湿陷性黄土地区场地排水工程设计要点分析

湿陷性黄土地区场地排水工程设计要点分析

任彦彰

中国石油天然气股份有限公司玉门油田分公司工程技术研究院  735019

摘要：湿陷性黄土场地作为特殊不良土层，对排水工程有着重要影响。充分了解湿陷性黄土的特性及湿陷性黄土场地的不同处理方法，有助于场地排水工程的优化设计，对工程实施有着重要的指导意义。该文以部分湿陷性黄土场地的工程案例对排水工程设计要点进行分析。分析结果可为湿陷性黄土地区的排水工程设计提供参考。

关键词：湿陷性黄土地区；场地排水工程；设计要点

由于我国土地辽阔,幅员辽阔,地貌状况错综复杂,各种地基、管道和地下工程在施工时往往出现流沙、泥沙、湿陷的黄土岩层和恶劣土质,为施工的顺利开展造成了不同程度的困难。探索如何在恶劣地质条件下科学合理的制定建筑设计和施工计划,已成为建筑施设师们关注和认真思考的问题。

一、湿陷性黄土物理性质及主要分类

湿陷性黄土地区作为一类特殊不良土壤,对地下工程的施工产生很大危害,因此为了处理在该土层施工时所出现的各类问题,工程建设部专门制定了我国《湿陷性黄土地区建筑技术规范》(GB50025—2004)用以规范建设与实施。另外,在城市给水排水工程中,为了保证管线的铺设安全,建设部还另行审定了四S五百三十一的标准图纸,对项目施工提出了针对性的技术指标和施工条件。本章还以湿陷性黄土地方的城市给水设计问题为例,对施工要求加以了研究。

湿陷性的黄土类岩石颗粒主要由砂子、粉粒和黏粒所构成,这些粒子之间通常以成对骨架形式相互接触,并产生有足够硬度的固化性连结键,并由此产生微结构单元,而宏观整体上则呈现为多孔疏松、欠挤压的特征。在干旱状况下,其空隙中的土壤毛细液与空气产生弹性变化,当构造强度尚未遭到破坏时表现为压缩性低、抗拉强度高的特点,危害性通常无法观察。而当在遇水后导致土壤含水量增加到一定量程度时,湿陷性黄土地就会显示出屈服、软化处理、塑性变形等特征且变化速率较大,并由此造成地面的湿陷现象,对上部建(构)筑物产生结构性损伤。

根据对湿陷性黄土的孔隙比、自然含水率、饱和度、液限等物理学特性,以及结构性、欠压性、可压缩性、抗剪力强等力学特征进行比对,可对湿陷性黄土类型进行如下划分地基湿陷类型根据湿陷量的估算值,和对自重湿湿陷性黄土场地的常规治理技术：

首先，对湿陷性、湿陷程度进行判定。根据我国黄土地区的工程实践经验，当湿陷系数δs≥0.015时，可判定为湿陷性黄土，其中：

0.015≤δs≤0.03时，湿陷性轻微；

0.03＜δs≤0.07时，湿陷性中等；

0.07＜δs时，湿陷性强烈。

其次，对场地湿陷类型进行判定。自重湿陷量实测值6'zs或计算值6zs≤70mm时，为非自重性湿陷性黄土场地；自重湿陷量实测值6'zs或计算值6zs＞70mm时，为自重性湿陷性黄土场地。

此外，要对地基湿陷等级进行判定。按照《湿陷性黄土地区建筑规范》中的有关规定以及有关的历史资料显示,湿陷性黄土场地通常通过下列的一些方式对土壤进行处理。

二、湿陷性黄土场地的一般处理方法

根据《湿陷性黄土地区建筑规范》中的具体要求和相关研究文献报道[3]，湿陷性黄土场地一般采用以下几种方法对地基进行处理。

换土垫板法主要分为土壤垫板法和灰土回填基础垫层,通过挖除地基下全部或设计深度以下的湿陷量性黄土,将灰土回填(或素土)回填或分层夯实之后,就能够去除基础垫层范围内的湿陷量性。该法处理厚度通常为1~3m,为浅层处理湿陷性黄土岩石地基的传统方式,具有因人制宜、就地取材、施工简单和效益突出等优点。使用该法时,须对地基土的最优含水率进行严格控制。

