宁波市建筑设计研究院有限公司 宁波
摘要：本文分析了湿陷性黄土的湿陷原理，及各种地基处理方法的原理、应用限制条件；根据湿陷性黄土场地的工程实践经验提出了各种常见地基处理方法一般可实现的承载力范围，基础选型中注意的要点，以及在大地下室下同时几种不同方法时应特别注意的几个问题，并提出了结合开挖深度和地基处理顺序的设计思路。
关键词：湿陷性黄土 地基处理 垫层 挤密 承载力 经济性
一、湿陷性黄土
黄土是一种特殊的第四纪大陆松散堆积物，具有低湿度、高孔隙率的特性的粉砂质土。在自重压力或附加压力的作用下，受水浸湿后，土质结构迅速破坏，土颗粒间加固粘聚力降低或消失，产生下沉、变性及土质强度下降、甚至发生坍陷的黄土，叫做湿陷性黄土。
湿陷性黄土广泛分布于我国东北、西北、华中和华东部分地区，是在干燥气候条件下形成的多孔性具有竖向柱状节理的浅黄或黄褐色粉性土，一般表现为疏松、多孔隙，有显著的垂直节理发育，层理不明显，极易渗水，且有许多可溶性物质，很容易被流水侵蚀形成沟谷，也易造成沉陷和崩塌的物理特性。
拟建在湿陷性黄土场地上的建筑，根据其重要性，地基受水浸泡可能性的大小和在适用期间对不均匀沉降限制的严格程度，分为甲、乙、丙、丁四类。湿陷性黄土场地根据其自重湿陷量的大小，分为自重湿陷性黄土场地和非自重湿陷性黄土场地。湿陷性黄土地基根据其湿陷量和自重湿陷量的不同，又分为Ⅰ级（轻微）、Ⅱ级（中等）、Ⅲ级（严重）、Ⅳ级（很严重）四个湿陷等级。
二、湿陷性黄土场地常用的地基处理方法
近几年，我设计的多个陕晋地区多层、高层住宅小区和工业厂区项目基本上都位于湿陷性黄土场地上，既有自重湿陷性场地，又有非自重湿陷性场地，湿陷等级自Ⅰ级至Ⅳ级均有分布。根据这些工程的不同建筑分类，所处的不同实际场地地质情况以及工期要求等因素，采取了不同的地基处理方法。通过这些项目的实施成果以及多次类同设计工作中改进和总结，我初步整理了一些关于湿陷性黄土地区地基处理的方法及在设计中应该注意的细节问题。
2.1、湿陷性黄土的处理原理和常用方法
针对湿陷性黄土的土质特性，从基础设计方法的原理上来分，湿陷性黄土的处理方法基本上可归纳为四类：一，穿越湿陷性黄土层，采用深基础穿越全部湿陷土层；二，挖除湿陷性黄土层，直接挖除建筑物基底部分或全部湿陷土层，换填较好的土体材料；三，密实湿陷性黄土层，通过往湿陷土层中添加挤密材料，使得湿陷性黄土密实，消除湿陷性，提高承载力；四，自然湿陷消除较深土层湿陷性，预先浸水使得下部湿陷土层自然湿陷消除全部湿陷性从而使下部黄土密实，也可使得上部土层湿陷性大幅减小；五，化学固结湿陷性黄土层，向湿陷性黄土层中注入特定的化学物质，与黄土中可溶性颗粒发生化学反应，或者直接形成胶凝物，从而增强土体颗粒间的连接牢固强度，形成稳固的土体结构。
前面三种方法，在实际工程应用中比较普遍。后两种方法，由于适用条件的限制，施工工期，经济性以及对环境的影响因素等原因，在施工中应用相对较少。
2.2、常用的挤密桩地基处理方法的应用范围和实例
湿陷性黄土场地，将湿陷性黄土挤密压实，通过挤密成孔或预钻孔后往孔内湿陷土层中填入挤密材料，并夯击压实，人为挤密湿陷性黄土，迫使黄土颗粒间孔隙缩小以至土体密实，从而消除黄土的部分或者全部湿陷性，并显著提高黄土层的承载力；或者是采用重锤强夯湿陷性黄土地表，外力破坏土体颗粒间粘结，使土粒向大孔滑移，缩小土体颗粒间距，粒间孔隙减小，人为减小湿陷性黄土的孔隙比，以至夯击能传递范围内的上部湿陷性黄土层夯击密实，也能很好的消除黄土的部分或者全部湿陷性，并直接提高黄土层的承载力。
这两个方法就是我们所说的挤密法和强夯法，根据挤密法填料和施工工艺的不同，挤密桩有素土挤密桩法、灰土挤密桩、CFG水泥粉煤灰碎石桩、水泥土搅拌法和DDC孔内深层强夯法等；根据地表强夯施工工艺的不同，有传统强夯法和低能量高频夯实法（液压高速夯实机）。
2.2.1、强夯法
