吕清显

（中铁建设集团有限公司，北京 100040）

0 引言

湿陷性黄土是一种非饱和的欠压密土，在天然湿度下，其压缩性较低、强度较高，但遇水浸湿时，土的强度显著降低，在附加压力或附加压力和土的自重压力作用下产生湿陷变形，其变形对建筑物会产生危害。为防止或减小湿陷性黄土湿陷变形的影响，对地基基础一般采用三种措施应对：①消除地基的全部或部分湿陷量；②将基础设置在非湿陷性土层上；③采用桩基础穿透全部湿陷性黄土层［1-2］。

湿陷性黄土地基处理方案多采用垫层法、强夯处理法、挤密法、预浸水法、组合处理（CFG桩+强夯等组合）等，也可采用桩基基础形式。

国内湿陷性黄土地基处理工艺经过近几十年的发展，已非常成熟。强夯地基处理施工工艺在国内使用较多，强夯地基处理根据工程特点对夯击能、处理深度、夯锤面积等受地基土的干重度、渗透系数、压缩性等影响较大，处理后地基承载力采用静力触探法测量结果同静载试验结果相差不大［3-5］；强夯处理后判别黄土湿陷性消失的指标应该参考压实度、承载力等指标的大小科学判别［6］；CFG桩+强夯处理的承载特性较差及含有腐蚀性的湿陷性黄土更有利于地基承载力和提高施工效率［7-8］。

近年来，刘松玉等［9］提出了气动振杆密实法处理湿陷性黄土地基的施工工艺，此方法借鉴液化土处理工艺，将振动杆插入土中采用一定的频率振动，达到土体密实的效果且具有节能环保、经济高效的优点。赵治海等［10］对渣土挤密桩和灰土挤密桩进行对比分析，渣土挤密桩作为新型挤密材料对提高湿陷性黄体承载力和消除湿陷性起到良好效果，但灰土挤密桩挤密效果优于渣土挤密桩。

灌注桩桩基础对处理湿陷性黄土也能起到良好效果，张磊等［11-13］对湿陷性黄土中灌注桩浸水后承载力特性和负摩阻力时效性进行研究发现浸水后虽有负摩阻力产生，但桩身轴力最大处仍发生在桩顶，桩的负摩阻力随时间的增长而增大，但增长速率逐渐减小，最终趋于稳定值。

本研究基于济南某EPC项目为例，在设计阶段对湿陷性黄土地基处理设计方案进行技术、经济比选，旨在选择最佳的地基基础方案，且本工程为EPC项目（固定总价项目），便于此项工作的研究开展。

1 工程概况及地质条件

1.1 工程概况

本项目总建筑面积为5.26万m2，主要有10 F职工宿舍2栋，结构形式为框剪结构，高度为36.1 m；1栋3 F职工食堂，结构形式为框架结构，高度为13.3 m，3 F小型标准厂房6个，结构形式为框剪结构，高度为13.3 m。

1.2 地质条件

本工程场地地基土在勘察深度内可划分为9层（含3个亚层），由上而下依次为：①耕土（Qpd）；②黄土状粉质黏土（Q4al+pl）；③粉质黏土（Q4al+pl）；④黏土（Q4al+pl）；⑤黏土（Q3al+pl）；⑤-1碎石（Q3al+pl）；⑥含碎石粉质黏土（Q3al+pl）；⑥-1碎石（Q3al+pl）；⑥-2黏土（Q3al+pl），典型地质剖面图如图1所示，各土层岩土工程力学参数如表1所示。

表1 土层物理力学指标表

图1 典型地质剖面图

场区黄土为非新近堆积黄土，②层黄土状粉质黏土湿陷系数随深度加深而逐渐减小，湿陷起始压力随深度加深而逐渐增大，依据《湿陷性黄土地区建筑规范》（GB 50025—2018）中4.4.1和4.4.2条判定［2］，场地内②层黄土自重湿陷系数均小于0.015，其自重湿陷量为0，为非自重湿陷性黄土，湿陷程度为轻微～中等。经过计算该层总湿陷量平均约为192.75 mm，小于300 mm，根据规范判定湿陷等级为Ⅰ级（轻微）。表2为本工程TK1试验土坑测得的湿陷系数和累计湿陷量，可以看出黄土状粉质黏土湿陷系数均大于0.015。