三点二强夯法是利用建筑物自然下降夯击土壤的方法对土壤强度的提高,以减少湿陷性黄土的湿陷度,其处理强度通常在3~12m,是当前土壤强化技术中较为实用、简单的技术之一。使用该法时需注意调节拟夯实土壤的含水率,或采用增湿或降湿的方式使之更接近于最优含水率,以避免橡皮土壤的产生。

挤密法的厚度通常为5~15m,是在按规定的布桩土中成孔后,在桩孔内填入水泥拌合料(或素土)后分级夯实施工,利用在对土壤中的成孔以及桩体进行夯实施工阶段中产生侧向挤出效果,挤密桩中土体,进而改善土壤的湿陷性,从而增加混凝土体承载能力。

预浸水法主要应用在湿陷性质强烈、土壤厚度较大的黄土区域,通常采用于对现场大规模淹水,使土壤在饱和自重应力强度的影响下,提早湿陷或压密,从而减少了施工现场的湿陷量性。该法对现场开阔性的要求较高、用水量大,且施工时限较长,因此一般在用水量丰富,且施工准备时间长的情况下才能加以应用,其上层(6m以上)的砼体还应当采取垫层或其他办法另行解决。

三、湿陷性黄土场地中排水工程的处理方法

与普通土建的施工采用大面积清理土壤的方法不同,排水工程仅需要对沟槽区域中的土壤加以清理即可,因此一般使用换土垫板法、强夯法来减少土壤湿陷性,并采用对管线结构的加固,使得管线不致因土壤湿陷而出现不平衡下沉、错位或者破坏。

根据《湿陷性黄土地方给水排水管线基本条件及连接》(全国标准图集04S531-1)中的有关情况,湿陷性黄土地方中排水工程地基管理的方式一般采用土垫板+水泥垫板的方式,即,管线根基以内自下而上依次敷设15cm(或30cm)粘土垫板、灰粘土回填垫板,经分层夯实后再进行管线基层设计。

基于多年有关湿陷性黄土地区场地排水的设计及湿陷性黄土标准，对湿陷性黄土地区建筑给排水设计的整体思路及注意事项进行总结，希望能对刚入职的同行具有一定的参考价值。在建筑规模相同的情况下，湿陷性黄土地区建筑工程造价相对较高，施工复杂程度相对增加，现有的技术措施也不尽人意，还需要不断的探索创新，期待能有新型材料或技术手段应用于湿陷性黄土地区，在保证工程质量及其使用安全的条件下，又能降低工程造价和施工复杂程度。该技术是湿陷型黄土地排水工程较为广泛的技术,可以很好的适应工程建设要求。而按照工程数据和地质勘查研究结果,该地区的排水管路基础所处地层或为ⅰ级(轻度)非自重湿陷性场地,或为ⅱ级(中度)自重湿陷性场所,实际施工时均采用了土垫层+灰土垫层的处理方式,使得工程建设效益较好。

另外,除了上述土垫板+水泥拌合的基础垫层技术之外,王晓晋还提供了另外的一些基础处理技术:(1)扎实法,将要管线下的地层原土翻松,洒水后坚实整平,管线铺设在已经坚实的地面上,扎实厚薄为20~30cm,密度等于一点六g/cm3;(2)土壤垫板法,将管线内的土壤扎实,配到适当含水率后,再按分层进行扎实至规定深度,实际的密度一般等于一点六g/cm3;(3)地沟铺设技术,即整个管线铺设于地沟中,两端设有检漏井以便检测。以上一些技术在施工实际中均得到应用,并达到了一定成效。

湿陷性黄土的工程排水项目设计中,应当严格按照有关设计规范和标准,并根据工程项目的性质、湿陷性黄土的湿陷性种类和湿陷量级别等加以设置,现举口泉中心区的横一路、纵四路、纵六路等排水管线项目为例。

