湿陷性黄土工程特征及施工处理措施研究

湿陷性黄土工程特征及施工处理措施研究

作者：吕永平

来源：《建筑工程技术与设计》2014年第21期

摘 要：湿陷性黄土有它的特殊性，当被水浸湿，原来的土壤结构会被破坏，然后重新组成新的土体，并且产生明显的附加下沉，所以，湿陷性黄土它是一种具有特殊工程性质的土体。

本文通过对湿陷性黄土的工程特性介绍，综述湿陷性黄土的地基处理方法，最终为合理选用地基处理方案提供可靠的理论依据。 关键词：湿陷性黄土；特性；成因；措施

前言：近几年，在我国西部地区由于工程地质条件的复杂，尤其是陕西、山西、黄河中游以及甘肃的大部分地区的特殊地质。最有代表性的是湿陷性黄土，由于湿陷性黄土自身的物质成分与结构特征，导致显著的湿陷性和与压缩性等工程特征，对实际工程在施工过程中造成了众多影响，最为明显的就是道路工程施工难度加大，以及其它一些工程质量下降。随着西部地区的快速发展，湿陷性黄土对路基的影响问题日益突出，如何解决与防治也受到了国内众多科研人员和工程师的重视。

本文通过对湿陷性黄土的工程特征收集，以及湿陷性黄土对路基的各种病害形式及成因深入分析，最后提出相应的防治措施，以期为实际工程提供可实行方案。 1湿陷性黄土的工程特性

湿陷性黄土拥有与其它土类不同的性质，是因为它自身的结构特征以及特殊物质成分，其工程特性，主要表现在以下三个方面：压缩性、湿陷性、强度指标。 1.1湿陷性

黄土的本质属性是具有湿陷性，湿陷通常是由较大的天然降水量使地下水位升高，或是地下管道渗水、地面积水、以及工业及生活污水排入地下所导致的。再加上天然黄土在外界一定的压力作用下，最终拥有湿陷性的特征。

水浸湿导致是黄土发生湿陷变形的外在因素，而产生湿陷变形的内在因素则是黄土的自身结构特征及物质组成成分。黄土的主要组成部分是粉粒为，同时含有少量的粘料与砂料，共同排列成支撑性骨架，黄土形成的必要条件是干旱或者是兰干旱的气候环境。持久的干旱再经过水分的长期蒸发，土中的少量水分同盐类一同溶成胶装物质，这便让颗粒间有了粘聚力。

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当黄土被水浸湿，之前形成的富有粘聚力的胶结物慢慢溶解分散，粘性逐渐降低，骨架颗粒被分散重新排列。再加上土体在上部图层的自重应力与附加应力，使得支撑性骨架被迅速破坏，土体颗粒移向大孔，颗粒间的孔隙逐渐减小，最终导致湿陷沉降变形。

黄土的湿陷性强弱同黄土中胶结物的含量和成分以及颗粒的组成和分布紧密相关。胶结物含量大，粘粒含量多，则湿陷性较低； 反之，粒径大0.05mm的颗粒较多，胶结物含量少，则湿陷性较强。

黄土的湿陷性除了与黄土中的胶结物有着紧密关系外，还与孔隙比、含水量以及所受压力的大小有关。孔隙比越大，含水量越低，黄土湿陷性就会越强。在其它条件相同的情况下，压力的越大，湿陷量就会增加，当压力一旦超过一定时，继续增加压力，湿陷量反而会减少。湿陷性系数通常被作为是对黄土的湿陷性判定，湿陷性系数所表示的是，单位厚度的土层在浸水以及一定的压力作用下所产生的湿陷量，以此作为湿陷程度的衡量。 1.2压缩性

土体的压缩性是对基土在外界一定的压力作用下所产生的压缩变形量大小的反映。而对于具有湿陷性特质的黄土地基，压缩变形指的是黄土地基土在天然含水量的条件下，受到外界一定压力作用产生的变形，但它并不包括由于黄土地基土被浸水所产生的湿陷变形。压缩系数通常作为评价湿陷性黄土的压缩性指标，它被定义为试验所得e-p曲线上，某一压力段的割线的斜率。

1.3强度指标

颗粒组成和粘粒含量和湿陷性黄土的强度指标有着紧密关系，同时强度指标还取决于土体自身的密实程度与含水量。湿陷性黄土强度的大水从根本上讲是由土体自身的内聚力所决定的，而内聚力一般分为加固内聚力与原始内聚力。

