岳钰杰

（甘肃西苑勘察规划设计有限公司，甘肃 庆阳 745000）

0 引言

土地资源是人类经济发展的物质基础和保障，随着西北地区基础建设如火如荼的进行，现有的土地资源已无法满足当下的发展进程[1]。为缓解上述问题，西北地区某些城市率先开展了“平山造地，上山建城”的措施，采用“水冲淤地”和“机械推运”的手段将原黄土梁峁土体刨挖，然后夯填至沟谷处，达到均衡地表标高的工程目的[2]。由于填土在夯填完成后需一定时间完成自重固结，并且根据相关文献[3]，填土具有特殊的岩土结构及工程特性，因此对填方地区的应用争议颇大。根据调查，我国西北黄土地区城市在规划建设时，将低层住宅及厂房规划至低填方区域，而高填方区域则处于暂置状态，局部区域规划为公园用地，一定程度上浪费了土地资源。

目前，黄土填方区主要的地基处理目的为减小地基土的压缩性和消除湿陷性。李萍、朱彦鹏等[4]～[5]结合工程实例，阐述了强夯法在黄土高填方地基中的施工步骤及加固效果，通过对对湿陷性和密实度等指标的检验，研究该工法的合理性。张云龙[6]以高填方路堤工程为依托，提出了一种分层振动压实和重锤补夯相结合的综合压实方法，并通过室内击实试验、现场施工评估分析等研究其加固效果。梅源[7]采用大型模型试验研究了黄土高填方的变形速率与特征，并通过现场试验和岩土监测研究了强夯、素土桩等处理方案的合理施工参数。甘厚义、周虎鑫[8]等从原地面地基处理、填料分层填筑设计、高填方分层填筑设计等方面提出地基处理施工方法、施工参数及评价方法。韦峰、姚志华[9]等针对黄土高填方地区，为寻求合理的虚铺厚度和冲击遍数，对3种虚铺厚度进行了冲击碾压试验，为同类工程提供技术指导。

综上，前人的研究重点大都着重考虑消除湿陷性，而针对土体内后续水压力的消散过程及地基土应变的研究相对较少。黄土高填方区部分位于原黄土沟谷区，当填土自重固结逐渐完成时，也应注意水位的变化。由于填土夯填改变了原地表径流的排泄渠道，地基土内水位很可能呈上升态势，因此，在填土区的地基处理时应当对地下水的排泄予以考虑，从排水方面减小地基湿陷的可能性。本文以实际案例出发，分析了黄土地基破坏机理，然后采用数值计算方法，分别研究了灰土桩法及砂石桩法加固方案，并对其加固效果进行对比，以期对相似场地的地基处理提供借鉴。

1 案例分析

现以陕北某楼房为研究对象。根据勘察资料，该楼房位于原冲沟区域，经填土夯填压实成建筑场地，最大填筑高度达29m，场地地层剖面如图。楼房共6层，采用条形基础，设计建筑荷载220KPa。基础施工前，根据当地黄土地区处理经验采取了灰土垫层加固处理，垫层厚2.5m。

图1 建筑场地剖面图

场地内填土大部分自重固结已完成，地下水位线近似直线形，在冲沟位置轻微下凹，基底平均地下水位18m。根据勘察资料，场地内填土湿陷已在楼房建设前基本完成。由于地基内填土厚度不均，再加上填土压缩性高，楼房基底整体沉降及差异沉降较大，楼体局部出现裂缝，散水破裂，如图2～3。

图2 建筑楼体裂缝

图3 楼体散水裂缝

采用数值分析手段对上述地基变形进行分析研究，根据文献[10]，Midas gts/nx是一款利用尖端的计算机图形处理和分析技术研发而成的具有全新理念的通用岩土有限元分析软件，在计算分析中具有分析准确、计算迅速等优点，因此本节中采用该软件进行模拟分析，分析模型为二维模型，模型尺寸95m×40m，网格划分如图4。

图4 灰土垫层分析模型示意图

模型内计算荷载为220KPa，基底地下水位18m。模型边界条件分为力学边界及排水边界，网格两侧约束法向位移，底部约束双向位移，两侧及底部设为排水边界。计算参数选取如表1。

