并夯实成桩。其原理主要是利用强烈的振动和挤压，使桩间土得以加密，提高土的承载力和稳定性。在成桩过程中，桩管的打入使相邻的土柱被挤压，形成更大范围的土体挤密区域，进而提高整个地基的承载能力。挤密法的施工流程较为严谨。在施工前，首先要对场地进行清理和平整，确保施工场地具备良好的作业条件；然后依据设计要求，使用专业测量仪器对施工场地进行精确测量放线，确定桩位和孔位，保证桩位的准确性。在沉桩环节，利用冲击或振动沉桩设备将带有桩尖的桩管按照预定的桩位和设计深度打入原地基中。桩管打入过程中，要严格控制打入速度、垂直度等参数，确保桩管能够准确、稳定地到达设计深度。完成沉桩后，按照设计要求的配合比配制灰土或准备素土。灰土通常由石灰和土按一定比例混合而成，在配制过程中，要保证石灰和土的充分搅拌，使灰土的成分均匀一致。将配制好的灰土或素土填入桩管内，并进行分层填筑和夯实。每填筑一层，都要使用专业的夯实设备进行夯实，确保填料的密实度达到设计要求。在填料夯实后，缓慢拔出桩管，形成灰土挤密桩或素土挤密桩。成桩后，需对桩体和桩间土进行质量检测，检测内容包括桩体的密实度、桩间土的挤密系数、复合地基的承载力等。通过检测，判断地基处理效果是否满足设计要求，若不满足，需及时采取补救措施。挤密法对地基处理深度具有显著作用。灰土挤密桩和素土挤密桩适用于处理地下水位以上，饱和度Sr≤65%的湿陷性黄土地基，可处理的湿陷性黄土厚度一般为5-15m。在这个处理深度范围内，挤密法能够有效消除黄土的湿陷性，提高地基的承载力。由于桩体的挤密作用，桩间土的孔隙比减小，密实度增加，从而使地基的压缩性降低，变形减小。在某湿陷性黄土场地，湿陷性黄土层厚度为8m，采用灰土挤密桩进行地基处理。经检测，处理后的地基土湿陷性得到有效消除，地基承载力从原来的100kPa提高到200kPa以上，满足了建筑物对地基承载力和稳定性的要求。挤密法在处理深度范围内，还能改善地基土的力学性质，增强地基的抗变形能力，为建筑物提供稳定的基础支撑。4.4预浸水法预浸水法是一种专门针对自重湿陷性黄土场地的地基处理方法，其原理基于黄土在水的作用下会发生湿陷变形的特性。通过在场地内设置注水坑，持续向坑内注水，使水在自重作用下逐渐渗入黄土层，促使黄土在天然结构状态下充分湿陷，从而消除一定深度范围内黄土的湿陷性。在注水过程中，黄土颗粒间的胶结物质被溶解，粒间连接力减弱，土体结构在自重应力作用下发生破坏，孔隙结构重新排列，产生湿陷沉降。随着注水时间的延长和注水量的增加，湿陷变形逐渐向深部土层发展，直至达到一定的处理深度。预浸水法的实施步骤较为系统。在施工前，需要进行详细的场地勘察，包括对场地地形、地貌的测量，以及对黄土的物理力学性质进行全面检测，获取黄土的湿陷系数、湿陷起始压力、土层厚度等关键参数，为后续的设计和施工提供准确依据。同时，要根据场地条件和工程要求，合理确定注水坑的尺寸、间距和深度。注水坑的尺寸一般根据场地面积和注水量来确定，间距则要考虑水在土层中的渗透范围，以确保整个场地的黄土都能得到充分的浸湿。坑的深度应根据需要处理的湿陷性黄土层厚度来确定，一般要穿透湿陷性黄土层，使水能够直接作用于深部的湿陷性土层。施工过程中，采用专门的注水设备向注水坑内注水，注水速度要根据黄土的渗透性能进行控制，不宜过快或过慢。过快可能导致局部土体湿陷不均匀，过慢则会延长施工周期。在注水过程中，要对场地的沉降进行实时监测，通过在场地内布置多个沉降观测点，使用水准仪等测量仪器，定期测量各观测点的沉降量，绘制沉降-时间曲线，以了解湿陷变形的发展趋势。根据沉降观测结果，及时调整注水量和注水时间，确保湿陷变形达到预期效果。