假说
黄土的湿陷现象是一个复杂的地质、物理、化学过程,其湿陷机理国内外学者有各种不同的假说,如毛细管假说、溶盐假说、胶体不足假说、水膜楔入假说、欠压密理论和结构学假说等,但每种理论都有不完善的地方,至今尚未获得能够充分解释所有湿陷现象和本质的统一理论。以下仅简要介绍几种被公认为比较合理的假说。
(1)黄土的欠压密理论认为,在干旱、少雨气候下,黄土沉积过程中水分不断蒸发,土粒间盐类析出,胶体凝固,形成固化黏聚力,在土湿度不大时,固化黏聚力阻止了上面土对下面的压密作用而成为欠压密状态,时间久了,堆积的欠压密土层越来越厚,形成这种高孔隙比、低湿度的湿陷性黄土,一旦受水浸湿,固化黏聚力消失,就产生了沉陷。
(2)溶盐假说认为,黄土湿陷是由于黄土中存在大量的易溶盐。黄土中含水量较低时,易溶盐处于微晶状态,附于颗粒表面,起胶结作用。而受水浸湿后,易溶盐溶解,胶结作用丧失,从而产生湿陷。但溶盐假说并不能解释所有湿陷现象,如我国湿陷性黄土中易溶盐含量就较少。
(3)结构学说认为,黄土湿陷的根本原因是其特殊的粒状架空结构体系造成的。该结构体系由集粒和碎屑组成的骨架颗粒相互连接形成,含有大量架空孔隙。颗粒间的连接强度是在干旱、半干旱条件下形成,来源于上覆土重的压密,少量的水在粒间接触处形成毛管压力、粒间电分子引力、粒间摩擦及少量胶凝物质的固化黏聚等。该结构体系在水和外荷载作用下,必然导致连接强度降低、连接点破坏,致使整个结构体系失去稳定。
尽管解释黄土湿陷原因的观点各异,但归纳起来可分为外因和内因两个方面。黄土受水浸湿和荷载作用是湿陷发生的外因,黄土的结构特征及物质成分是产生湿陷性的内因。
因素
(1)黄土的物质成分。黄土中胶结物的多少、成分以及颗粒的组成和分布,对于黄土的结构特点和湿陷性的强弱有重要的影响。胶结物含量大,可把骨架颗粒包围起来,则结构致密。黏粒含量特别是胶结能力较强的小于0.001mm的颗粒含量多,其均匀分布在骨架之间,也起了胶结物的作用,使湿陷性降低并使力学性质得到改善;反之,粒径大于0.05mm的颗粒多,胶结物多呈薄膜状分布,骨架颗粒多数彼此直接接触,其结构疏松、强度降低而湿陷性增强。我国黄土湿陷性存在着由西北向东南递减的趋势,就是与自西北向东南方向砂粒含量减少而黏粒含量增多是一致的。此外,黄土中的盐类及其存在状态对湿陷性也有着直接影响,如比较难溶解的碳酸钙为主而具有胶结作用时,湿陷性减弱,但石膏及其他碳酸盐、硫酸盐和氯化物等易溶盐的含量越大时,湿陷性越强。
(2)黄土的物理性质。黄土的湿陷性与其孔隙比和含水量等物理性质有关。天然孔隙比越大,或天然含水量越小,则湿陷性越强。例如,兰州地区的黄土,e<0.86时,湿陷性一般不明显。
(3)外加压力。黄土的湿陷性还与外加压力有关。随着外加压力的增大,黄土的湿陷量也显著增加,但当压力超过某一数值后,再增加压力,湿陷量反而减少。
勘察
湿陷性黄土地区的地基勘察除满足一般勘察要求外,还需针对湿陷性黄土的特点进行以下勘察工作。
(1)研究地形的起伏和地面水的积聚、排泄条件,调查洪水淹没范围及其发生规律。
(2)划分不同的地貌单元,确定其与黄土分布的关系,查明湿陷凹地、黄土溶洞、滑坡、崩坍、冲沟、泥石流及地裂缝等不良地质现象的分布、规模、发展趋势及其对建设的影响。
(3)划分黄土地层或判别新近堆积黄土。
(4)调查地下水位的深度、季节性变化幅度、升降趋势及其与地表水体、灌溉情况和开采地下水强度的关系。
(5)调查既有建筑物的现状。
(6)了解场地内有无地下坑穴,如古墓、井、坑、穴、地道、砂井和砂巷等。
(7)采取原状土样,保持其天然的湿度、密度和结构,进行相关室内试验。
勘察阶段可分为场址选择或可行性研究、初步勘察、详细勘察3个阶段,各阶段的勘察成果应符合各相应设计阶段的要求。
评价
(1)湿陷系数。黄土是否具有湿陷性以及湿陷性的强弱程度如何,需要用一个指标来判定。如前所述,黄土的湿陷量与所受的压力大小有关。所以需要评价黄土是否具有湿陷性,以及具有湿陷性的黄土其湿陷性强弱时,就需要给定某一固定的压力,讨论黄土在该压力作用下浸水后的湿陷性及其大小。衡量黄土是否具有湿陷性及湿陷性大小的指标是湿陷系数δs。
