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'大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理技术的探讨-273·薛杰军(水利部陕西水利电力勘测设计研究院)摘要本文通过深人分析陕、甘、宁、青等省若干个湿陷性黄土场地预浸水处理的有关资料，结合宁夏扶贫扬黄工程十一泵站地基预浸水处理设计、施工、观测等工作，对大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理技术提出了自己的一些认识，为类似工程地基处理方案的正确选择提供了一些经验。关键词黄土自重湿陷性预浸水宁夏扶贫扬黄一期工程，包括红寺堡灌区工程、固海扩灌灌区工程和水源工程三部分。灌区引水流量37．7m’／s，设计灌溉面积8．67万hm"，年用水量5．1亿m3，计划搬迁安置移民67．5万人。在国家计划发展委员会下达的1999年国家重点建设硬目名单中，宁夏扶贫扬黄灌溉一期工程已列为国家102个重点建设项目之～。固海扩灌灌区水利骨干工程有主泵站12座，其中Ⅳ级自重湿陷性场地约占1／3，由我院承担的十、十一泵站地处清水河兰级阶地，根据施工图阶段地质报告：十泵站场地湿陷性土层厚达25m，十一泵站场地湿陷性土层厚达36m，对于如此大厚度的湿陷性黄土地基，若设计处理措施不当，势必产生有害沉降，影响建筑物的正常使用，给国家带来重大经济损失。因此在本次泵站设计中地基处理显得尤为重要。根据本工程有关特点。地基处理方法采用预浸水处理。由于目前预浸水处理地基对于处理大厚度自重湿陷性黄土应用还不很成熟，预浸水处理地基的耗水量、湿陷量、停水条件、稳定标准及处理后地基的压缩性和承载力等一系列问题有待于进一步研究，因此对于其研究显得意义重大。一、目前的研究现状笔者对以上I司题进行了大量的资料收集，综合陕、甘、宁、青等省若于个湿陷性黄土地基预浸水处理的有关资料，概述其成果如下：1．1浸水坑面积大小对自重湿陷量的影响根据试坑浸水试验结果表明：面积较大的试坑具有较大的白重湿陷量，面积相近的试坑，其湿陷量基本相近，试坑的形状对湿陷量影响较小。当浸水坑尺寸大小等于湿陷性土层厚度时，由于消除了侧边土阻力的影响，方可使自重湿陷充分发生，即试坑的最佳尺寸应等于湿陷土层的厚度且不小于lOm。1．2土体湿陷开始时问、湿陷高峰出现时间根据试坑浸水实验成果显示：面积较大的试坑，其湿陷速率要比面积较小的试坑为快，土层湿陷速率的峰值一般出现在浸水后的第2-3昼夜。此前，由于水的浸入深度逐渐加大，土的加固性结构逐渐破坏，故湿陷速率逐渐加快；此后，由于土又不断密实，深层浸水的影响相对较小，湿陷速率又逐渐减小，喜至达 ·274·中国水利学会2003学术年会论文集到稳定或缓慢的蠕变变形。1．3湿陷量、耗水量与浸水时间的关系根据有关资料，浸水时间愈长，耗水量愈多，湿陷量亦愈大，但湿陷速率却愈来愈小，昼夜单位面积耗水量亦逐渐减小。1．4坑外变形特征及浸水影响范围根据有关资料，试坑在浸水1-2昼夜时，坑边向外0．3一lm处出现第一道环形裂缝，随后在外围相继出现新的裂缝。裂缝呈同心圆状分布，最外边处的裂缝距坑边的距离约等于试坑的直径。二、十一泵站预浸水概况2．1站址地质概况十一泵站站址位于固原县张堡二队南侧，地处清水河三级阶地中部；地面平坦开阔，高程1532m，勘探竖井深41m，未见地下水位，据民井调查地下水位埋深大于60m。勘探深度范围内的地层由上到下分为两层，上部黄土、下部壤土。从室内土工实验资料分析可看出，黄土属自重湿陷性土，壤土属非湿陷性土，湿陷性黄土层厚36．5m，地表向下0—18m，土层的一般湿陷系数6B=0．03—0．07，属中等湿陷性土；地表向下18—36．5m，土层的湿陷性系数88<0．03，属轻微湿陷性土’_湿陷性土层的下限高程1495．51m。在200kPa压力下的最大湿陷系数为0．11，饱和土自重压力下的最大蛊重湿陷系数0．068。最大总湿陷量大予140．46cm，最大自重湿陷量115．68era。据《湿陷性黄土地区建筑规范)GBJ25—90评价，该场地为自重湿陷性场地，湿陷等级lⅡ一Ⅳ级，湿陷程度严重一很严重。2．2预浸水处理设计(1)预浸水处理范围：处理范围包括泵站主副厂房、前池及1’镇墩，浸水坑按大于基础四周5m，边长按不小于需处理的湿陷性黄土层厚度做控制。：(2)砂井设置：依据地质报告，十一泵站湿陷土层厚度为36．5m，为加速土层湿陷，根据《泵站施工规范》，设计采用表层水畦泡水(水畦中明水深度为0．