湿陷性黄土地区复杂地质下钢结构厂房地基的加固处理

湿陷性黄土地区复杂地质下钢结构厂房地基的加固处理 湿陷性黄土地区复杂地质下钢结构厂房地基的加固处理

刘宝双 黄丽红 宫海军 任向鑫 薛荣刚

(北方工程设计研究院有限公司， 石家庄 050011)

摘 要：在地质情况复杂、土层起伏很大的湿陷性黄土场地，当建筑物变形控制要求较高，需全部消除场地湿陷性时，可采用不同夯击能进行强夯；当建筑物变形控制要求不高，仅需消除基础范围内的全部湿陷和基础范围外部分消除湿陷性时，可通过强夯消除室内地面的部分湿陷，采用强夯和挤密联合法完全消除基础下的地基土湿陷。通过方案对比，分析了两种方案的特点及其适用范围，结合实际工程可知，应调整湿陷性黄土含水量，以取得最佳的强夯效果。

关键词：湿陷性黄土；复杂地质；强夯；强夯和挤密联合法；含水量

1 工程概况

1.1 项目简介

所涉及项目位于河北省张家口市市区西北角，结构形式为钢结构联合厂房，平面尺寸为296.9 m×122.7 m。为满足生产工艺要求，将厂房分为5个结构单元。±0.000 m相对于绝对标高为907.500 m，基础形式为柱下独立基础，基底标高-2.400 m。厂房最大跨度为36 m，设有750 kN级重级工作制吊车，厂房内工艺设备对沉降要求较高。

该工程吊车起吊吨位较大，而场地地质情况复杂，整个场地基底标高分别处于填方区、湿陷性黄土、粉质黏土、碎石土及岩石等多个土层。为保证吊车在整个厂区内正常运行，应采取措施控制基础不均匀沉降。场地土层分布厚度不均，场地大面积范围存在较厚的湿陷性黄土，且湿陷性等级不同。以上因素成为该项目地基基础设计的重点和难点。

1.2 工程地质概况及湿陷性分区

地勘报告显示：拟建工程场地属西北高原东延部分山间盆地分区中的低山丘陵，建设场地总体东高西低，中部黄土冲沟由南向北横穿场地，最宽处达59 m，伴有大小冲沟数条，高低起伏。场地原始地面标高介于893.220～928.040 m，高差达34.820 m。

场地内地基岩土构成为①—⑦层，根据地基岩土层原位测试成果，结合当地建筑经验，综合确定地基岩土层承载力特征值fak等地基主要计算参数如表1所示，湿陷性黄土物理力学及原位测试指标见表2，黄土①、黄土②的土层厚度均为0～8 m，典型地质剖面见图1。

表1 地基基础设计参数

Table 1 Deisgn parameters of the foundation

地层名称及编号重度/(kN·m-3)承载力特征值/kPa压缩模量Es/MPa黄土①14.61108.8黄土②16.01209.9粉质黏土③19.118010.3含角砾粉质黏土③118.520020.0碎石③221.035035.0粉质黏土④19.119011.7含角砾粉质黏土④119.025022.0碎石④222.035035.0全风化凝灰岩⑤20.045045.0强风化凝灰岩⑥24.01500100.0中风化凝灰岩⑦26.06000—

表2 湿陷性黄土物理力学指标

Table 2 The physical and mechanical properties of collapsible loess

地层名称及编号含水率/%孔隙比液限/%塑限/%自重湿陷系数湿陷系数黄土①9.81.07826.716.780.002～0.0630.057～0.173黄土②13.70.99527.717.200.002～0.0700.018～0.152

注：54～63为钻孔编号。

图1 典型地质剖面

Fig.1 Profile of typical geological

根据土工试验结果：黄土①层具非自重湿陷性，湿陷系数0.057～0.173，湿陷程度轻微—强烈，湿陷起始压力43～193 kPa；黄土②层具自重湿陷性，自重湿陷系数0.021～0.076，湿陷系数为0.018～0.152，湿陷程度轻微—强烈，湿陷起始压力为23～133 kPa。湿陷带下限为黄土②层层底。土工试验结果显示，湿陷系数随深度增加其变化无规律性[1]。