由于强夯法夯击震动大，噪音大，对周围临近建筑物构筑物市政设置安全和居民正常生活的影响都比较大，且处理后地基质量受到施工因素影响较大，地基土含水量差异对强夯的效果的影响也非常显著，一般在市区或周围有居民生活小区的工程中较少应用。但是强夯法也有施工简单、工程造价低、施工速度快等优点，能有效加固3～7m深的湿陷土层，并完全消除该深度范围内的地基土湿陷性，目前在大面积的厂区及公路施工中应用非常广泛。
2.2.2、挤密桩法
挤密桩法目前在各类民用公用和工业建筑中都有着广泛的应用，特别是灰土挤密桩法和素土挤密桩法，目前在处理地下水位以上的湿陷性黄土地基中，其处理深度可达到5～15m。目前我设计的几个工程中采用改良型的灰土挤密桩法，即DDC法，在桩长超过15m桩长后，经施工后检测，仍能实现良好的处理效果，满足设计要求。一般设计中素土挤密桩用于消除地基土湿陷性比较多，当以提高地基土承载力或增强其水稳定性为主要目的时，宜选用灰土挤密桩法。但对于地基土的含水量超过24%、饱和度大于65%的场地，挤密桩往往难以达到设计承载力，应谨慎使用。
从挤密桩的施工过程可以直观的看出，挤密桩施工完成后，对桩端以下土体及以桩身为中心的一定半径同心圆范围的桩侧土体起到了挤压密实的作用，随着离开桩端和桩身的距离增加，对土体挤密效果减弱。因此，挤密桩的布置应以平面上桩侧挤密范围内重叠挤密效果区域较大为原则，以使得成片布置的挤密桩在桩间土的挤密作用上取得最好的效果。《建筑地基处理技术规范》第14.2.3条和《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB50025-2004）（以下文中简称为“《湿规》”）第6.4.2条，均规定挤密桩的孔位宜按正三角形布置，如《图二》所示。成片正三角形布置的挤密桩，任意一个正三角形的三个挤密桩的重叠挤密效果都将作用到离桩心最远的三角形形心点上，使得处理区域离桩心最远点的挤密效果达到最好。
从挤密桩施工完成后产生的承载力提高原理上来看，仍然是高密实性的桩身提供较高的桩身承载力和密实后的桩间土提供一定的改良后的原土承载力，来共同形成地基处理后的桩土复合地基承载力。故桩土置换率越高，复合地基承载力越高，这也可以用来解释为何上述两本规范均要求采用正三角形布置挤密桩。
因为挤密桩桩身土和桩间土在密实性和承载力上的差异，为协调挤密桩和桩间土的变形并使两者形成的复合地基共同发挥处良好的承载作用，也考虑到施工过程中人和施工机械对桩顶上部土的扰动，设计时一般在桩顶预留500～700mm厚的松动层，在挤密桩施工完成后挖除松土层，并铺筑对应厚度的褥垫层。褥垫层可采用3:7灰土或2:8灰土，压实系数根据承载力要求不同，一般不低于0.95。
挤密桩的桩径根据长期工程界的经验积累，直接挤土的素土和灰土挤密桩，一般取350～450mm，处理12m深度范围内的湿陷性土层；处理超过12m深湿陷土层的预钻孔桩，素土和灰土挤密桩一般取250～300mm，CFG桩一般取450～600。经过近些年试验改进的有效湿陷性黄土地基处理方法，比如DDC孔内深层强夯法，一般采用灰土填料，预钻孔的桩径可以取到400甚至更大，夯扩后的成桩直径达到550，600以上。
挤密桩桩距一般按2.0～2.5倍桩径控制，根据《湿规》第6.4.2条，桩心距按一下公式计算：
当现场击实后最大干密度分别为1.58和1.69时，桩心距分别为1.058m和0.882m。若当现场击实后的灰土最大干密度为1.58时，和最优含水量下灰土的击实最大干密度1.723已经相差较大，此时桩心距达到1.058m，约为2.5倍桩径，可见对于湿陷性黄土地区灰土挤密桩的桩心距以控制不超过2.5d为宜。
挤密桩桩身填料的取用不同、采用桩距的差异，以及不同的施工方法，都将对最终的复合地基承载力产生较大差别的影响。《建筑地基处理技术规范》14.2.8条规定：灰土挤密桩和素土挤密桩复合地基承载力特征值，应通过现场单桩或多桩复合地基载荷试验确定。从我们在西安设计并已施工完成的项目和周边临近建筑采用地基处理措施的总结情况来看，一般挤密桩复合地基承载力特征值统计如下：