表1 模型计算参数

采用固结模块分析，分析阶段分为自重固结、垫层施工、加载荷载及工后稳定等四个阶段，计算结果如图5～图8。

图5 固结完成后后沉降云图

图6 加荷结束后最大剪应变云图

图7 加荷结束后超静孔隙水压力云图

图8 固结过程中渗流量云图

y方向位移云图如图4所示，沉降趋势基本呈正锅底形，在填挖方交界处位移等值线轻微偏移，沉降最大值位于基底中心处，为-19.4cm，基础边缘沉降值为-12.1cm，差异沉降达7.3cm，已远远超过规范[11]中规定的差异限值。在上述沉降条件下，基础上部建筑会由于变形值差异过大发生局部拉裂现象，与调查结果一致。位移计算结果表明，上述场地条件下采用灰土垫层法加固地基并不能有效的控制基底沉降。根据图6，地基土的应变呈半枣核状，应变最大值为1.2cm，位于基底中心处，且主要集中在填土区，基底压力条件下地基土极易发生破坏。

加荷完成时，地基土体内超静孔隙水压力达到最大，最大值为13kPa，位于基底中心地下水位上部。根据图7，超静孔隙水压力等值线整体呈正锅底状，锅底部位整体向高填方区偏移。由于Q2黄土结构较填土更致密，渗透性更弱，因此超静孔隙水压力主要分布于填土区。根据模拟结果，工后100天后超静孔隙水压力基本消散，沉降基本完成。图8为地下水渗流量云图，即超静孔隙水压力消散途径，根据模拟结果，大部分孔隙水向下运移至黄土地基内，少部分向上运移至灰土垫层两侧排出地表。

2 灰土挤密桩法适用性分析

如前文所述，灰土挤密桩在地基加固、消除黄土湿陷性方面具有显著效果，本节仍采用数值模拟手段对此方法的使用效果进行模拟分析。地基模型为二维模型，尺寸同上节设定。根据相关规范和文献[12]～[13]，本次计算中，灰土桩直径0.7m，长9m，桩距3.2m，地基处理范围超出荷载范围两侧一倍桩距，建模分析中考虑了桩间土的挤密作用，具体分析模型如图9。

图9 灰土挤密桩分析模型示意图

本节分析中，模型两侧固定法向约束，底部固定双向约束，地基周界及地表设为排水边界；分析工况按地基初始固结、灰土桩施工、建筑荷载加载依次计算；另外，模拟中考虑了桩体与桩周土体的摩擦作用与端承作用，其作用通过桩界面模型实现，切向刚度与法向刚度参考相关文献的经验方法取值[14]。各项参数如表2、3所示。填土及黄土参数、地下水位及荷载大小均同上节中分析设定。

表2 灰土桩模型计算参数

表3 灰土桩界面参数

计算结果如图10-13所示。

根据图10，经灰土挤密桩加固后，地基沉降最大值位于基底荷载中心处，值为-7.9cm，最小值位于基础边缘，值为-6.2cm，差异沉降1.7cm，小于规范限值。沉降曲线大致呈正锅底状，在桩体部位出现了错折现象，说明灰土桩的桩体作用得到了充分利用 ，此外沉降曲线于填挖部位处出现轻微偏移。地基土最大剪应变如图10所示，最大剪应变主要集中于加固区正下方填土区及桩间土，最大值为0.2cm，与灰土垫层法相比较，本次分析中最大剪应变分布较分散，且值较均匀，说明地基土体尚未达到临界破坏，有足够的安全度。

图10 加荷结束后沉降云图

图11 加荷结束后最大剪应变云图

图12 加荷结束后超静孔隙水压力云图

图13 固结过程中渗流量云图

图12为超静孔隙水压力分布图，最大值为11.8kPa，超静孔隙水压力等值线大致呈椭圆状分布，整体略偏向高填方区域，由于灰土桩孔隙比小，渗透性差，因此桩体内超静孔压明显高于同一高度处的桩周土，孔压等值线出现明显弯折。根据模拟计算，工后90天左右沉降稳定。根据图13，地基土内孔隙水主要向模型上下两个方向运移，加固区内主要通过桩间土向上排泄至地表，桩体内并无明显运移迹象；模型下部自原黄土冲沟边缘至模型边界运移，呈倒锅底状，基底位置排泄量最大。