场地地貌为坝下山间盆地分区中的构造侵蚀低山丘陵区，黄土的湿陷性与其微地貌单元成因密切相关，场地整平标高为907.500 m，湿陷性评价以整平场地为准。根据黄土①、黄土②层湿陷程度并考虑微地貌单元，将场地分为4个区，湿陷性黄土分区如图2所示。

----湿陷性黄土分区边界。

图2 湿陷性黄土分区

Fig.2 Partition of the collapsible loess regions

Ⅰ区：微地貌为黄土坡地，位于挖方区，挖方高度1.0～9.2 m，为Ⅱ—Ⅲ级(中等—严重)自重湿陷场地。Ⅱ区：微地貌为黄土冲沟，位于填方区，填方高度1.0～13.5 m，为Ⅰ—Ⅱ级(轻微—中等)非自重湿陷场地。Ⅲ区：微地貌为冲沟，位于场地西南侧，最大填方高度0.6 m，最大挖方高度4.2 m，表层为厚度1.5～4.6 m的杂填土，其下无湿陷性黄土层分布。Ⅳ区：微地貌为黄土坡地，位于场地东侧挖方区，挖方高度7.7～20.54 m，区内场地整平至设计标高后无湿陷性黄土分布。

1.3 基础方案

本工程结构形式为下部钢排架、上部门式刚架厂房，竖向荷载较小，弯矩相对于轴力较大。基础形式为柱下独立基础，基础截面由弯矩控制，故基础长短边之比按1.2～1.4控制，保证基础受力合理且避免长宽比过小造成不必要的浪费。

厂房Ⅰ区、Ⅱ区范围场地存在较厚的湿陷性黄土，湿陷性程度显著不同，且Ⅱ区填方高度很高，基底标高位于填方区或第①—④层土；厂房Ⅳ区东侧局部范围基底标高位于凝灰岩层，地基承载力为450～6 000 kPa。考虑整个场地地基承载力差别很大，为减小不均匀沉降，基底标高位于第⑤—⑦层土时，基础垫层标高以下挖除0.3 m，换填级配砂石；基底标高处于回填区域及①—④层土范围的地基，经过湿陷性地基处理后，独立基础范围内再采用水泥粉煤灰碎石(CFG)桩[2]处理。文献[3]经过理论分析和工程实践证明：CFG桩复合地基可消除黄土湿陷性,提高地基的承载力和刚度。因此，CFG桩的设置为本工程地基基础设计提供了更大的安全保障。

2 湿陷性黄土地基处理方案对比

2.1 不同夯击能强夯方案

大能级强夯法处理湿陷性深厚黄土，效果明显[4],但本工程地势高低起伏较大，部分区域湿陷性黄土厚度较小，如果湿陷性黄土区域均采用大能级强夯法，经济性较差。该方案首先将整个厂房范围根据湿陷性黄土下限至厂房±0.000标高之间的高差由深至浅分为5个区域(图3)。然后采用不同夯击能的设备分层回填、分层强夯处理，消除厂房范围全部湿陷性。

----湿陷性黄土分区边界。

图3 强夯区域划分

Fig.3 Partition of the intensive ramming area

强夯施工按如下要求：2 600 kN·m夯击能夯点间距为4.0 m×4.0 m(中间插点)，单点夯击能为2 600 kN·m，影响深度为4.0 m,击数6～10击，最后2击平均沉降量不大于50 mm，低能满夯2遍，夯击能1 000 kN·m，夯击数为2击；5 000 kN·m夯击能夯点间距5.0 m×5.0 m(中间插点)，单点夯击能

5 000 kN·m，影响深度7.0 m,击数6～10击，最后2击平均沉降量不大于100 mm，低能满夯2遍，夯击能2 000 kN·m，夯击数为2击。点夯夯点2遍施工，低能满夯2遍2击，强夯外扩边线不小于分层回填厚度2/3，单点且不小于基础外边缘5.0 m。

