濕陷性黃土的成因、危害及處理措施研究畢業(yè)論文

1、濕陷性黃土的成因、危害及處理措施研究 摘要：黃土在天然含水率時一般呈堅硬或硬塑狀態(tài)且具有較高的強度和低的或中等偏低的壓縮性，但遇水浸濕后，部分黃土即使在其自重作用下也會發(fā)生劇烈的沉陷，強度也隨之迅速降低。本文對失陷性黃土的成因、黃土的濕陷性的危害及黃土濕陷處理措施等問題進行了分析和研究。loess in the natural water content is generally rigid or hard plastic state and has high strength and low or moderate to low compression, but the water soak

2、ed, part of loess even in its gravity will be severe subsidence, strength also decreases rapidly. in this paper, the causes of collapse loess collapsibility of loess collapsibility of loess hazards and measures of problem analysis and research關(guān)鍵詞：失陷性黃土；成因；危害；措施一、濕陷性黃土的成因在上覆土層自重應力作用下，或者在自重應力和附加應力共同作用

3、下，因浸水后土的結(jié)構(gòu)破壞而發(fā)生顯著附加變形的土稱為濕陷性土，屬于特殊土。黃土的濕陷性是指黃土在天然低濕度下往往具有明顯的高強度和低壓縮性，但遇水浸濕后會發(fā)生變形大幅度突增和強度也隨之迅速降低的現(xiàn)象。濕陷產(chǎn)生的根本原因是黃土具有明顯的遇水連接減弱，結(jié)構(gòu)趨于緊密的有利于濕陷的特殊成分和結(jié)構(gòu)。黃土濕陷性強弱與其微結(jié)構(gòu)特征、顆粒組成、化學成分等因素有關(guān)。在同一地區(qū)，土的濕陷性又與其天然孔隙比和天然含水量有關(guān)，并取決于浸水程度和壓力大小。黃土中粘土粒愈多，并均勻分布在骨架顆粒之間，則均有較大的膠結(jié)作用，土的濕陷性愈好。黃土中的鹽類，如以較難溶解得碳酸鈣為主而具有膠結(jié)作用，濕陷性減弱，而石膏及易溶鹽含量愈

4、大，土的濕陷性愈強。在一定的天然孔隙水比和天然含水量情況下，黃土的濕陷變形量將隨浸濕程度和壓力的增加而增大，但當壓力增加到某一個定值以后，濕陷量卻又隨著壓力的增加而減小。另外，黃土的濕陷性從根本上與其堆積年代和成因有密切關(guān)系。二、濕陷性黃土的危害濕陷性黃土是一種在干燥情況下，具有較高強度和較低壓縮性，遇水后在一定外力作用或在自重作用下強度驟降的一種特殊巖土。它廣泛分布于我國甘肅、寧夏、陜西和山西等黃土高原地區(qū)。其中以03馬蘭組黃土最具有代表性。濕陷性黃土在天然濕度下,其壓縮性較低,強度較高。受水浸濕后,在土體自重應力或自重應力與外部附加應力共同作用下,強度降低。當土體中殘余的強度不足以抵抗土體

5、中的結(jié)構(gòu)應力時,土體結(jié)構(gòu)迅速破壞,并發(fā)生顯著的沉陷。土體濕陷對工程建設具有極大的危害性。地基濕陷的原因很多，如：貯水構(gòu)筑物或輸水管道漏水；工業(yè)或生活用水排放不當；大氣降水滲入和積聚以及地下水位上升等。這些原因所造成的建筑物地基的濕陷變形往往是不均勻的,屬于失穩(wěn)型的地基變形,一般在一兩天內(nèi)就可能產(chǎn)生2030厘米的變形量。這種數(shù)量大、速度快、而又不均勻的地基變形正是建筑物所難以適應的，往往會造成水塔、煙囪等高聳構(gòu)筑物嚴重傾斜，房屋墻身破壞，梁、柱等承重結(jié)構(gòu)開裂，以及機器基礎傾斜等惡果。因此,在濕陷性黃土地區(qū)進行建設,對建筑物地基需要采取處理措施,以減小或消除濕陷性黃土地基因浸水而引起的濕陷變形,保

6、證建筑物的安全與正常使用。圖1為山西人民醫(yī)院門前地面塌陷。圖1另外, 濕陷性黃土對道路工程的工程危害主要表現(xiàn)為遇水后的不均勻沉降，引起公路路面大面積開裂、下陷，從而引起其他次生道路病害，進一步加劇黃土地基的濕陷性，引起惡性循環(huán)。所以道路工程中的濕陷性黃土路基的施工質(zhì)量直接影響整個道路的施工質(zhì)量以及后期運營期養(yǎng)護工程。三、濕陷性黃土的防治措施濕陷性黃土的危害主要表現(xiàn)在對于建筑地基和道路地基的的濕陷危害，所以其防治措施也大多在于對地基的處理。（一） 對于濕陷性黃土地上的建筑地基，要根據(jù)建筑物的重要性、地基濕陷類型、地基濕陷等級進行設計。當?shù)鼗目倽裣萘坎淮笥?cm時，各類建筑均可按非濕陷性地基設計