加固内聚力主要是由化学胶结作用所产生的，例如黄土中的石膏、氯化钠、碳酸钙、硫酸镁等溶液，在水分蒸发时所产生的凝胶作用，溶液则会形成类似薄膜状将土粒包裹，对土粒起到胶结的作用。而由土体颗粒间的电分子引力所产生的作用力称之为原始内聚力，土体的颗粒组成、粘粒含量、密实程度决定着原始内聚力的大小。当粘粒含量越多，土体就会越密实，原始内聚力也越大，反之则越小。

对于天然含水量较低的黄土， 因为土体内部存在一定的架空结构，密度低导致原始内聚力低，相反加固内聚力较大。土体在受到水浸湿后发生胶溶作用，导致加固内聚力减小，强度变低，最终造成湿陷。

2湿陷性黄土路基病害形式及成因

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据我国工程实地、实际情况调查分析，湿陷性黄土对地区路基病害有三种主要形式： 路基边坡破坏、路基陷穴、以及路基沉陷、。 2.1路基沉陷

黄土路基在外界荷载压力作用下再加上被水浸湿后，黄土结构被迅速破坏并且产生明显的沉降，路基因沉陷导致破坏。路基沉陷的主要破坏形式有两种即为纵向沉陷、横向沉陷。 黄土路基沉陷的原因主要有：黄土压缩变形大、道路排水不畅、施工前勘察不详细等。具体可以体现为：

（ 1） 黄土基底自身由于压缩变形大且强度不够，施工过程中如果没有经过充分的预压，也没有采取任何的换填措施，这种情况下，只要有水侵入就很容易导致路基沉陷。 （ 2） 边沟被路基边坡滑塌或崩塌而产生的落物以及其它杂物所阻塞，致使道路排水不畅。没有得到及时的疏通与治理，会引起路基因滞水下渗局部被掏空，最终使路基沉陷。 （ 3） 施工前，没有对基底进行全面的勘察，存在未被完全压实的陷穴或坑洞等复杂情况，导致后期路基沉陷。 2.2路基陷穴

湿陷性黄土路基陷穴按形态结构通常划分成两种：竖井状陷穴与漏斗状陷穴。路基陷穴是在地表水的冲蚀以及地下水的溶蚀的作用下，所形成的暗洞、暗沟、暗穴等破坏结构。发生路基陷穴有以下几大原因；

（ 1） 土体的结构是导致路基产生陷穴的根本原因。土颗粒是湿陷性黄土的主要成分，由土颗粒构成的湿陷性黄土土质疏松，而且细小颗粒容易受到水的潜蚀。易溶于水的盐含量丰富是黄土的一个重要特征，在酸性雨水的侵蚀下，黄土中控制强度的结构状碳酸钙被迅速破坏，土质变得更加松软，这便增加了地下水的渗透速度，再加上土体大孔隙和裂隙发育，给雨水的进一步渗透提供了有利条件，加快了潜蚀的速度。

（ 2）路基产生陷穴的直接原因是因为水的潜蚀。在动水压力的作用下，再加渗透水力梯度较大时，黄土中的粉及粘粒被冲散，增加了黄土自身的渗流通道。随着渗流断面的不断扩大出，水流的侵蚀与搬运作用也不断加速。

（ 3）湿陷性黄土地区的外部条件也是产生路基陷穴重要的原因之一，其特殊的水文气候条件，雨水少但降雨量非常集中，尤其是在暴雨后，大量的地表雨水急速的汇集，造成对黄土土质有一定压力，最终雨水通过渗流到黄土中而形成陷穴。

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（ 4） 单边靠山、单边临深沟地段、半填兰挖处、地形起伏多变化处、路堑与路堤接岔处都是陷穴的高发生地段，所以说微地形地貌特征也会对陷穴的产生有一定影响。 2.3路基边坡破坏

路面两侧的排水沟以及边坡两侧边沟或者是坡面在没有防护措施的条件下，雨水会没需面流到坡脚，会对坡面进行冲刷以及坡脚的水土流失，造成边坡失稳破坏。

边坡崩塌与边坡滑塌以及边坡冲刷是湿陷性黄土路基边坡破坏的三大主要形式。除了与水相关，边坡产生破坏的因素还与路基的压实度和边坡断面设计形式有关。而当黄土遇水湿陷，导致失稳破坏的加剧。 3湿陷性黄土地基处理