区域1范围湿陷性黄土最低底标高为891.500 m，对应现有场地地面以下湿陷性黄土厚度约7.5 m。该区域分3层进行强夯。首先开挖至标高897.500 m，进行单击夯击能为5 000 kN·m的强夯，处理最大土层厚度为6.0 m；检测合格后回填至标高903.500 m，进行单击夯击能为5 000 kN·m的强夯，处理最大土层厚度为6.0 m；检测合格后回填至标高907.500 m，单击夯击能为进行2 600 kN·m单击夯击能强夯，处理最大土层厚度为4.0 m。其他强夯施工控制参数见表3。

表3 各区域强夯施工参数

Table 3 The construction parameters of intensive ramming in each area

注：a、b、c为参数设置。

区域编号湿陷性黄土最低底标高/m黄土层最大厚度/m强夯控制标高/m单击夯击能/(kN·m)处理深度/mabcabcabc区域1891.5007.5897.500903.500907.5005000500026006.06.04.0区域2895.00010.0901.500903.500907.5005000260026006.52.04.0区域3899.0008.0—903.500907.500—50002600—4.54.0区域4900.5007.0——907.500——5000——7.0区域5903.5004.0——907.500——2600——4.0

2.2 强夯、素土挤密桩联合方案

根据勘察报告揭露，湿陷土层厚度变化很大，沟壑发育明显，若采用先场地平整回填至整平标高，再进行强夯处理，对于Ⅱ区黄土冲沟位置，湿陷土层及回填土厚度较大，施工质量难以控制，且强夯处理深度有限，下部未处理湿陷性黄土层的剩余湿陷量较大，可能不满足要求。

基于以上因素，可先将填沟进行分层回填、分层强夯处理至场平标高，强夯单击夯击能为2 600 kN·m，有效深度为4.0 m，强夯后承载力特征值不小于180 kPa。强夯后夯点处可消除湿陷性，但夯间土湿陷性仍未消除。最后一步强夯，夯点加密或2遍强夯，处理夯间土的湿陷性，满足4.0 m范围内完全消除地基土的湿陷性。

经过强夯处理，对于填土厚度与湿陷性黄土土层厚度之和小于4.0 m的区域，可全部消除湿陷性。对于基础范围内强夯影响深度未能达到区域，即填土厚度与湿陷土层厚度之和大于4 m的区域，采用素土挤密桩消除基础范围内地基土的全部湿陷性。素土挤密桩桩径450 mm，采用等边三角形布桩，桩间距900 mm，桩长穿透湿陷性土层，孔内填土压实参数不小于0.97，具体桩间距可根据试桩后调整。基底以下全部消除湿陷性后，采用素混凝土桩地基处理，用以提高地基承载力和减小地基变形，处理后复合地基承载力特征值fspk不小于260 kPa。

该方案通过强夯及素土挤密桩进行地基处理后，可全部消除基础下地基土湿陷性，基础范围以外室内地面及厂区道路仅4 m深度范围内消除湿陷性，强夯处理有效深度以下仍存在湿陷性，当生产工艺对地面变形要求不高时，可满足规范及使用要求。

2.3 方案比选

采用不同夯击能对湿陷性黄土场地进行地基处理，施工操作简单、有效，可消除建筑物范围内全部湿陷性；而强夯和素土挤密桩联合方案，仅在基础范围内全部消除湿陷性黄土的湿陷性，基础范围外建筑地面部分消除湿陷性，难以满足生产工艺对建筑地面变形的要求。本工程地质情况复杂，且工艺设备对地面变形要求较高，因此，经综合分析，最终采用不同夯击能进行强夯处理，全部消除整个建筑范围内的湿陷性。

3 施工中遇到的问题及处理办法

为满足设计要求和保证强夯质量，强夯前分别选择有代表性场地进行不同单击夯击能试夯，试夯结果为5 000 kN·m单击夯击能处理有效深度为 7.0 m，2 600 kN·m单击夯击能处理有效深度为4.0 m。试夯击数6～10击，最后2击夯沉量不大于50 mm。试夯结束后，进行静载荷试验，检测地基承载力特征值不小于180 kPa，全部消除湿陷性。