预浸水法在降低黄土湿陷性方面具有显著优势，可有效消除地面下6m以下湿陷性黄土层的全部湿陷性，对于大厚度湿陷性黄土场地，能够处理较深的土层，这是其他一些地基处理方法难以达到的。在某大型工业场地，湿陷性黄土层厚度达15m，采用预浸水法处理后，地面下6m以下的黄土湿陷性得到了有效消除，为后续的工程建设提供了稳定的地基条件。然而，预浸水法也存在一定的局限性。该方法仅适用于自重湿陷性黄土，且湿陷性等级为Ⅲ或Ⅳ的场地，适用范围相对较窄。预浸水法处理周期较长，需要持续注水数月甚至更长时间，这会影响工程的进度。在注水过程中，可能会对周边环境产生一定影响，如导致地下水位上升，对周边建筑物的基础产生不利影响。在某场地采用预浸水法时，由于周边建筑物距离较近，注水导致地下水位上升，引起了周边建筑物基础的不均匀沉降，不得不采取相应的防护措施。五、实际工程案例分析5.1案例一：甘肃窑街油页岩炼油工程甘肃窑街油页岩炼油工程是国家煤炭深加工政策的重点工程项目，设计处理油页岩能力为1.74Mt/a。该工程工业场地属陇西地区典型的黄土梁地貌，切割强烈、沟壑纵横，冲沟内落水洞呈串状分布。场地位于主冲沟中上部，依原地形分为标高2027m、2020m、2013m、2010m四级台阶。在场地地层方面，黄土状粉土（Q₃⁴）仅分布于场地边缘，厚度1.1-14.6m，自重湿陷系数为0.003-0.064，湿陷系数0.030-0.181，具有强烈湿陷性，含水量为7.8%；黄土状粉土（Q₂³）厚度11.0-31.6m，自重湿陷系数0.001-0.110，湿陷系数0.001-0.193，具有中等湿陷性，含水量8.9%。针对该场地的大厚度湿陷性黄土，工程遵循《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004），借鉴当地工程建设经验，采取了综合处理措施。对于重要建筑物如油灌、塔区、炉区、筛分车间、循环水池和污水处理池（属乙类建筑物），采用了挤密桩结合垫层的地基处理方式。挤密桩选用灰土挤密桩，桩径400mm，桩间距1000mm，呈正三角形布置，处理深度根据具体建筑物基础深度和湿陷性土层分布情况确定，一般穿透湿陷性土层，确保桩端进入稳定土层。在桩施工完成后，在桩顶铺设300mm厚的灰土垫层，以进一步提高地基的承载能力和稳定性。对于其余丙类建筑物，根据场地湿陷性和建筑物荷载情况，部分采用强夯法进行地基处理。强夯能级根据现场试夯确定，一般采用3000-4000kN・m的单击夯击能，夯击遍数为3-4遍，最后以低能量满夯2遍。夯点间距根据场地土质和夯击能大小确定，一般为4-6m。在确定处理深度时，首先依据规范要求，结合场地地质勘察资料，对不同区域的湿陷性黄土层厚度、湿陷系数等参数进行详细分析。对于乙类建筑物，以消除地基的全部湿陷量为目标，通过计算确定挤密桩的长度，确保处理深度能够覆盖所有湿陷性土层。对于丙类建筑物，在满足建筑物对地基承载力和变形要求的前提下，适当放宽地基处理后的剩余湿陷量，通过强夯法处理，使地基土的湿陷性得到有效改善，同时保证处理深度能够满足建筑物的安全使用要求。工程竣工后，通过对地基承载力和变形的监测，评估处理效果。采用静载荷试验检测地基承载力，结果表明，经过处理后的地基承载力满足设计要求，乙类建筑物地基承载力达到250kPa以上，丙类建筑物地基承载力达到200kPa以上。通过沉降观测发现，建筑物的沉降量在规范允许范围内，且沉降均匀，未出现因地基湿陷导致的不均匀沉降现象。这表明该工程针对大厚度湿陷性黄土所采取的地基处理措施及确定的处理深度是合理有效的，为工程的安全稳定运行提供了可靠保障。