湿陷性黄土的特殊性质决定了湿陷性黄土地基的处理方案。湿陷以及压缩是湿陷性黄土地基的变形的两种形式。只要基底压力没有超过地基土的最大承载力，产生的轻微压缩性变形，大多在上部结构所允许的变形值范围之内，建筑物的正常使用不会受到影响。

黄土的特殊性质决定着地基是否会产生湿陷变形，当地基被水浸湿产生附加形变，变形量较大且不均匀，通常是突然发生和局部发生的，危害非常严重，对地面建筑特破坏性极大。所以在对待湿陷性黄土地区的建筑物时，当地基可能有浸水时，无论基底压力有没有超过承载力，都应该在建造时就对地基采取相应的防护措施，以此提高地基土的承载力，降低、消除湿陷的发生概率。

湿陷性黄土的特质在各地区都有所差别，区别对待地基的处理，结合以下黄土的特质： ① 建筑物的使用特点，例如用水量的大小，地基浸水的可能性；

② 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；

③ 材料及施工条件，以及当地的施工经验；

④ 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程度等。

湿陷性黄土在地基的处理上，主要有消除湿陷性措施、减少压缩措施和提高承载能力的措施，而消除湿陷是最为重要的。

对湿陷性黄土的地基处理，从处理范围与深度上可以分为以下两种： a、浅处理，指的是消除地基土的部分湿陷量；

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b、深处理，指的是消除地基土的所有湿陷量，包括采用桩基础或深基础穿透所有的湿陷性黄土层。

地基处理的常用措施有：

1、垫层；2、重锤夯实；3、强夯；3、土（或灰土）桩挤密4、深层孔内夯扩等 为了确保建筑物的安全与正常使用，通过桩基础或是深基础穿透湿陷性黄土层，让建筑物基础坐落于密实的非湿性土层上，这样可以部分甚至是完全消除地基的湿陷性。 3.1垫层法

垫层法可分为局部垫层与整片垫层，它是通过将地基下的一部分或全部的湿陷性黄土挖除，再用灰土或者素土分层夯实做成垫层，以便消除地基的部分，或者是全部湿陷量，让压缩变形量减小，增加地基的承载力。

垫层设计的原则是要符合经济合理的要求，还要满足建筑物对地基变形与稳定的要求。垫层的设计包括垫层的宽度、厚度、夯实后的压实系数以及承载力设计值的确定等因素。同时，还需要考虑以下三个方面的因素：

a、 局部土垫层的处理宽度，如果超出基础底边的宽度很小，地基在处理后，地面水及管道漏水可能会从垫层侧，向渗入下部未处理的湿陷性土层而引起湿陷，所以地基受水浸湿可能性大及有防渗要求的建筑物，不能采用局部土垫层处理地基。

b、 整片垫层的平面处理范围，每边超出建筑物外的墙基础外缘的宽度，不可小于垫层的厚度。

c、 当地基处理没有消除地基的全部湿陷量时，应考虑到水位上升变化，对下部未处理的湿陷性土层所引起湿陷的可能性，应当采取适当的预防措施。 3.2重锤表层夯实及强夯

饱和度不大于 .&J的湿陷性黄土地基可以采用重锤表层夯实的方式。在处理过程中大多采用2.5-3.0t的重锤，4-4.5m的落距，基本可以消除基底下1.2-2.0m黄土层的湿陷性。经过夯实处理，土的力学性质以及物理性质都得到显著改善，平均干密度增大，压缩性降低，达到湿陷性消除、承载力增加以及透水性减弱等效果。在非自重湿陷性黄土场地，采用重锤夯实的方式具有明显的优越性。

3.3挤密桩及深层孔内夯扩桩

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地下水位以上的湿陷性黄土地基适合采用挤密桩法进行处理，在施工前先依照设计方案，在基础平面位置布置桩孔挤压成孔，再将事先准备好的灰土或者素土（粉质粘土或粉土），在最优含水量的下分层填入桩孔内，然后分层夯实达到设计标高。

经过成孔或桩体夯实过程中的横向挤压作用，可以例桩间土之间的空隙减小，最终形成复全地基。在这过程中应该注意不可使用，粗颗粒的砂、石或者其它透水性土料填入桩孔内。 灰土挤密桩与土桩地基法，一般适用于地下水位以上含水量在13%-21%的湿陷性黄土、人工黄土以及人工填土，处理深度通常可达8-15米。利用锤击打入或振动沉管的方法在土中形成桩孔，再对桩孔进行填充基土称之为灰土挤密桩法，在成孔与夯实填土时，原本处于桩孔部位的土被挤至周围土体，再通过挤密过程，减小、消除挤密范围内土层的湿陷性，最终让桩与其周围被挤密后的土体，一同形成了复合地基，土基承载力得到相应的提高。

