东疆窝状湿陷性粉土成因及工程应用探讨

东疆窝状湿陷性粉土成因及工程应用探讨

陈林红

哈密建筑勘察设计院（有限责任公司）， 新疆哈密 839000

摘要：在东疆地区，尤其是哈密地区，零星分布有湿陷性粉土，湿陷性特点表现为非自重、湿陷等级轻微，通过对其成因及特点的分析，基本掌握了该湿陷性土层的工程特性。其作为建筑地基时应根据建筑结构特点分别采取不同的地基础方案及措施，以达到因地制宜，因物制宜，减少资源浪费的目的。

关键词：湿陷；窝状；非自重；轻微；地基处理

引言：在我国版图的西北地区，零星分布有湿陷性土层，湿陷性土层种类多，规律性差，工程特性差异较大，给各类建构筑物的施工带来不同程度的困难，由于湿陷产生的建构筑物破坏也屡有发生。现就针对东疆地区的湿陷性土层成因及其对工程的影响做一些探讨。

2. 东疆窝状湿陷性粉土概况

东疆泛指吐鲁番地区及哈密地区地理位置处于新疆的东部，从河西走廊末端过嘉峪关、敦煌后，即进入哈密盆地，是为东疆。

现就对哈密地区湿陷性粉土的分布范围、概况做简单的梳理。东疆位于天山山脉东段末端，山势走低，平原开阔，冲洪积形成的平原地区第四纪覆盖层的分布特点明显，一般近山脚为漂石层，向前（向南）5~30公里范围多为卵石地层，再向前颗粒逐渐变细，过渡为圆砾、中粗砂、粉细砂。到距离山脚约35~40公里处多为绿洲，地表覆盖为粉土或黏性土。

根据笔者多年来的岩土工程勘察经验，东疆尤其是哈密地区的湿陷性粉土多分布于市区北侧312国道以南、北环路以北的狭长地带，南北宽度约两到三公里。从地貌上来看，属于冲洪积平原中下部绿洲的上缘部分。另外在天山北麓也有零星分布。

湿陷性土层垂直分布深度一般3~5m，偶尔在6~7m深度可见。土层呈现出暗灰色、多孔隙、较低干密度、韧性差、含砂等特点，野外鉴别率可达80%以上，土层分布范围内多见粉细砂或中砂透镜体，局部黏粒含量较大，则表现为非湿陷性。

图1 哈密市北郊窝状湿陷性粉土范围示意

3. 形成机理分析

由于哈密地区窝状湿陷性粉土分布特征较明显，因此为我们分析它的成因提供了很好的便利。第四纪全新世土层形成的最主要最直接的原因就是水，水流的携带作用和沉积作用，高山岩石风化后，被洪水冲击向下游移动过程中不断磨蚀分解，随着水流动能的减少，大颗粒就地沉积，更细的颗粒向更远的地段搬运。

哈密窝状湿陷性粉土分布带位于哈密绿洲上缘，地势开阔平坦，平均纵坡坡降约0.7~1.0%，这样的坡度使水流趋缓部分粉粒和黏粒沉降沉积下来，然而该条带东西向面宽较大，长达数十公里，因此水流较为分散，水流方向随时改变。水流动能的下降导至细粒土的沉积，水流方向的变化导至沉积平面分布的不连续和厚度的不均匀。然而，接近1%的坡度虽使水流速度趋缓却仍流速较快，以至于细粒土沉积时间较短，沉积固结作用不充分，同时东疆属于内陆干旱性气候，强烈的蒸发会导致土体中水分快速逸散，尤其是在无地表水补充的情况下。土层中水分逸散过快，土层处于非饱和状态，从微观上来说，由于过早的缺失了水分子对粉粒或黏粒的内在张拉力和融合力，使得土层沉积不充分，土体孔隙偏大、干密度较小，土体颗粒之间不能形成全方位的充分接触，反而表现为多粒之间的‘传递接触’或‘环状接触’，而不能形成更稳固的球团状接触。可以将‘传递接触’看作是‘环状接触’的单元体。