5.2案例二：兰州公路物流园北区建设项目兰州公路物流园北区建设项目规模宏大，总占地面积约325482.05m²（约488.22亩），由25栋建筑物和室外环境工程构成，总建筑面积达82756.76m²。该项目主体结构类型包含砼框架结构和钢结构，基础形式采用独立基础，在地基处理方面，选用了灰土挤密桩、素土挤密桩复合地基及强夯法地基，场地地基处理范围面积为179746.32m²。经勘察，在拟建场地地表下20m深度范围内无饱和砂土和粉土，可不考虑场地土的液化影响。针对该场地的大厚度湿陷性黄土，工程采用了灰土挤密桩、素土挤密桩复合地基及强夯法地基处理方案。灰土挤密桩和素土挤密桩通过桩体的挤密作用，使桩间土的孔隙减小，密实度增加，从而提高地基的承载力和稳定性；强夯法则利用强大的夯击能量，使地基土得到压实和加固，消除湿陷性。在施工前，对各种类型的地基处理进行试桩试验，这对于确定地基处理深度及相关参数起着关键作用。以试验区三（汽配6区域）的素土挤密桩试桩为例，共布置了23根素土挤密桩。施工工艺经过调整，地基土上部15.0m采用沉管成孔，下部采用机动洛阳铲成孔，桩身全段采用重锤夯填。成孔直径为Ф400mm，桩间距1000mm，夯填锤重1300kg，孔内每次填料0.10m³（0.8m），夯填锤击数为8击。通过这些参数的设定和施工工艺的优化，确保了桩体的质量和挤密效果。为了全面检测桩体压实系数、桩间土平均挤密系数，共布置了2个取样探井，每个探井每米取环刀样8个，其中桩体6个、桩间土2个，总计取环刀样400件，以此来准确测定桩体平均压实系数及桩间土平均挤密系数。在三桩间每米取原状样1件，共50件原状样进行室内实验，用于确定桩间土的最小挤密系数、压缩性、湿陷性等物理力学性质指标。复合地基承载力试验共布置2个试验点，采用单桩复合地基静载荷试验的方法，试验自施工后14d进行，加载反力装置采用配重堆积反力系统，由1台事先严格校验的1000kN手动液压千斤顶加载，基准系统采用6.0m长Φ50钢管作基准梁安放在基准桩上，基准桩采用1.50m长的Φ50钢管打入地下，搭接成#型结构，地基土沉降变形通过承压板两边对称架设的机械式50mm百分表测量，百分表精度为0.01mm，百分表均用磁性表座固定。通过试桩试验及后续检测，得到了一系列重要结果。桩体压实系数满足设计要求，桩间土平均挤密系数达到预期标准，表明桩体和桩间土的密实度得到了有效提高。复合地基承载力特征值经检测也满足设计要求，证明了地基处理方案的有效性。根据试验结果，确定了合理的地基处理深度。对于灰土挤密桩和素土挤密桩，处理深度根据建筑物的荷载和湿陷性土层的分布情况，穿透湿陷性土层，确保桩端进入稳定土层。在该项目中，部分区域的挤密桩处理深度达到了15m以上，有效消除了地基的湿陷性，提高了地基的承载能力。该项目在地基处理过程中也积累了一些经验教训。试桩试验对于确定合理的施工参数和地基处理深度至关重要，通过试桩可以提前发现施工过程中可能出现的问题，并及时调整施工工艺和参数。在施工过程中，要严格控制施工质量，确保桩体的垂直度、桩间距、填料的密实度等参数符合设计要求。在处理大厚度湿陷性黄土场地时，应综合考虑各种因素，选择合适的地基处理方法和处理深度，以达到安全、经济、合理的目的。若在施工中对桩体垂直度控制不当，可能导致桩体受力不均匀，影响地基的稳定性；若处理深度不足，可能无法完全消除湿陷性，给建筑物带来安全隐患。六、确定地基处理深度的方法与建议6.1综合考虑多因素的确定方法确定大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度是一个复杂的过程，需要综合考虑多方面因素，以确保处理深度既满足工程安全要求，又具有经济合理性。在实际工程中，建筑物的类型和使用要求是首要考虑因素。