2.2.2.1、对仅需消除部分或者全部湿陷性的场地进行地基处理，可以用素土挤密桩。
如我设计的西安新开门3#～9#楼地基处理方案，就是采用的素土挤密桩来消除该自重湿陷性场地内各单体筏板下8.5～12.9m不等的湿陷性黄土层的全部湿陷性，而后采用干作业钻孔灌注桩穿过处理后的土层，将桩端置于下部低压缩性的非湿陷性第(8)层离石黄土层之上。
2.2.2.2、对需要提供较小地基反力的单层、多层建筑物，可以采用3:7灰土填料的挤密桩，处理后复合地基承载力可以达到200～250kPa，但取值不宜大于处理前的2.0倍。
例如我设计的西安曲江雁湖小学二期，该工程位于Ⅱ级自重湿陷性场地，地基处理采用的3:7灰土挤密桩，桩距850，冲孔孔径400，成桩桩径400，桩长5.0m，施工完成后，检测处理土层的湿陷性完全消除，复合地基的承载力特征值达到了220kPa。
2.2.2.3、对有基础埋深要求的高层建筑物，可以采用DDC桩或CFG桩进行地基处理，其中CFG桩因填料以固体类为主难以消除湿陷性，施工前应用素土挤密桩预先消除场地湿陷性，且素土挤密桩桩长不应小于CFG桩桩长。对于15～18层以下高层建筑，采用DDC桩处理后，复合地基承载力一般可达到280～320kPa，甚至更高，可以满足设计要求。对于18～26层高层建筑，若基础下湿陷土层厚度较小，性状稳定承载力较好的非湿陷土层离基底较近时，可采用冲击成孔素土挤密桩消除湿陷土层湿陷性后再用CFG桩进行地基处理，有良好的工程经济效果。CFG桩处理后的复合地基承载力要经现场载荷试验确定，因桩径、桩长等因素差异较大，复合地基承载力无法一概而论。
例如在西安市北池头小区5#楼、14#、15#、20#、22#楼，均位于Ⅲ级～Ⅳ级自重湿陷性场地上，我在设计中采用了正三角形布置的DDC灰土桩，桩距900，孔径400，成桩桩径600，施工完成后，检测复合地基湿陷性完全消除，并且其承载力特征值均达到了320kPa。
挤密桩的施工顺序对挤密桩成桩的实际效果也有着较大的影响。《湿规》第 6.4.7条规定：成孔挤密，应间隔分批进行，孔成后应及时夯填。当整片处理时，宜从里（从中间）向外间隔1～2孔进行，对大型工程，可采用分段施工，整片处理强调从边缘开始、均匀分布、逐步加密、及时夯填的原则；当为局部处理时，必须强调由外向里施工，否则挤密效果不好，并且宜间隔1～2孔进行。湿陷性黄土地区，许多工程在施工前先进行场外静载试桩，往往伴有先进行的局部地基处理来消除部分或者全部地基土湿陷性，这个时候，局部处理的效果对试桩的最终结果有着明显的影响，应予以重视。
三、湿陷性黄土地区的基础选型
湿陷性黄土地区的建筑物基础选型实际上与普通场地的建筑物基础选型差别不大，但是拟建在湿陷性黄土地区的建筑物在进行基础选择时，应注意以下几点： 1).首先根据建筑物基底反力大小确定建筑物可选用的基础类型，依据建筑物埋深要求，结合地质勘查报告确定建筑物基底下剩余湿陷土层厚度，及其湿陷等级，自重湿陷量，湿陷量等参数。要注意的是若建筑物基坑挖、填方的厚度和面积较大时候，自重湿陷量的计算可自设计基底地面起算。2).其次应根据《湿规》3.0.1条判断建筑物的类别，再依据地质勘查报告，结合规范其他条文，确定出采用某种处理办法时的场地处理的最小范围，最小处理深度等。3).再次应进行经济性比较，选择既满足设计安全需要，又经济可行的地基处理方法和对应的基础形式。
比如18层的高层剪力墙住宅建筑，在非自重湿陷性黄土场地上，湿陷等级较低为Ⅱ级或Ⅲ级时，可采用以下几种基础形式和地基处理方法：○1素土挤密桩消除湿陷性结合承台桩基础；○2灰土挤密桩结合桩筏基础，桩板共同受力；○3DDC灰土桩结合筏板基础。若桩端持力层埋深较浅，桩长较短时候，采用○1方法，将比较经济；但若桩长超过30m左右，一般情况下○3法更具优势。