施工中进行静载试验发现，大多数区域经强夯后可全部消除湿陷性，但仍有局部区域黄土湿陷性未全部消除。当夯击次数大于8次时，土样竖向变形、密度、内摩擦角和黏聚力均趋于稳定[5]，因此采取增加夯击击数等措施后仍不能全部消除该区域湿陷性。

经过对该区域及试夯区域场地土取样分析发现，该区域场地土含水量与试夯场地土含水量存在差别，而黄土含水量是影响强夯处理效果的重要因素之一，当含水量在一定范围时，强夯处理湿陷性黄土地基的效果最佳[6]。选取强夯未全部消除湿陷性区域20 m×20 m范围浸水处理，逐步加大土体含水量试夯，直至全部消除该区域黄土湿陷性。经过对未全部消除湿陷性黄土区域浸水处理，改善土的含水量后进行强夯，最终全部消除场地土的湿陷性。

4 防水隔水措施

考虑场地地质情况复杂，且湿陷性黄土厚度较厚，生产工艺对变形要求较高，因此在强夯后，为避免处理后地基在浸水后仍有可能产生湿陷性变形，结合建筑地面做法，在整个厂区范围铺设500 mm厚3∶7灰土作为隔水层。对于CFG桩处理范围，灰土隔水层应设置在褥垫层之下，并与周边灰土垫层连接封闭。

5 结束语

本工程对地基变形要求较高，采用不同夯击能强夯法全部消除湿陷性。对于局部未完全消除湿陷区域，通过浸水逐步加大土体含水量后进行强夯，完全消除场地湿陷性。经地基处理后的湿陷性黄土场地，采用一定厚度的3∶7灰土作为隔水层，减小地基土受水浸湿的可能性。

参考文献：

[1] GB 50025— 湿陷性黄土地区建筑规范[S].

[2] JGJ 79— 建筑地基处理技术规范[S].

[3] 曹森虎，米周林. CFG桩复合地基在湿陷性黄土地区的应用[J].建筑结构，,34(10)：63-65.

[4] 王松江，周汉滨. 强夯法处理深厚湿陷性黄土地基对比试验研究[J].工程地质学报，,20(6)：1028-1034.

[5] 蔡靖，罗明达，董炳寅. 动力夯实法处理湿陷性黄土的微观机理[J].土木建筑与环境工程，,36(3)：30-36.

[6] 冯志焱，韩星照，郑翔. 中低能量强夯法处理黄土湿陷性效果的统计分析 [J].工业建筑，,41(2)：53-56.

THE FOUNDATION IMPROVEMENT METHOD COMPARISON OF A STEEL STRUCTURE WORKSHOP IN COLLAPSIBLE LOESS REGION

Liu Baoshuang Huang Lihong Gong Haijun Ren Xiangxin Xue Ronggang

(Norendar International Ltd, Shijiazhuang 050011, China)

Abstract：On the collapsible loess foundation with complicated geological conditions and rugged terrain, when the deformation control, requirement of the building is severe, different tamping energy can be adopted for dynamic consolidation to eliminate collapsibility completely; when the deformation foundation requirement of the building is not too severe, which needs to eliminate collapsibility of the under the base completely and eliminate collapsibility of other areas partly. Dynamic consolidation technique can be adopted to partly eliminate collapsibility of indoor floor while dynamic consoildation and ground compaction method can be adopted. The characteristics and scope of application of these two kinds of schemes could be analyzed through comparison, and by combining with practical engineering, the water content of collapsible loess could be adjusted to get the best compaction effect.

Keywords：collapsible loess; complex geological conditions; dynamic consolidation; dynamic consolidation and ground compaction method; water content

第一作者：刘宝双，男，1985年出生，工程师。

收稿日期：-10-31

DOI：10.13204/j.gyjz04009

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