7、；在非自重濕陷性地基上，當?shù)鼗鶅?nèi)各土層的濕陷起始壓力均大于其附加壓力與上覆土的飽和自重壓力之和時，各類建筑也可按非濕陷性地基設計。地基設計包括承載力、濕陷變形、壓縮變形和穩(wěn)定性計算。當這些計算值不能滿足設計要求時，則需采取相應的地基處理(消除濕陷性)措旌，防水(防止或減少地基受水浸濕)措施和結(jié)構(gòu)(減小建筑物的不均勻沉降和使建筑物能適應地基濕陷變形)措施。另外，在我國西北、華北地區(qū)常會遇到黃土地基處理問題。地基處理根據(jù)設計的要求，可分為全部消除地基濕陷性和部分消除地基濕陷性兩類。對生產(chǎn)用水量較大的廠房和重要建筑物，應全部消除地基的濕陷性，其處理深度為：自重濕陷性地基應處理基礎底面以下的全部濕陷性

8、土層；非自重濕陷性地基只需處理壓縮層范圍內(nèi)的濕陷性土層，但采用樁基礎時必須穿透全部濕陷性土層。對一般建筑物，可消除基礎底面下一定深度范圍內(nèi)土層的濕陷性，使剩余的濕陷量限于不致危害建筑物安全使用的程度。常用的處理方法有：土(灰土)墊層法、重錘夯實法、強夯法、土(灰土)樁擠密法、預浸水法、樁基法和化學注漿法等。下面來一一詳介。1、土(灰土)墊層法 此法處理厚度一般為13m。非自重濕陷地基采用這兩種方法處理后，地基浸水一般很少發(fā)生濕陷事故。由于土墊層和重錘夯實的處理深度有限，因此自重濕陷地基下部未處理的土層浸水后仍然會產(chǎn)生較大的濕陷。墊層法是先將基礎下的濕陷性黃土一部分或全部挖除，然后用素土或灰土分

9、層夯實做成墊層，以便消除地基的部分或全部濕陷量，并可減小地基的壓縮變形，提高地基承載力，可將其分為局部墊層和整片墊層。當僅要求消除基底下13m濕陷性黃土的濕陷量時，宜采用局部或整片土墊層進行處理；當同時要求提高墊層土的承載力或增強水穩(wěn)性時，宜采用局部或整片灰土墊層進行處理。 墊層的設計主要包括墊層的厚度、寬度、夯實后的壓實系數(shù)和承載力設計值的確定等方面。墊層設計的原則是既要滿足建筑物對地基變形及穩(wěn)定的要求，又要符合經(jīng)濟合理的要求。同時，還要考慮以下幾方面的問題： （1）、局部土墊層的處理寬度超出基礎底邊的寬度較小，地基處理后，地面水及管道漏水仍可能從墊層側(cè)向滲入下部未處理的濕陷性土層而引起濕陷

10、，因此，設置局部墊層不考慮起防水、隔水作用，地基受水浸濕可能性大及有防滲要求的建筑物，不得采用局部土墊層處理地基。 （2）、整片墊層的平面處理范圍，每邊超出建筑物外墻基礎外緣的寬度，不應小于墊層的厚度，即并不應小于2m。 （3）、在地下水位不可能上升的自重濕陷性黃土場地，當未消除地基的全部濕陷量時，對地基受水浸濕可能性大或有嚴格防水要求的建筑物，采用整片土墊層處理地基較為適宜。但地下水位有可能上升的自重濕陷性黃土場地，應考慮水位上升后，對下部未處理的濕陷性土層引起濕陷的可能性。2、重錘夯實法及強夯法 重錘表層夯實適用于處理飽和度不大于60%的濕陷性黃土地基。一般采用2.53.0t的重錘，落距4

11、.04.5m，可消除基底以下1.21.8m黃土層的濕陷性。在夯實層的范圍內(nèi)，土的物理、力學性質(zhì)獲得顯著改善，平均干密度明顯增大，壓縮性降低，濕陷性消除，透水性減弱，承載力提高。非自重濕陷性黃土地基，其濕陷起始壓力較大，當用重錘處理部分濕陷性黃土層后，可減少甚至消除黃土地基的濕陷變形。因此在非自重濕陷性黃土場地采用重錘夯實的優(yōu)越性較明顯。 強夯法常用夯錘重量為1020t，落距1020m。消除濕陷性土層一般為36m。當土的含水量符合或接近最佳含水量時，強夯的效果最好。對非自重濕陷地基，該法可以全部消除地基濕陷性，對自重濕陷地基則應控制下部未經(jīng)夯實土層的剩余濕陷量。強夯法加固地基機理一般認為，是將一