测定湿陷系数时的试验压力p采用黄土地基实际受到的压力是比较合理的,但由于在初步勘察阶段,建筑物的平面位置、基础尺寸和埋深等尚未确定,以实际压力测定湿陷系数、评定黄土的湿陷性存在不少具体问题和困难。因而《湿陷性黄土地区建筑规范》(GB 50025—2004)规定以下几点。
1)自基础底面(如基底标高不确定时,自地面下1.5m)算起。
2)基底下10m以内的土层应用200kPa,10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应用其上覆土的饱和自重压力(当大于300kPa压力时仍应用300kPa)。
3)当基底压力大于300kPa时,宜用实际压力。
4)对压缩性较高的新近堆积黄土,基底下5m以内的土层宜用100~150kPa压力,5~10m和10m以下至非湿陷性黄土层顶面,应分别用200kPa和上覆土的饱和自重压力。
(2)湿陷起始压力。如上所述,黄土的湿陷量是压力的函数。因此,即使对于具有湿陷性的黄土,也存在着一个压力界限值,压力低于这个数值,黄土即使浸水也不会发生湿陷变形,只有当压力超过某个界限值时黄土才开始产生湿陷变形,这个界限压力值称为湿陷起始压力psh。
湿陷起始压力可根据室内压缩试验或野外载荷试验确定,不论是室内试验还是野外试验,分析方法都有双线法或单线法两种。
(3)场地湿陷类型的划分。工程实践表明,自重湿陷性黄土无外荷载作用时,浸水后也会迅速发生剧烈的湿陷,甚至一些很轻的建筑物也难免遭受其害,而对非自重湿陷性黄土地基则很少发生。对这两种湿陷性黄土地基所采取的设计和施工措施是有区别的。因此,必须正确划分场地的湿陷类型。
建筑物场地的湿陷类型应按实测自重湿陷量或计算自重湿陷量Δzs判定。实测自重湿陷量应根据现场试坑浸水试验确定。其结果可靠,但费水费时,且有时受各种条件限制而不易做到。因此,规范规定,除在新建区对甲、乙类建筑物宜采用现场试坑浸水试验外,对一般建筑物可按计算自重湿陷量划分场地类型。
措施
湿陷性黄土地基的设计和施工,除了必须遵循一般地基的设计和施工原则外,还应针对黄土湿陷性这个特点和工程要求,采取以地基处理为主的综合措施,以防止地基湿陷,保证建筑物的安全和正常使用。这些措施有以下几个方面。
1.地基处理措施
地基处理的目的在于破坏湿陷黄土的大孔结构,以便全部或部分消除地基的湿陷性,从根本上避免或削弱湿陷现象的发生。根据建筑物的重要性及地基受水浸湿可能性的大小和在使用上对不均匀沉降限制的严格程度,将建筑物划分为甲、乙、丙、丁四类。甲类建筑应消除地基的全部湿陷量,或采用桩基础穿透全部湿陷土层,或将基础设置在非湿陷性黄土层上;乙类、丙类建筑应消除地基的部分湿陷量。丁类属次要建筑物,地基可不做处理。
2.防水措施
防水措施是为了消除黄土发生湿陷变形的外在条件,防止地基受水浸湿。基本防水措施要求在建筑布置、场地排水、地面排水、散水等方面防止雨水或生产生活用水渗入浸湿地基。对重要建筑物场地和高级别湿陷地基,应采用严格防水措施,即在检漏防水措施基础上还要对防水地面、排水沟、检漏管沟和井等设施方面提高设计标准。
3.结构措施
从地基基础和上部结构相互作用的概念出发,在建筑结构设计中采取适当措施,以减小建筑物的不均匀沉降或使结构能适应地基的湿陷变形,是前两项措施的补充手段。如建筑平面布置力求简单,加强建筑上部结构整体刚度,预留沉降净空等。
4.施工措施及使用维护
湿陷性黄土地基的建筑物施工应根据地基土的特性和设计要求合理安排施工程序,防止施工用水和场地雨水流入建筑物地基引起湿陷。在使用期间,对建筑物和管道应经常进行维护和检修,确保防水措施的有效发挥,防止地基浸水湿陷。
在上述措施中,地基处理是主要的工程措施。防水、结构措施的采用,应根据地基处理的程度不同而有所差别。若通过地基处理消除了全部地基土的湿陷性,就不必再考虑其他措施;若只消除了地基的部分湿陷量,则还应辅以其他措施。