1、传递接触 2、环状接触

图2 土颗粒接触形态

以上图例为土颗粒不同接触形式的平面化示意图，颗粒之间存在明显空隙，而当颗粒之间形成多面充分接触（球状接触）时，结构稳定性将显著增强。

而湿陷性的产生恰恰就是水重新进入土体颗粒之间，在接近饱和状态时，土体的不稳定结构之间的土颗粒在水分子的作用下，发生位置改变重新排列挤密的过程，宏观上即表现为‘湿陷’。

由于不同时期降雨量大小的变化可能导致上一时期形成的土层局部被冲蚀后由砂土等较粗颗粒沉积充填，因此而导至土层中的砂透镜体较多，客观导致了该湿陷性粉土层的窝状分布特点。

4. 东疆窝状湿陷性粉土的特点

在粗略分析了东疆窝状湿陷性粉土的成因之后，再来分析归纳一下土体自身的特点。

3.1 分布的相对集中性

其形成的原因之一（地貌特点）决定了湿陷性粉土分布的相对集中性，即多分布于冲洪积平原绿洲的上缘，呈条带状展布。

3.2 窝状分布

在条带状分区域内，近地表土层并非全都具有湿陷性，而是呈现块状、窝状分布，通过对多个工程项目的土工试验结果进行统计分析，一般来说，同一层土具有湿陷性的土样占比约为70~80%（个别项目不到50%），也就是说，在同样的地貌单元内，同样深度范围内的近似土层并非完全具有湿陷性，形成事实上的窝状（不连续）分布。

3.3 非自重性

自重湿陷性黄土一般有两种成因。

其一以风成为主，即沉积过程中受风的影响较多，水的作用较少，因此沉积过程中固结不充分，颗粒间排列无规律，结构松散，干密度很低，遇水后即表现出颗粒的重新排列，即在自重作用下即可产生沉降变形。

其二为水流沉积，一般场地地貌坡度较大，水流停留时间较短，并且位于干旱地区，蒸发强烈，土颗粒沉积后水分迅速逸散，骨架颗粒来不及排列到稳固形态，形成具有自重湿陷性的土层。

显然，哈密绿洲上缘的分布带不具备上述两种自重湿陷性黄土的形成条件。因此主要表现为非自重湿陷。

3.4 湿陷性程度较低

根据大量已有工程经验和试验数据可以发现，该区域湿陷性粉土的湿陷程度多为轻微~中等，湿陷系数多位于0.015~0.050之间，湿陷性程度较低。

3.5 湿陷等级较低

一方面由于湿陷性程度较低，湿陷系数较小；另一方面由于该湿陷性土层厚度相对较小，一般自地表算，湿陷性土层层底深度3.0~5.0m，最大埋深也就6.0~7.0m。因此在绝大多数情况下，计算出来的湿陷量满足△s≤300mm，湿陷等级为I级（轻微）。

5. 地基方案

针对湿陷性黄土地基的处理方法有很多，相对也都很成熟。就东疆地区来说，常用的处理方法有以下几种：

4.1 强夯法

对拟处理的场地浸水后，采用相应的夯击能进行强夯处理，由于哈密地区窝状湿陷性粉土层厚度有限，因此，一般采用的夯击能为3000kN·m左右，有效处理深度约5m，基本可以达到预定的处理效果。但由于项目规模一般较小且较分散，加之强夯施工的诸多环境限制条件，真正实施的项目数量不多。

4.2 换填垫层法

将地基影响深度范围内的湿陷性土层挖除后换填垫层，以达到消除地基湿陷性并适当提高地基承载力的目的。

影响垫层设计厚度的主要因素有两个：一是基底以下湿陷性土层的厚度，这也是主要控制因素；二是垫层承载力提高幅度，通常来说垫层厚度多为1.0~2.0m，既便于施工、合理控制地基处理费用，又达到了可以适当提高承载力的目的。