四、湿陷性场地的基础和地基处理设计中应注意的几个问题
4.1、当湿陷性黄土层厚度等于或大于10m的场地，往往要求采用桩基础。设计中特别要注意的是，在没有进行消除湿陷性处理的湿陷性黄土地区进行的桩基静载荷试验，必须在浸水条件下进行。对于没有进行湿陷性消除或者没有消除全部湿陷性的场地，即没有进行地基处理或者没有对全部湿陷土层进行处理的场地，在采用混凝土灌注桩时，规范对桩纵向受力钢筋的配置长度没有做出特别明确规定，但设计中应针对湿陷土层的湿陷特性对桩侧摩擦力的影响在配筋长度中予以考虑，建议桩纵筋应按1/3桩长和穿越全部湿陷土层进行双控，且对于桩侧土层自重湿陷量比较大的端承桩，应考虑桩纵筋通长配置。此外桩身强度的计算，在桩侧土层有自重湿陷量时，应计入中性截面以上的桩侧负摩擦力。
4.2、挤密桩法处理深度不超过15m时，挤密桩的成孔形式对土的挤密效果有较大的影响。根据多个用不同的施工方法进行挤密桩地基处理的工程项目，结总出来的经验：采用冲击成孔时，预先挤土，成孔时不但对桩侧土有挤密作用，而且对桩端土有较好的挤密作用；采用钻孔取土成孔时，若不进行夯扩桩径，处理完成后挤密效果几乎没有。在填料夯实阶段，普通挤密桩对桩侧土的挤密作用，经夯填前后实际检测桩间土的密实度，其影响微乎其微；而要求扩孔的DDC桩法，则在2t以上重锤的快速强夯下，对桩间土挤密作用明显。若DDC法在成孔时采用冲孔成孔，则具有更好的挤密效果。
西安市新开门小区项目施工方在局部区域试施工普通灰土挤密桩时，采用洛阳铲钻孔后填料夯实，经检测，桩间土湿陷性难以消除。而钻孔后强夯的DDC桩，在桩径扩大至设计尺寸后，桩间土密实度较高，湿陷性可以完全消除。
4.3、对于湿陷性黄土场地的处理深度的确定，在以《湿规》规定要求为前提的取值下，尚应根据场地地质勘查报告中各项数据的比较进行优化。一般情况下，丙类建筑在自重湿陷性黄土场地的处理深度往往超过在非自重湿陷性黄土场地的处理深度。但是也有例外，例如我设计的山西兴业《30万吨废钢加工配送中心》，地勘将场地判定为非自重湿陷性场地，其中办公楼、综合楼一和综合楼二的场地湿陷等级为Ⅱ级。按规范要求，上述三栋楼均为丙类多层建筑，处理深度不宜小于2m，且下部未处理的湿陷性黄土层的湿陷起始压力不宜小于100kPa，而查地勘各土层的《土工试验综合成果表》可知，湿陷起始压力不小于100kPa的土层深度均在9～11m以上，处理的土层厚度较大。但是，上述三栋丙类建筑，若按自重湿陷性场地的处理要求来计算，即满足“地基处理厚度不小于2.5m，且下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量不应大于200”的要求，结合地勘报告《总湿陷量计算表》计算可知，办公楼、综合楼一和综合楼二下的处理厚度分别为4.7m，3.9m和2.9m。与按非自重场地计算的处理土层厚度相比较，按自重湿陷性场地计算的处理厚度反而更小。经与地质勘查部门沟通，在湿陷性黄土地区有极少数场地出现过此类情况，可按自重湿陷性场地的计算结果进行地基处理。由此可见，湿陷性黄土场地的地基处理深度确定，我们应该慎之又慎，仔细计算推敲，谨慎对待。
4.4、湿陷性黄土地区，大底盘地下室，往往存在深浅基础同时使用的情况，并根据地下室不同区域基底荷载的差异，分区域采用不同的地基处理方法。设计中，一定要注意采用合理的设计方法和施工措施来控制好深浅基础间的沉降差。除沿高层建筑四周在地下室顶板底板设置上下对齐的沉降后浇带外，高层建筑基底下地基处理应与周边浅基础对应的地基处理方式采用垫层间交互留搓等形式过度，以防止不同处理方式在不同荷载作用下出现了较大的沉降差无法用灰土垫层平缓过度。