表2 TK1湿陷系数和累计湿陷量表

1.3 水文条件

场区地下水按含水介质类型划分为第四系孔隙水，按埋藏条件划分为潜水，地下水水位埋深7.20～8.50 m；水位标高28.97～29.08 m，平均29.02 m。场区水位变化受季节影响明显，年水位变化幅度约2.00 m。

2 拟采取的地基处理方案研究思路

②黄土状粉质黏土分布范围广，设计阶段现场局部已挖出，其湿陷系数δs=0.015～0.045，湿陷起始压力为77～172 kPa。该层为Ⅰ级非自重湿陷性地基，湿陷性轻微～中等。

对职工宿舍楼（10F）基础形式确定时，通过结构验算，负一层柱底轴力大小约为4 000 kN，要求基础底范围内土层地基承载力特征值达到200 kPa，勘察单位综合考虑其地区成熟施工经验、基础埋深、上部荷载、水文土质情况，建议采用钻孔灌注桩形式，桩身自上而下穿越黄土状粉质黏土、粉质黏土、黏土、碎石等，桩端进入含碎石粉质黏土，钻孔灌注桩穿越湿陷性黄土。

EPC工程总承包方经过多方研究比选，认为对②黄土状粉质黏土层若进行强夯法处理后，地基承载力和变形能够满足职工宿舍楼（10F）基础要求。强夯地基处理是能够有效处理湿陷性黄土地基的处理形式，不仅能够有效消除湿陷性黄土的湿陷性，而且通过冲击振动能量可显著提高土层的承载力并降低压缩性。

因此，为保证10F职工宿舍地基基础形式设计施工技术可行、成本合理、节约工期等方面内容，下面对以上两种方案进行详细对比。

3 钻孔灌注桩基础

3.1 钻孔灌注桩技术分析

勘察单位根据本场区的岩土工程地质条件及职工宿舍楼（10F）上部结构特点，考虑经济性、可靠性及桩端受力层的要求，结合附近区域建筑经验及场地地下水的影响，桩基类型选择为钻孔灌注桩，受力类型为端承摩擦桩。钻孔灌注桩桩端、桩侧摩阻力标准值如表1所示。

现行桩基规范［14］关于单桩竖向极限承载力标准值Quk公式（5.3.5）为式（1）。

结合职工宿舍楼（10F）上部荷载传递至桩顶竖向承载力标准值大小及土层情况，本工程初步设计桩径为0.6 m，有效桩长为15 m，通过结构模型整体验算，共计约1 200根。

综合分析，职工宿舍楼（10F）基础形式采用桩基础形式在技术上可行，不需要对湿陷性黄土进行处理，且承载力高变形小，结构整体安全性提高；但不足之处需要提前制备泥浆，泥浆用完后需要排污不利于绿色施工。

3.2 钻孔灌注桩经济分析

结合本工程地质情况及桩基础设计参数，初步对桩基础进行经济测算，测算表如表3所示，经济测算时为便于计算，仅考虑人材机单价且为济南当地定额价，未考虑管理费、利润、税金、规费等，以下经济测算均遵循此原则。

表3 桩基础经济测算表

可知职工宿舍楼（10F）桩基础总造价为741.98万元。

3.3 钻孔灌注桩工期分析

根据本工程地质条件以及施工工艺等方面要求，施工完成1 200根灌注桩需要约45 d时间，考虑进行桩检试验等约25 d，因此钻孔灌注桩施工工期约70 d。

4 强夯法地基处理基础

4.1 强夯法地基处理基础技术分析

EPC工程总承包方经过多方考察发现场区内黄土状粉质黏土承载力较好，本场地位于济南东侧紧邻章丘区，本工程周围无重要建筑物、道路和管线等，周围无居民区，适合采用强夯地基处理方式。