3一lm)和深层浸水孔相结合的方式。深层浸水孔间距为2m，孔径为100—150ram，孔深为26m(需浸水土层深度的3／4)，孔内填人碎石或小卵石。(3)沉降观测要求：浸水后第1—5d，每天观测2次；第6—30d，每天观测1次；第30—45d，每2d观测1次；第45d以后，每5天观测1次。2．3预浸水处理施工与观测。：(I)浸水：十一泵站于6月25日作好了浸水前的一切准备工作，并进行了试浸。6月26日上午9：00正式开始浸水。注水5d后，坑面全部覆盖，并于次日坑内保持5一lOcm水头。浸水第7日(7月2日)，坑内水头达30era。除6月28日下雨，不能拉水，坑内水位下降较大外，一般情况下，坑内水面均能保持30—105em的水头。供水情况基本正常。十一泵站2001年12月5日停水，浸水天数共计162d。(2)沉降观测：十一号泵站地基浸水处理观测224d(浸水观测162d，停水后观测62d)，分别对浸水坑内外点的沉降按设计要求进行了观测。观测结果：十一号泵站停水前，坑内沉降量127．5—188．6em，平均 大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理技术的探讨-275·167．7cm,坑外沉降量随着距坑边距离的增大，沉降量由大变小至零，最大值155．1cm；停水后，坑内沉降量16．2．85．3era。平均47．3era，坑外沉降量16．8cm。浸水前后累积沉降量：坑内163—261．1em，平均215．1cm。坑外沉降量最大值169．2cm。(3)水量观测：十一泵站注水2001年6月26日开始，2001年12月5日结束，共计浸水162d。总注水量124043m3。(4)停水条件及稳定标准：根据沉降观测结果，8月底(浸水约65d)以前的沉降较大，9月底(浸水约95d)，沉降一般为2．5mm／d，此后至停水(2001年12月5日)的这段时间，坑内点的沉降量基本在2．Omm／d左右缓慢减小，随浸水时间的增加，沉降量有减小之趋势，但不十分明显，不能满足《湿陷性黄土地区建筑规范)GBJ25—90的稳定标准。三、预浸水处理观测结果分析3-1湿陷量与浸水时间的关系试坑浸水0—5d，浸水坑用水量较大，车拉供水不足，沉降量较小，一般小于5cm。浸水6—45d，浸水坑面全部浸水，并能保证30era以上的水头，湿陷量增大，达120cm。此阶段累计湿陷量已达总湿陷量的50％左右。46d至停水前，湿陷量一时间关系曲线又趋平缓，直至沉降相对稳定。停水期间，湿陷量变化特征与浸水期的表现极为相似，仅仅是湿陷量相对较小而已。3-2湿陷速度的变化特征浸水初期，湿陷速度一般小于lOmm／d，第6—45d，湿陷速度最快，45d之后，湿陷速度逐渐减小，直至沉降稳定，10月底(浸水约125d)，沉降为2．5mm／d，此后至停水(2001年12月5日)的这段时间，坑内点的沉降量基本在2．Omm／d左右缓慢减小，随浸水时间的增加，沉降量有减小之趋势，但不十分明显。停水后10d左右，湿陷速度出现停水后的峰值，达30～40mm／d，此后又变小，渐趋稳定。3．3总耗水量、每昼夜耗水量—浸水时间关系总耗水量一浸水时间成正比关系。本次供水采用汽车拉水、管道送水两种方法，每昼夜耗水量受人为因素影响较大，总的趋势是：浸水初期，用水量大，耗水量不稳定；浸水后期，用水量变小，耗水量稳定。具体情况是：十一号泵站浸水162d，总耗水量124043m’。该泵站实际浸水面积比理论面积大，这主要是由于浸水坑边塌陷沉降，坑边局部部位也被浸水，其单位面积耗水量约为33．6t／m2。3．4坑外地面变形特征随着自重湿陷的产生，在浸水坑周围陆续出现环形裂缝，随着浸水时闯的增加，裂缝发展呈“缓—快一缓一闭合”之趋势。浸水初期，裂缝发展较缓；浸水25—40d左右，裂缝发展最快、最明显；以后又变缓，新裂缝在继续出现，最先出现的部分裂缝渐渐闭合。裂缝出现部位距坑边最大距离约45m，在浸水坑西侧。3．5处理效果检验与评价十一泵站在停水约4个月之后，现场布置探坑3个。探坑深度13m(自坑底面以下)，在探坑深度范围内每米取样1件，进行室内常规土工试验。探坑开挖后发现，十一泵站停水4个月之后，13m以下的土层 ·276·中国水利学会2003学术年会论文集仍呈饱和状态，不能取样。根据土工试验结果，其饱和自重压力下的自重湿陷性系数(8zs)一般均小于0．015，计算自重湿陷量Azs=1．9era，小于7cm。200kPa压力下的最大湿陷系数(8)一般也小于0．015，计算总湿陷量A=6．0em。湿陷性基本消除。