谈湿陷性黄土的工程特性

张爱芳

(山西晋正建设工程项目管理有限公司，山西河津 043304)

山西铝厂位于黄河左岸Ⅱ级和Ⅲ级阶地，西距黄河约5 km。生活区大部分坐落在Ⅱ级阶地上，厂前区位于Ⅱ级～Ⅲ级阶地之间。湿陷性黄土地基主要分布在生活区和厂前区，湿陷性土层厚一般8 m～12 m。场地的岩石为第四系冲、洪积而成的粉质粘土和砂类土。湿陷类型多数属于自重湿陷性场地，部分地级属于非自重湿陷性场地。

1 湿陷性黄土的分布特点

1.1 水平分布特点

在整个湿陷性黄土建筑场地上，自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土的分布特点均是零星的不连续的板块状态。在小区域范围内不同湿陷类型和不同湿陷等级交错分布，变化较大。常常在一座建筑物下两种湿陷类型和两种以上湿陷等级的湿陷性黄土层同时存在，造成了地基处理上的复杂性。

1.2 竖向分布特点

1)生活区湿陷性黄土竖向分布有明显界限，且产状平稳。从天然地表算起4 m～5 m为新近堆积黄土，具有湿陷性和高压缩性。在新近堆积黄土层的层底有厚0.5 m左右的黑褐色埋藏土，为古地表，Ⅱ级阶地基本都有分布。古地表下为湿陷性黄土层，层厚6 m～8 m，下半部常有经褐色粘土出现，再下为非湿陷性黄土。

2)竖向分布不连续，有两条自重湿陷带。以古地表为界限，其上新近堆积黄土层中有一层自重湿陷带，厚度较小，但工程意义重要，因为在建筑物的压缩层范围内。

3)砂类土夹层与透镜体在湿陷性黄土层中竖向分布情况。Ⅱ级阶地的后缘和到Ⅲ级阶地的过渡带，湿陷性黄土层中砂类土夹层与透镜体较多，同时厚度大，颗粒粗，以中细砂类土为主。

2 自重湿陷变形的特征

2.1 自重湿陷变形的产生条件

自重湿陷系指土体被水浸湿后产生的自身沉陷变形，没有附加荷载的作用。它的产生:

1)土体的饱和自重压力大于土的湿陷起始压力;

2)浸湿土体的自重压力大于周边的阻力。

大量试验研究工作揭示，当浸水面积的边长或直径不小于湿陷土层厚度时，自重湿陷变形往往不能产生或不能完全产生。当浸水面积已经满足完全湿陷条件后继续增大时，则浸水面积越大，自重湿陷变形速度越快，完成全部湿陷变形的时间越短，但土层的自重湿陷量不变。

2.2 自重湿陷变形发生时间的特点

大型试坑浸水试验表明:试验中对不同深度土层的湿陷变形进行了观测。试验结果表明，土体浸水后自重湿陷变形发生的时间过程可分为三个阶段:

1)自重湿陷变形阶段。随着土体被水浸泡，在自重压力下土的天然结构很快遭到破坏，大量的湿陷变形同时发生，湿陷速度逐步达到高峰。当全部自重湿陷土层被水浸湿时，约有60%的自重湿陷变形已经产生。这阶段湿陷变形速度快，湿陷量大，耗水量多，总延续时间15 d～25 d。

2)土体压密阶段。土饱和自重压力作用下，自重湿陷变形已大部分产生，土体不断地压密，湿陷速度变慢，耗水量降低，30%左右的剩余湿陷变形继续发生，并趋于稳定。这阶段的延续时间为20 d左右。

3)二次湿陷阶段。浸水停止后，饱和土中的自由水逐渐消散，孔隙水压力也随着减小和消失，土体中的微应力重新分布。这时约10%的剩余湿陷量再次发生湿陷变形，湿陷速度增加，直到再次稳定，这阶段延续时间为10 d。

2.3 自重湿陷变形发生范围的特点

1)竖向湿陷变形范围。山西铝厂黄河的自重湿陷性已明显退化，湿陷性弱，敏感性低、变形速度慢。从现场大型试坑浸水试验结果可知，自重湿陷量一般都小于70 mm，主要发生在上部土层，深标点基本没发生下沉。

2)水平湿陷变形范围。从试坑浸水试验的数据来看，在较均匀的湿陷土层中，湿陷范围、裂缝分布和浸湿土体的边界是一致的，三者的边缘距浸湿中心的距离基本相等，约等于试坑的边长。

3 在附加应力作用下地基土的变形特征

经过大型载荷浸水试验，查明了在附加应力作用下地基土的变形特征。

3.1 天然地基的变形特征

天然地基载荷浸水试验场地的计算分级湿陷量36 cm，自重湿陷量11 cm。在200 kPa压力作用下，压缩变形3.5 cm，变形模量8 070 kPa，荷载(P)—沉降(S)曲线的比例极限125 kPa，地基强度125 kPa，停水稳定后的湿陷变形24 cm。这些数据充分表明，场地上部新近堆积黄土层承载力低，湿陷变形大，不适宜直接作为建筑物的地基。各级荷载下的沉降量见表1。

表1 天然地基各级荷载下的沉降量表

3.2 强夯地基的变形特征

强夯地基大型载荷浸水试验场地的计算分级湿陷量38.4 cm，自重湿陷量11.3 cm，与天然地基载荷浸水试验场基本一致。

先在试验场地开挖20 m×20 m的浸水试坑，然后在试坑内北半部100 m2的面积上强夯，夯击能级1 000 kJ。地基土在200 kPa压力作用下，压缩变形2.3 cm，变形模量13 800 kPa。P—S曲线为一条直线，地基强度可达200 kPa。停水稳定后的湿陷变形0.8 cm，各级荷载下的沉降量见表2。

表2 强夯地基各级荷载下的沉降量表

从测量沉降结果可以看出，地基土的压缩变形和湿陷变形主要发生在B(B为压板宽度)深度范围内，其压缩层的深度为5 m，相当于2.5B。

试验结果表明，强夯地基的密实性提高，渗透性减少，压缩性降低，湿陷性消除，承载力和变形模量增加，强夯效果显著。

4 自重湿陷量实测值与计算值的比较

为了比较自重湿陷变形室内外试验结果的异同，深入了解湿陷黄土的工程特性，进行了系统的大型试坑浸水试验和相应的大量室内试验，可以得出如下的结论:

1)现场试坑浸水试验的实测自重湿陷量均小于室内试验的计算自重湿陷量，且差异较大。

2)实测自重湿陷量和计算自重湿陷量的比值(K)，变化在0～0.55范围内，平均为0.22，最大值为0.30。这说明湿陷性黄土规范GBJ 50025-2004中规定的修正系数β0(山西地区β0=0.5)基本与规范吻合。

3)不论现场试坑浸水实测自重湿陷量，还是室内试验计算的自重湿陷量，都表明生活区有自重湿陷场地，但分布不连续，零星地出现非自重湿陷场地之间，具有轻微自重湿陷性。

4)室内试验条件和现场实际情况不完全相同，土质状况各地区也不一样，这就导致了实测自重湿陷量和计算自重湿陷量的差异，这种差异在各地区又有不同的特点。

5 结语

1)生活区及厂前区建筑场地，多属于Ⅱ级～Ⅲ级自重湿陷场地，湿陷敏感性低，湿陷速度慢，分布不连续，零星地出现在非自重湿陷性场地中，多属于非自重湿陷场地。

2)上部新近堆积黄土层，地基强度低，压缩性高，湿陷变形大，工程性能较差，不适宜直接作为天然地基，需要进行地基处理，以消除其湿陷性。