根据黄土状粉质黏土土层厚度、湿陷等级、上部荷载等条件结合规范要求，对职工宿舍楼（10F）范围内的土层处理深度不小于6 m，强夯时单击夯击能初步定为3 000 kN·m，两夯之间间距为4.2 m，夯锤直径大小为2 m，强夯采用2～3遍夯。也可按现场试夯得到的夯击次数和夯沉量关系曲线确定，并应同时满足下列条件：①最后两击的平均夯沉量不宜大于50 mm；②夯坑周围地面不应发生过大的隆起；③不因夯坑过深而发生提锤困难。

强夯处理范围应大于建筑物基础范围，每边超出基础外边缘的宽度宜为基底下设计处理深度的1/2，并不应小于2 m。

综合分析职工宿舍楼（10F）地基处理采用强夯处理形式在技术上可行，处理后可消除黄土状粉质黏土的湿陷性，也可显著提高黄土状粉质黏土层地基承载力，基础可直接坐落在该层。

4.2 强夯法地基处理基础经济分析

结合强夯处理土层深度、夯击遍数、强夯范围等设计参数，初步对强夯处理进行经济测算，测算表如表4所示。

表4 强夯处理经济测算表

可知职工宿舍楼（10F）强夯地基处理总造价为64.46万元。

4.3 强夯法地基处理基础工期分析

根据本工程所处周围环境及强夯处理面积，强夯施工工期共计需20 d，强夯地基检测时间（包含重型圆锥动力触探、平板载荷试验及黄土湿陷性试验）需24 d，因此强夯地基总施工周期约44 d。

5 最终方案及处理效果

综合以上内容，进行如下分析。

①桩基础和强夯地基处理在技术上均能满足职工宿舍楼（10F）现场设计施工要求，综合比较后强夯地基处理施工相较于钻孔灌注桩显著提高地基承载力，减小地层变形，且场地开阔，周围无居民区适合采用强夯处理。因此职工宿舍楼（10F）在技术上推荐使用强夯地基处理方式。

②在经济方面，桩基础总造价远高于强夯地基处理，超出677.52万元，因此在经济对比方面也优先选用强夯地基处理，节约总造价。

③在工期方面，强夯地基处理相较于钻孔灌注桩节约工期26 d，显著缩短了施工周期，为主体结构等后续分项工期留足时间，因此强夯地基优于钻孔灌注桩。

最终确定强夯法地基处理。经过强夯地基处理后进行平板载荷试验和重型圆锥动力触探试验［15］，最终测得该层地基承载力特征值均大于200 kPa。图2为强夯地基处理后平板载荷试验曲线图，计算出承载力特征值为210 kPa，表5为重型圆锥动力触探N63.5承载力计算表，可知重型圆锥动力触探试验测得承载力特征值大小为214.72 kPa，以上两种试验测得的结果均满足设计要求，对承载力特征值提高约40%以上。表6为对强夯处理后黄土状粉质黏土湿陷系数进行的试验数据计算表，最终累计湿陷量为39.75 mm（按照规范可均不需要计算湿陷量），小于50 mm，湿陷系数均小于0.015，因此湿陷性得到很好的处理效果。

图2 平板载荷试验P-S曲线图

表5 重型圆锥动力触探N63.5承载力计算表

表6 TKJ湿陷系数和累计湿陷量表

6 结论

①钻孔灌注桩能够应用于湿陷性黄土地基，使用时无须考虑消除湿陷性，且承载力高、沉降小，结构整体安全性提高；但其造价、高施工周期长，应该根据工程实际情况综合考虑选用。

②常规情况下强夯法处理湿陷性黄土可显著提高地基承载力，且提高幅度较大，能够消除土层湿陷性，在类似本工程地质条件和周围环境下是一种经济、有效、便捷的地基处理方法，若工程处在闹市区，本工程不适用。

③本工程中钻孔灌注桩未显现其技术、经济效能。究其原因，本工程为1层地下室，埋深较浅，场地无较好端持力层，且侧摩阻力较小，因此钻孔灌注桩桩长度较长，不经济，泥浆排放造成环境污染不利于绿色施工。

④在设计阶段进行基础方案比选是有必要的，选择一种适用的方案，能够显著改善工程工艺品质，降低工程造价，节约工期。