上述施工中的管道基本所在地层,依次是ⅰ级(轻度)非自重湿陷性场所和ⅱ级(中度)自重湿陷性场所,在施工中使用了土垫板+灰泥土回填基本垫层法,对地面进行了处理。

土垫板的主要功能为提高地基承载能力、减少地面持力层的地体湿陷度。球场为ⅰ级(轻度)非自重湿陷性球场时,土垫板厚薄为十五cm,球场为ⅱ级(中度)自重力湿陷性球场时,土垫板厚薄为30cm,压实系数应不低于百分之九十五。粘土垫板方法主要有二类,一类是水泥浆夯实,将设定厚薄的水泥浆翻松后进行洒水夯实;一类是水泥浆换填,将设定厚薄的水泥浆挖出,另换填素粘土、沙或砾石砂等良质粘土后进行夯实。

灰土回填垫板主要功能为板结后形成的隔水层、避免垫层下混凝土体遇水湿陷;消除了地基支持力层上土壤的湿陷性,为避免管道基层出现不平衡下沉,该层的厚度为上述项目的沟槽回填根据管线类型分别采用了不同的回填方法,如管线为预应力砼管时,采用良质土返回至路面结构板底部,管线为玻璃钢管时,采用中粗砂返回至管顶五十cm,再往上采用良质粘土返回至路面结构面板底部。

值得注意的是,在湿陷的黄土地方上,当塑料管材在使用中粗砂回填后,为了降低对壕沟二侧土壤和路床的冲击,可尽量避免采用水冲法进行基础浇筑的密实,而应选用对冲击较小的洒水式夯实方法加以密实。

四、湿陷性黄土场地排水工程设计要点

湿陷性黄土场地排水工程设计时，应严格遵守相关设计规范及规程，并结合工程自身特点、湿陷性黄土的湿陷类型及湿陷等级进行设计，现以A区横一路、纵四路、纵六路等排水管道工程为例。

防水工程是湿陷性黄土地方中排水管道建设的重要环节,所以应该格外注意管网与排水检测井接口之间的处理问题。

为了提高接口密封性,周口泉中心区横一路等工程项目中引入了聚硫封闭膏密封方法,采用了内置双组分的聚硫封闭膏,通过外嵌沥青麻丝的方法达到完全封闭效果。除了以上解决方式之外,《湿陷性黄土地区排水检查井》(国家标准图集04S531-5)中也给出了另外一个解决方式,即使用防水套管进行密封衔接，这些接口方式对于湿陷性黄土区的管线和检查井的连接保护都有很好作用,可以根据实际现场的实际状况有针对性的选择。

湿陷的黄土场地时,除检查管道基下的砼体时应加以处理外,检查井基下的砼体时亦应处理,以便消除其湿陷性。因为管线与检查井的位置并不在一个水平,所以其连接部位的设计处理在工程设计时就应该予以考虑。采用出图四的处理方法,即采用规定的放坡比(1:1)衔接管线和构筑物土垫板和灰粘土填垫层的结构。

给排水管道内的水渗漏可能会对建（构）筑物的地基基础产生不均匀沉降，当给排水管道距建（构）筑物一定距离范围内时产生该影响，避免该影响的最小距离称为防护距离。建筑外墙边缘（高耸结构是从其基础的外边缘计）与防护距离之间的区域称为防护范围，管道或水池的最佳设置位置是防护范围以外的区域，当不能避免时，需要做防水措施以防管道或水池中水体的渗漏，因此防护距离的确定至关重要。经过以上处理,就可以相对较完全的去除管线和检查井线路表面的湿陷性,进而减少了不平衡沉降现象的产生。

(1)湿陷性黄土场地为特殊不良土壤,对地基排水的施工质量产生了很大影响,在设计前就对湿陷性黄土场地进行了全面认识,并针对其湿陷性种类、湿陷量及等级,制定了合理的设计方案。

(2)在湿陷性黄土场的排水开挖建设过程中,工程设计技术人员要熟练掌握其土壤处理、管道基础、接缝、沟槽回填等各道基础作业,以认识湿陷性黄土场对其作用,并给出相应的解决办法。

参考文献：

[1]赵旭东.湿陷性黄土地基处理方法研究[J].四川水泥,2022(07):70-71+77.

[2]邢念田.浅谈湿陷性黄土地区建筑给排水设计[J].甘肃科技,2021,37(14):120-121.

[3]张小兵.湿陷性黄土地区公路排水及病害防治对策探索[J].中国建材科技,2021,30(02):131-133.