12、定重量的重錘以一定落距給予地基以沖擊和振動，從而達到增大壓實度，改善土的振動液化條件，消除濕陷性黃土的濕陷性等目的。強夯加固過程是瞬時對地基土體施加一個巨大的沖擊能量，使土體發(fā)生一系列的物理變化，如土體結(jié)構(gòu)的破壞或排水固結(jié)、壓密以及觸變恢復等過程。其作用結(jié)果是使一定范圍內(nèi)的地基強度提高、孔隙擠密。單點強夯是通過反復巨大的沖擊能及伴隨產(chǎn)生的壓縮波、剪切波和瑞利波等對地基發(fā)揮綜合作用，使土體受到瞬間加荷，加荷的拉壓交替使用，使土顆粒間的原有接觸形式迅速改變，產(chǎn)生位移，完成土體壓縮-加密的過程。加固后土體的內(nèi)聚力雖受到破壞或擾動有所降低，但原始內(nèi)聚力隨土體密度增大而得以大幅提高；單點強夯機如圖2所示

13、，夯錘底下形成夯實核，呈近似的拋物線型，夯實核的最大厚度與夯錘半徑相近，土體成千層餅狀，其干密度大于1.85g/cm3；圖2 強夯機3、土（灰土）擠密樁法 樁擠密法適用于處理地下水位以上的濕陷性黃土地基，施工時，先按設計方案在基礎平面位置布置樁孔并成孔，然后將備好的素土（粉質(zhì)粘土或粉土）或灰土在最優(yōu)含水量下分層填入樁孔內(nèi)，并分層夯（搗）實至設計標高止。通過成孔或樁體夯實過程中的橫向擠壓作用，使樁間土得以擠密，從而形成復合地基。值得注意的是，不得用粗顆粒的砂、石或其它透水性材料填入樁孔內(nèi)。 灰土擠密樁和土樁地基一般適用于地下水位以上含水量14%22%的濕陷性黃土和人工黃土和人工填土，處理深度可達

14、510米?；彝翑D密樁是使用灰土擠密樁機如圖3，用錘擊打入或振動沉管的方法在土中形成樁孔，然后在樁孔中分層填入素土或灰土等填充料，在成孔和夯實填料的過程中，原來處于樁孔部位的土全部被擠入周圍土體，通過這一擠密過程，從而徹底改變土層的濕陷性質(zhì)并提高其承載力。其主要作用機理分兩部分： （1）機械打樁成孔橫向加密土層，改善土體物理力學性能。在土中擠壓成孔時，樁孔內(nèi)原有土被強制側(cè)向擠出，使樁周一定范圍內(nèi)土層受到擠壓，擾動和重塑，使樁周土孔隙比減小，土中氣體溢出，從而增加土體密實程度，降低土壓縮性，提高土體承載能力。土體擠密范圍，是從樁孔邊向四周減弱，孔壁邊土干密度可接近或超過最大干密度，也就是說壓實系數(shù)

15、可以接近或超過1.0，其擠密影響半徑通常為1.52d（d為擠密樁直徑），漸次向外，干密度逐漸減小，直至土的天然干密度，試驗證明沉管對土體擠密效果可以相互疊加，樁距愈小，擠密效果愈顯著。 （2）灰土樁與樁間擠密土合成復合地基。上部荷載通過它傳遞時，由于它們能互相適應變形，因此能有效而均勻地擴散應力，地基應力擴散得很快，在加固深度以下附加應力已大為衰減，無需堅實的下臥層。 一般來說，擠密樁可以按等邊三角形布置，這樣可以達到均勻的擠密效果。每根樁都對其周圍一定范圍內(nèi)的土體有一定的擠密作用，即使樁與樁之間有一小部分尚未被擠密的土體，因為其周圍有著穩(wěn)定的、不會發(fā)生濕陷的邊界這一部分也不會發(fā)生濕陷變形。樁

16、與其周圍被擠密后的土體共同形成了復合地基，一起承受上部荷載。可以說，在擠密樁長度范圍內(nèi)土體的濕陷性已完全被消除處理后的地基與上部結(jié)構(gòu)渾然一體，即使樁底以下土后的土體即使有沉降變形，也是微小的和均勻的，不致對上部結(jié)構(gòu)形成威脅。樁的間距的大小直接影響到擠密效果的好壞，也與工程建設的經(jīng)濟性密切相關(guān)。圖3 灰土擠密樁機4、預浸水法 預浸水法是在修建建筑物前預先對濕陷性黃土場地大面積浸水，使土體在飽和自重應力作用下，發(fā)生濕陷產(chǎn)生壓密，以消除全部黃土層的自重濕陷性和深部土層的外荷濕陷性。此法結(jié)合其他表層處理方法，可以全部消除自重濕陷性地基的濕陷性，一般適用于濕陷性黃土厚度大、濕陷性強烈的自重濕陷性黃土場地