3 砂石桩法适用性分析

上节分析中，灰土挤密桩加固地基可在一定程度上提高地基承载力，有效减小基底荷载条件下的沉降。由于灰土挤密桩孔隙比小，渗透性差，因此超静孔隙水压力消散极慢，根据工程经验,填土可能具有二次湿陷，因此，地基土的地下水赋存对其后期的沉降稳定影响颇大。砂石桩法除了加固地基土体和减小沉降的作用外，其桩体可作为地下水的排泄渠道快速排出地表，地基土中超静孔隙水压力可在短时间内消散。本节中，采用数值分析方法研究砂石桩法对填土的加固效果。

地基模型尺寸同上节中设定。根据相关规范试算[13]，同时也为与上节中加固效果对应，砂石桩桩径为0.6m，桩长9m，桩距3.2m，分析模型如图14。

图14 砂石桩桩分析模型示意图

表4 砂石桩模型计算参数

该模型约束条件、排水边界、分析工况设定等均同上节中所述。模拟计算中仍考虑桩界面的摩擦与端承作用。各项取值具体如表4、5。

表5 砂石桩界面参数

计算结果如图15～图18所示。

图15 加荷结束后沉降云图

图16 加荷结束后最大剪应变云图

图17 加荷结束后超静孔隙水压力云图

图18 固结过程中渗流量云图

根据图15，经砂石桩加固后，地基沉降明显减小，最大沉降位于荷载中心，为-5.9cm，基础边缘沉降最小，为-4.2cm，差异沉降1.7cm。沉降等值线呈正锅底状，由于填土、黄土压缩性差异，在原冲沟处沉降出现轻微偏移。地基最大剪应力云图如图16所示，地基内最大剪应力整体分布均匀，无较大突变，最大值为0.78cm，位于砂石桩桩底及加固区下部，说明经砂石桩加固后地基内应力分布均匀，且安全度较大。

地基内超静孔隙水压力主要集中在加固区内及加固区下部，如图17，压力等值线整体呈椭圆形，集中在加固区下部，桩间土由于挤密作用孔隙变小，也赋存了一定的水压力，而砂石桩由于其排水作用，并无超静孔压分布。根据计算，30天后，沉降可基本稳定。孔隙水渗流云图如图18，地基内孔隙水主要通过砂石桩排泄至地表，靠近高填方的桩体排泄量略大于低填方区，桩底位置存在孔隙水运移集聚现象。

4 结语

1）以调查案例为分析对象，分析发现灰土垫层并未有效减小基底沉降，荷载中心与基础边缘差异沉降较大，并且超静孔隙水压力消散缓慢，排水渠道较为闭塞，固结时间长。上述条件下造成的建筑破坏与调查成果相符。

2）研究黄土填方区灰土挤密桩方案加固效果。分析发现，经灰土挤密桩处理后，基底沉降最大值为-7.9cm，差异沉降为1.7cm，剪应变分布均匀，最大值为0.2cm。超静孔隙水压力线呈椭圆形，分布于整个加固区，桩内值大于桩间土，孔隙水排泄路径主要为地表和模型底部，工后90天左右沉降稳定。

3）研究黄土填方区砂石桩加固效果。分析发现，经砂石桩处理后，基底沉降最大值为-4.2cm，差异沉降1.7cm，剪应变分布均匀，最大值为0.78，地基可靠度仍处于安全范围。超静孔隙水压力主要分布于加固区下部，桩间土赋存少许，由于砂石桩孔隙大，排水顺畅，因此桩身内无超静孔隙水压力聚集。孔隙水主要通过砂石桩排泄至地表，工后30天沉降稳定。

上述研究表明，在黄土填方区，灰土挤密桩和砂石桩加固方案均可采用。若地基内地下水位较深，孔隙水不富集，那么两种方案均可达到减小沉降、加固地基的目的；若地基内地下水较浅，地基容易容易遭受水害时，采用砂石桩更为合理。