西安<瓦胡同小区1#地块>的地下车库同时采用了灰土垫层法、素土垫层法、素土桩法、DDC灰土桩法等方法进行地基处理，这些不同方法的同时运用，不但应根据其处理方法类型确定各自的处理范围，还应根据处理后地基承载力的高低，按高承载力和处理深度较大的优先伸出为原则。如DDC灰土桩和灰土垫层相交接时，应该是DDC桩伸入灰土垫层内。而灰土垫层和素土垫层交接时，应采用分层交互留搓的形式，如《图三》所示。
图 三
我认为湿陷性黄土地区，大地下室基础设计和基底下地基处理工程经济性的实现与基坑开挖顺序、开挖深度和各种地基处理的施工先后顺序紧密相关。良好的开挖步骤和地基处理分区、分批顺序配合将取得较好的工程经济效果。以<瓦胡同小区1#地块>的地下车库为例，由于DDC桩施工完后的桩顶（褥垫层顶）和灰土垫层法处理区域的垫层顶标高持平，即各种处理方法的初始施工面不等标高，故DDC桩区域在开挖较深的灰土垫层基坑内将形成孤岛，而要求消除筏板底湿陷性的素土垫层基坑，则比灰土垫层基坑略深，将形成子基坑。故第一步应开挖至灰土垫层底标高和各单体钻孔灌注桩超灌顶标高两者中的较高一个标高，然后进行单体区域素土垫层的子基坑开挖和素土垫层施工。然后再进行钻孔灌注的施工，接着进行灰土垫层的施工，若此时尚未开挖到灰土垫层底标高，应先进行第二次大开挖到灰土垫层底标高，并迅速回填垫层并夯实。完成灰土垫层施工后，DDC桩区域孤岛顶与垫层顶持平，此时再进行DDC桩施工，将取得良好的挤密效果，实现承载力设计要求。总的来说，应准确的分析各种地基处理方法和基础施工方法对施工面标高，对施工场地面积的要求，只有这样才能设计出合理的施工开挖顺序和地基处理顺序。如果<瓦胡同小区1#地块>的地下车库第一开挖到标高较高的DDC桩区域，施工完DDC桩后再进行垫层施工的开挖，则会大大的削弱DDC桩区域外围DDC桩的挤密效果和复合地基承载能力。再假设，桩基础超灌要求的施工面高出垫层基坑底标高时，先开挖至垫层基坑底标高，则有可能在灌注桩施工中会出现设计桩顶高出基坑底标高的现象，导致灌注桩施工区域必须先回填部分土体，方可进行灌注桩施工。
因此，在湿陷性黄土地区，同一工程项目对地基土同时采用多种地基处理方法时，设计中应明确地基处理与基坑开挖的顺序、基坑开挖的分区、各区域的开挖先后顺序、各开挖步骤对应的开挖标高、以及同一分区可能分多次开挖的标高等施工顺序，以实现最佳地基处理效果。
五、结语
由于湿陷性黄土场地在我国分布较为广泛，湿陷等级和类别也比较多样化，各地土质情况和施工方式、水平也各不相同，因此，在设计中还应区别对待，根据具体情况进行有针对性的设计。我们在西安地区设计项目中积累的一些设计方法和经验都是在当地实施成功的，但是更进一步的应用尚需更多的项目成果来验证，还需我们继续进行学习与实践。
以上内容是本人在湿陷性黄土地区施工图设计中总结到得一些经验和体会，我在设计这些湿陷性黄土场地项目的过程中，当地相关勘察单位和设计同行、专家学习给予了很多指导和帮助，在此本人一并表示衷心的感谢！目前，我在进行湿陷性黄体场地地基处理设计中经验尚浅，文中不妥之处，请各位专家同行及时予以批评指正，我在今后的设计过程中进一步改进，提高业务水平。
参考文献：
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[2]《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025-2004）中国建筑工业出版社 2004 北京
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[4]王建伟《CFG桩在湿陷性黄土地区的应用》 2003 工程建设与设计
[5]焦增荣《湿陷性黄土地湿陷机理及地基处理措施探讨》2011价值工程
[6]姚绍军《浅谈湿陷性黄土地基处理方法》2011 工程建设与管理
论文作者:赵毅1,章明杰2
论文发表刊物:《基层建设》2017年第12期
论文发表时间:2017/8/18
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