垫层材料一般为素土或灰土，这也是《湿陷性黄土地区建筑标准》上推荐的材料和方法，但随着工程经验的积累和工程实践的发展，在部分场地的中低层建筑采用了天然级配的碎石土作为垫层材料，工程效果很好。

通过对各项目特点的总结分析，在东疆窝状湿陷性粉土区域采用碎石土作为垫层回填材料有几个先决条件：

其一，湿陷性土层厚度较小，一般可以全部挖除或残余湿陷量小于50mm；其二，区域降水量小且环境使用过程中用水量小，也就是地基受水浸泡的可能性小。

使用碎石土作为垫层材料有以下几个优点：

（1）原材料易得，西北内陆干旱地区的茫茫戈壁滩可以提供大量优质的天然级配碎石土（在环境保护要求允许的范围内开采）。

（2）施工工艺简洁、成熟。

（3）质量易控制、工期短。

（4）处理后地基承载力高、变形小。

4.3 天然地基

根据已有经验，在满足下列特定的条件时，可以考虑直接采用天然地基而不需进行地基处理。

（1）土层分布相对较为均匀，厚度变化不大。

（2）非自重湿陷场地，湿陷等级为I级轻微，湿陷量小于150mm。

（3）湿陷起始压力不小于100kPa。

（4）对沉降不敏感的多层建筑。

（5）做好管沟的防水防渗措施。

5、工程实例简介

现就历年来在哈密窝状湿陷性粉土区域内完成的不同地基方案项目做一个简要的对比分析。

5.1 卧龙山庄别墅区：2010年完工，多为两层独栋或联排别墅，采用了强夯法处理地基，从浸水到强夯完成，大约历时40~50天，处理后取原状样判别孔隙比有明显减小（处理前孔隙比平均值约为0.90，强夯后孔隙比约为0.75），湿陷性基本消除。建筑竣工后未出现由地基沉降引起的变形。

5.2 哈密龙宾小区：2009年完工，为5栋6层砖混结构住宅楼，基础埋深约2.2m，采用的天然地基，持力层为具有轻微湿陷性的粉土层，承载力特征值采用的f_ak=140kPa，基础未进行特殊防水处理，项目使用至今已超过十年，状况良好，未见地基不均匀沉降。

5.3 天悦湾小区：2010年至今持续建设中，多数建筑为多层砖混住宅楼，初期多采用的灰土垫层，处理后承载力特征值取200~220kPa。随着工程经验的积累和对区域土层工程特性掌握越来越详细，在控制残余湿陷量的前提下逐渐采用碎石土作为换填垫层的材料，在工程实践中取得了良好的质量和经济效益。采用碎石土更加易于控制垫层施工质量，处理后的地基承载力更高，在含泥量2~4%的情况下，通过现场浸水试验，发现碎石土垫层的透水性并不很强，也能起到相对隔水层的作用，垫层底部残余湿陷性粉土发生湿陷的概率极低。

不同地基方案对比分析表 表1

6、结论

6.1东疆窝状湿陷性粉土形成的原因有以下几点

（1）0.5~1.0%的地形坡度；

（2）水流量和水流方向的变化；

（3）干燥的气候，蒸发迅速。

6.2通过对实际工程应用中对窝状湿陷性粉土层的处理方法的总结对比，可以看出在一般多层建筑浅埋基础的情况下，应合理利用该层湿陷性粉土，在保证工程质量安全的前提下充分发挥自然优势条件，包括利用土层本身的工程特性及换填材料的优越性。

碎石土垫层地基在该区域具有较为明显的应用优势，应在质量可控、环保允许的前提下予以推广，通过不断的实践总结分析，应逐步明确采用碎石土垫层的下卧层残余湿陷量界限、起始压力范围、以及垫层的含泥量。这也将是我们接下来研究工作的方向。