浸水处理后的十一号泵站场地土层，呈中—高压缩性，以中压缩性为主。其承载力标准值为130—150kPa。经计算，十一泵站基底压力设计值为P=11．4ffm2。依据《建筑地基基础设计规范》(GBJ7—89)，地基承载力设计值为f=22t／m2。因为p≤f，所以地基是稳定的。四、大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理技术的见解4．1沉降变形稳定标准关于沉降变形稳定标准，《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25—90)及《泵站施工规范》(SL234—1999)的规定为：浸水时间以全部自重湿陷黄土层湿陷性变形稳定为准，其稳定标准为最后5d的日平均湿陷量应小于1mm。十一号泵站地基浸水观测162d。停水前坑内点最后5d的日平均沉降量基本在2mm／d左右，随浸水时间的增加，沉降量有减小之趋势，但不十分明显，不能满足规范要求的稳定标准。笔者通过对青海、甘肃、陕西等地有关预浸水资料的查阅后认为，规范编制时所收集的预浸水试验场地湿陷性黄土层厚度大多为10—15m以下，沉降变形稳定的浸水时问大多为50-80d左右，对于本工程自重湿陷性黄土层厚度达36m，若按规范执行，势必延长工期，加大施工费用。通过浸水后场地的土工试验结果可以看出，十一号泵站场地浸水处理后，在饱和自重压力下、200kPa压力下的湿陷性基本消除。、主要是因为土体含水量大，压缩性高，承载力低，这与泡水时间长，晾晒时间短有直接关系。因此笔者认为：对于大厚度自重湿陷性黄土场地，《湿陷性黄土地区建筑规范》(GBJ25—90)及《泵站施工规范》(S1，．34—1999)中关于自重湿陷黄土层湿陷性变形稳定标准，最后5d的日平均湿陷量应小于lmm的规定有待进一步研究。4．2从浸水至下沉稳定所需的时间通过对大量资料的查阅，当湿陷性黄土层厚度为lO一15m以下时，沉降变形稳定的浸水时间大多为50—80d左右。对于本工程自重湿陷性黄土层厚度达36m，地基浸水观测162d，停水前坑内点最后5d的日平均沉降量基本在2．0mm／d左右，仍不能满足规范要求的稳定标准。因此对于大厚度白重湿陷性黄土场地，从浸水至下沉稳定的时间不能参照以往有关书籍的介绍，错误地估计为∞～90d，这样估计势必带来错误的工期安排。4．3总耗水量通过对大量资料的查阅，当湿陷性黄土层厚度为10—15m以下时，从浸水至湿陷稳定的总耗水量平均为5—10∥m2。对于本工程自重湿陷性黄土层厚度达36m，未达湿陷稳定的总耗水量为33．6∥m2。因此对于大厚度自重湿陷性黄土场地，从浸水至湿陷稳定的总耗水量不能参照以往有关书籍的介绍，错误地估计为10—20t／m2，这样估计势必带来错误的设计方案及投资估算。4．4停水后土体含水量变化与时间的关系停水后由于土中水的自由下渗，土体含水量逐渐降低。根据兰州龚家湾的实测结果，停水1个月后，含水量为25％左右；停水6个月后，含水量为20％左右；停水1年后，含水量为15％左右。根据本工程实测资料，十一泵站停水4个月后，13m以内土体含水量为15％一25％左右，13m以下土体含水量呈饱和状 大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理技术的探讨·277·态。因此对于大厚度自重湿陷性黄土场地，停水后土体含水量变化与时间的关系，虽然呈逐渐降低，但降低的快慢差异很大，若按常规的经验指导设计或安排工期，势必造成错误的设计方案或工程投资的增加。五、结语预浸水法一般适用于湿陷性黄土厚度大，湿陷性强烈的自重湿陷性黄土场地。此法用水量大，工期长。处理lm2面积需用水5—30r。一个场地从浸水起至下沉稳定及土的含水量降低到一定要求时所需的时间，至少需要1年左右。因此，预浸水只能在具备充足水源，又有较长施工准备时间的条件下才能采用。笔者根据十、十一泵站地基预浸水处理设计、施工的经验，认为大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理应注意的主要问题为：(1)尽快实施预浸水处理施工，以便为停水后土体含水量的降低提供充足的时间，以提高地基的承载力，减小地基的变形量。(2)对大厚度自重湿陷性黄土预浸水处理所需的总耗水量，沉降变形稳定标准，从浸水至下沉稳定所需的时间，停水后土体含水量变化与时间、承载力、压缩性的关系等应有一个清醒的认识。参考文献[1]湿陷性黄土地区建筑规范．中国计划出版社，1991[2]刘祖典．黄土力学与工程．陕西科学技术出版社，1997'