甲类建筑，如大型发电厂、重要的政府办公大楼等，由于其重要性高，对地基的稳定性和变形控制要求极为严格，需要全面消除地基的湿陷性，处理深度应达到能有效消除湿陷隐患的深度。乙类建筑，如一般的教学楼、办公楼等，处理深度需保证消除大部分湿陷性，满足建筑物在正常使用过程中的安全要求。丙类建筑，像普通住宅、小型商业建筑等，在保证基本安全的前提下，可适当放宽处理深度要求，但仍需确保地基的稳定性。某大型医院属于甲类建筑，在大厚度湿陷性黄土场地建设时，根据其使用功能和安全要求，地基处理深度确定为穿透所有湿陷性土层，以保障医院在长期使用中的安全稳定。场地的工程地质条件是确定处理深度的关键依据。湿陷性黄土层的厚度、湿陷系数、湿陷起始压力等参数直接影响处理深度的取值。湿陷性黄土层厚度越大，处理难度和成本越高，在确定处理深度时，需权衡经济和技术可行性。湿陷系数反映湿陷性强弱，湿陷系数越大，所需处理深度通常越大。湿陷起始压力决定黄土在何种压力下开始湿陷，当建筑物荷载超过湿陷起始压力时，需根据两者差值确定处理深度。在某场地，湿陷性黄土层厚度达30m，湿陷系数较大，且湿陷起始压力较低，建筑物荷载超过湿陷起始压力较多，经分析，确定地基处理深度为25m，以消除湿陷性对建筑物的影响。地基处理方法的选择也与处理深度密切相关。不同的地基处理方法具有不同的适用范围和处理效果。垫层法适用于浅层处理，处理深度一般在1-3m，对于湿陷性黄土层厚度较小的场地较为适用。强夯法处理深度较大，一般可达到5-10m甚至更深，适用于处理大厚度湿陷性黄土场地，但需合理控制施工参数。挤密法可处理的湿陷性黄土厚度一般为5-15m，通过桩体的挤密作用提高地基承载力。预浸水法适用于自重湿陷性黄土场地，可有效消除地面下6m以下湿陷性黄土层的全部湿陷性。在某工程中，根据场地湿陷性黄土层厚度和分布情况，对于浅层湿陷性土层采用垫层法处理，对于较深的湿陷性土层采用强夯法处理，通过综合运用不同的地基处理方法，确定了合理的处理深度，既满足了工程要求，又实现了经济合理。确定处理深度的具体流程如下：在工程建设前期，进行详细的工程地质勘察，获取场地的地质资料，包括湿陷性黄土层的厚度、湿陷系数、湿陷起始压力等参数。根据建筑物的类型和使用要求，结合相关规范，初步确定地基处理的目标和要求。对不同的地基处理方法进行技术经济分析，综合考虑处理方法的适用范围、处理效果、施工难度和成本等因素，选择合适的地基处理方法。根据选定的地基处理方法和场地地质条件，通过理论计算、数值模拟或现场试验等手段，确定具体的处理深度。在施工过程中，对地基处理效果进行实时监测，根据监测结果对处理深度进行必要的调整和优化，确保地基处理达到预期目标。6.2基于工程经验与数值模拟的优化在确定大厚度湿陷性黄土场地地基处理深度时，工程经验与数值模拟技术的结合为优化处理方案提供了有力手段。工程经验是在长期的工程实践中积累起来的宝贵财富。通过对大量已建工程的分析和总结，可以了解不同地质条件、建筑物类型下地基处理的实际效果，从而为新工程提供参考。在某地区的一系列建筑工程中，针对大厚度湿陷性黄土场地，经过多年的实践和观察，发现对于一般的丙类建筑，采用强夯法处理时，当单击夯击能达到3000kN・m，夯击遍数为3遍，处理深度在8-10m时，地基能够满足建筑物的使用要求，且在后续的使用过程中未出现明显的地基沉降和湿陷问题。这些经验数据为类似工程在确定处理深度时提供了初步的依据。然而，工程经验往往具有一定的局限性，不同场地的地质条件存在差异，不能完全照搬以往的经验，需要结合具体工程情况进行分析和判断。数值模拟技术则为地基处理深度的优化提供了科学的分析工具。