近几年，深层孔内夯扩桩开始运用到对湿陷性黄土地地基处理中来，先用螺旋钻孔钻出直径为40cm左右的孔，用重量一般为20-30KN的夯锤，在其孔内填充素土或灰土，或建筑物垃圾和废料。成孔后分层夯填时，对其周围土体采取挤密，其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，还可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。这样对地基处理的深度更深较，一般可达20米，也没有地下水的限制，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。 3.4化学加固法

有硅化加固法和碱液加固法被大量运用到，对湿陷性黄土地区地基处理上，称之为化学加固法在，其加固机理有以下几点：

硅化加固；在黄土孔隙中将硅酸钠溶液通过压力灌注，或是自渗进入，硅酸钠溶液的胶凝物对土颗粒有胶结作用，而且充实了土中的空隙，并且还能起到相应的止水作用，最终减轻甚至是消除黄土的湿陷。

碱液加固：在黄土中注入氢氧化钠溶液后，氢氧化钠溶液与土中可溶性和交换性碱土金属阳离子发生置换反应，使土颗粒表面生成碱土金属氢氧化物。 碱液加固的适用范围：

自重湿陷性黄土地基对湿陷的敏感性，以及土中可交换离子含量决定了，其是否适合采用碱液加固，自重湿陷敏感性强的地基一般不适合选用碱液加固，而在黄土中可深性和交换性的钙和镁离子含量较高的条件下，可以只采用碱液一种溶液进行加固，否则需要同时用碱液与CaCl2两种溶液进行加固。经技术经济比较，也可以选用碱液与生石灰桩的混合加固方法。

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下列情况不适合采用碱液加固：

1. 对于地下水位或饱和度大于80%的黄土地基； 2. 已经渗入沥青、油脂或其他石油化合物的黄土地基。 3.5预浸水法

预浸水法需要充足水源，而且要有较长施工准备时间才能采用。因为处理 1㎡面积至少需用水5t以上，而且在修建建筑物前需要对湿陷性黄土场地大面积的浸水，所以需要充足的水源；一般条件下，一个建筑工地从浸水到下沉稳定，以及土层的含水量降低到要求含水量时需要足够的时间，至少在一年左右，因为充足的水源及较长的施工准备是必要条件。

通过预浸水法使土体在饱和自重应力的作用下，发生湿陷让土质压密，最终消除全部黄土层的自重湿陷性和深部土层的湿陷性。 3.6桩基础

桩基础是采用挖、钻孔等非挤土方法而成孔，再通过对孔内浇筑刚性桩体，但桩基础的桩底端以下必须是可靠的的无湿陷性的持力层。因为在成孔时将土排出孔外，桩孔周围土的性质并没有得到改善。当桩周围的土受到水浸湿后，桩侧阻力急剧减小，甚至消失。当桩周围土层产生自重湿陷时，桩侧的正摩擦阻力转化成负摩阻力因此，在湿陷性黄土场地上，不能采用摩擦型桩。

3.7其他的加固方法

近几年来，在饱和的黄土地区，也采用高压注浆固结法、粉喷桩法、深层搅拌法以及CFG桩法，其根本目的同样是为了提高土基的承载力以及消除黄土的湿陷性。 4结束语

通过对湿陷性黄土工程特性，以及常用湿陷性黄土地基处理方法的综述，分析各种常用处理方法的选用原则、适用范围、可能处理深度、效果特点，为选用地基处理方案提供合理的理论依据。

在具体建设施工中，对湿陷性黄土的处理时，应提前对场地的湿陷性类别、湿陷等级、地区特点、建筑物特点等信息进行收集与分析，综合考虑选用处理方法，并根据施工技术可能达到的条件，经过技术经济等合理对比予以选用，必要时可同时选用多种措施。 参考文献：

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[1]贾存亮.浅谈湿陷性黄土路基的常见病害及防治[J]，科技信息，2013，（3）. [2]卢君萍.浅谈湿陷性黄土地基的处理及下沉的检查方法[J]，甘肃科技.2010 [3]张永增.湿陷性黄土地基湿陷机理及地基处理方法[J]，天津冶金，2007， （6）