17、。由于浸水時場地周圍地表下沉開裂，并容易造成“跑水”穿洞，影響建筑物的安全，所以空曠的新建地區(qū)較為適用。待添加的隱藏文字內(nèi)容25、樁基法 濕陷性黃土地基采用樁基時，應穿透濕陷性土層，樁端應支承在密實的非濕陷土層中。樁基礎如圖4既不是天然地基，也不是人工地基，屬于基礎范疇，是將上部荷載傳遞給樁側(cè)和樁底端以下的土（或巖）層，采用挖、鉆孔等非擠土方法而成的樁，在成孔過程中將土排出孔外，樁孔周圍土的性質(zhì)并無改善。但設置在濕陷性黃土場地上的樁基礎，樁周土受水浸濕后，樁側(cè)阻力大幅度減小，甚至消失，當樁周土產(chǎn)生自重濕陷時，樁側(cè)的正摩阻力迅速轉(zhuǎn)化為負摩阻力。因此，在濕陷性黃土場地上，不允許采用摩擦型樁，設計樁

18、基礎除樁身強度必須滿足要求外，還應根據(jù)場地工程地質(zhì)條件，采用穿透濕陷性黃土層的端承型樁（包括端承樁和摩擦端承樁），其樁底端以下的受力層:在非自重濕陷性黃土場地，必須是壓縮性較低的非濕陷性土（巖）層;在自重濕陷性黃土場地，必須是可靠的持力層。這樣，當樁周的土受水浸濕，樁側(cè)的正摩阻力一旦轉(zhuǎn)化為負摩阻力時，便可由端承型樁的下部非濕陷性土（巖）層所承受，并可滿足設計要求，以保證建筑物的安全與正常使用。黃土層中有地下水時可采用沉管灌注樁或預制樁。若為非自重濕陷地基，樁尖打入非濕陷性土層中；若為自重濕陷地基，樁尖應打入砂類土(粉、細砂除外)、碎石類土或基巖中。在濕陷性黃土地帶，已有建筑物的地基發(fā)生濕陷事故

19、時，可以采用樁基托換法。樁基托換必須有可靠的持力層，可徹底消除地基濕陷的隱患。圖4 樁基礎6、化學注漿法 由于地基浸水后土的含水量較高，采用加氣硅化法可獲得較好的效果?；瘜W注漿法的成本較高，一般用于處理已有建筑物的地基濕陷事故。在我國濕陷性黃土地區(qū)地基處理應用很多，并取得實踐經(jīng)驗的化學加固法包括硅化加固法和堿液加固法。硅化加固濕陷性黃土的物理化學過程，一方面基于濃度不大的、粘滯度很小的硅酸鈉溶液順利地滲入黃土孔隙中，另一方面溶液與土的相互凝結(jié)，土起著凝結(jié)劑的作用。 堿液加固是利用氫氧化鈉溶液加固濕陷性黃土地基。在我國始于20世紀60年代，其加固原則為，氫氧化鈉溶液注入黃土后，首先與土中可溶性和

20、交換性堿土金屬陽離子發(fā)生置換反映，反映結(jié)果使土顆粒表面生成堿土金屬氫氧化物。（二）、由于黃土特殊的工程性質(zhì)(水敏性、大孔性、結(jié)構(gòu)性)，黃土地區(qū)的鐵路工程建設也常常會出現(xiàn)多種工程病害，如深挖方邊坡的坍塌，高填方路堤的不均勻沉降，地基承載力低，高濕度黃土中隧道的塌方和既有線黃土隧道出現(xiàn)拱部裂縫，樁基因負摩擦作用的變形和破壞等多方面的問題。其中黃土濕陷性問題最為突出，給鐵路運營和養(yǎng)護帶來的危害也最大。濕陷性黃土道路地基處理施工除采用防止地表水下滲的措施外，可根據(jù)工程具體情況采取如上述對于建筑地基相同的墊層法、重錘夯實法、強夯法、樁擠密法、預浸水法、樁基法和化學注漿法等方法因地制宜進行處理，并采取措施做好路基的防沖、截排、防滲。加筋土擋土墻是濕陷性黃土地區(qū)得到迅速推廣的有效防護措施。附錄：黃土路基工后沉降評估路基的變形一般可分為路基的工后沉降和路基的彈性變形及塑性變形兩類。工后沉降為路基竣工開始鋪軌后產(chǎn)生的沉降，它由路基本體的壓密變形和