通过建立数值模型，可以模拟地基在不同处理深度下的力学响应，预测地基的变形和稳定性。常用的数值模拟方法有有限元法、有限差分法等。在有限元模拟中，首先需要根据场地的地质条件和工程要求，建立合理的模型，包括土体的本构模型、边界条件等。将湿陷性黄土视为弹塑性材料，采用Mohr-Coulomb本构模型来描述其力学行为。通过设置不同的处理深度，施加建筑物荷载和地下水等因素的影响，模拟地基的变形过程。通过数值模拟，可以得到地基在不同处理深度下的沉降量、应力分布等信息。在某大厚度湿陷性黄土场地的数值模拟中，当处理深度为10m时，地基的最大沉降量为30mm；当处理深度增加到12m时，最大沉降量减小到20mm。通过对这些模拟结果的分析，可以直观地了解处理深度对地基变形的影响，从而为确定合理的处理深度提供科学依据。在实际工程中，将工程经验与数值模拟相结合，可以更加准确地确定地基处理深度。以某大型工业厂房建设项目为例，该项目位于大厚度湿陷性黄土场地，根据工程经验，初步确定采用灰土挤密桩结合强夯法进行地基处理，处理深度初步设定为15m。为了验证处理深度的合理性，利用数值模拟软件对地基进行了模拟分析。模拟结果显示，在设定的处理深度下，地基的沉降量和稳定性满足设计要求，但在局部区域仍存在一定的应力集中现象。根据模拟结果，对处理深度进行了调整，增加到16m，并优化了桩间距和强夯参数。再次进行数值模拟，结果表明，调整后的处理方案使得地基的应力分布更加均匀，沉降量进一步减小，满足了工程的安全和使用要求。通过这个案例可以看出，工程经验为数值模拟提供了初始的设计参数和思路，数值模拟则对工程经验进行了验证和优化，两者相互补充，能够有效地提高地基处理深度确定的准确性和科学性。6.3对工程实践的建议在大厚度湿陷性黄土场地的工程实践中，勘察环节至关重要。在前期勘察时，应采用多种勘察手段，如钻探、静力触探、动力触探等，相互验证，确保获取全面准确的地质资料。对于湿陷性黄土层厚度、湿陷系数、湿陷起始压力等关键参数的测定，要严格按照相关标准和规范进行，保证数据的可靠性。增加勘察点的数量和密度，特别是对于场地条件复杂或存在不均匀性的区域，更要加密勘察点，以准确掌握场地的地质变化情况。在某大型工业园区的建设中，由于场地范围较大，地质条件复杂，通过增加勘察点数量，发现了局部区域湿陷性黄土层厚度和湿陷系数的异常变化，及时调整了地基处理方案，避免了潜在的工程风险。设计阶段，设计人员要充分考虑建筑物的类型、荷载大小以及场地的工程地质条件，合理确定地基处理深度。对于重要建筑物，要提高设计标准，确保地基处理深度能够充分消除湿陷性，满足建筑物长期稳定的要求。在设计过程中，要加强与勘察、施工等部门的沟通协作，及时解决设计中出现的问题。根据不同的地基处理方法，设计合理的施工参数，如强夯法的夯锤重量、落距、夯击遍数等，挤密法的桩径、桩间距、桩长等，确保地基处理效果。在某高层建筑的设计中，设计人员与勘察人员密切配合，根据勘察报告中提供的地质参数，结合建筑物的荷载情况，经过详细计算和分析，确定了采用灰土挤密桩结合强夯法的地基处理方案，并合理设计了施工参数，保证了地基的稳定性。施工环节是确保地基处理质量的关键。施工单位要严格按照设计要求和施工规范进行施工，确保施工质量。在强夯施工中，要控制好夯锤的落距和夯击能量，保证夯击的均匀性；在挤密桩施工中，要保证桩的垂直度和桩间距，确保桩体的质量。加强施工过程中的质量检测，如对桩体的密实度、地基土的压实系数等进行实时检测，发现问题及时整改。在某工程施工中，由于施工人员未严格控制挤密桩的垂直度，导致部分桩体倾斜，经检测发现后，及时进行了返工处理，避免了对地基质量的影响。施工单位要做好施工记录，包括施工过程中的各项参数、质量检测结果