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CN113322933A - 一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法 - Google Patents

一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法 Download PDF

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CN113322933A
CN113322933A CN202110662318.6A CN202110662318A CN113322933A CN 113322933 A CN113322933 A CN 113322933A CN 202110662318 A CN202110662318 A CN 202110662318A CN 113322933 A CN113322933 A CN 113322933A
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张旭龙
杨小龙
杨亚龙
杨志强
刘德仁
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Abstract

本发明涉及深厚湿陷性黄土场地的地基处理技术，具体涉及一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，该浸水方法通过在深厚湿陷性黄土地基中设置浸水孔，按照分层控制的方式先对下部黄土地层进行浸水，并通过上部黄土地层和中部黄土地层的自重荷载对下部饱和黄土地层进行压密固结，下部黄土地层压缩固结完成后，再对中部黄土地层进行浸水饱和，利用上部黄土地层的自重荷载对中部饱和黄土地层进行压密固结，中部黄土地层压缩固结完成后，再对最上部土层进行浸水饱和，达到完全消除地基湿陷性的目的。本发明通过分层浸水控制，实现深厚湿陷性黄土地基的压密固结，能够有效地消除地基湿陷性，达到消除深厚黄土地基湿陷性的处理效果和目的。

Description

一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法
技术领域
本发明涉及深厚湿陷性黄土场地的地基处理技术，具体涉及一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法。
背景技术
在我国中西部地区，分布着大范围的湿陷性黄土，其主要工程特性是遇水后会发生大量的湿陷下沉，影响工程构筑物的稳定及安全使用。对于修建在湿陷性黄土地基上的建筑物，地基除了满足承载力要求外，还必须消除湿陷性。甚至一些低矮的小荷载建筑结构也需要严苛的地基处理措施来消除湿陷性，这无疑加大了工程建设的成本，提高了工程投资费用。
目前对于湿陷性黄土地区的地基处理措施主要有灰土挤密桩法、素土挤密桩法、CFG桩法、强夯法、DDC法等，这些处理措施虽然对湿陷性黄土地基来说具有较好地处理效果，但目前就这些用于深厚湿陷性黄土地基处理的处理措施来说，仍然具有一定的局限性。首先，在进行深厚湿陷性黄土地基处理时，上述常规地基处理措施处理深度不足，不能很好地满足完全消除地基湿陷性的要求。其次，在进行深层地基处理中，常常需要加入或者挤入大量的加强、改良材料，造成地基处理的成本较高。另外，在进行地基处理中，要形成桩孔、对地基进行挤密、或者对地基进行夯实，都需要耗费大量的能量，造成地基处理的能耗比较高。如何能找到一种既能消除深厚黄土地基湿陷性的处理措施，又能节约成本，减少耗能的新型湿陷性黄土地基处理措施，是目前深厚湿陷性黄土地基处理中亟待解决的工程技术问题，也是岩土工程技术人员为之奋斗的目标。
发明内容
为了解决深厚湿陷性黄土地基处理问题，在考虑提高地基处理深度及节约成本和减少耗能的目标下，本发明提出了一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，通过分层浸水控制，实现深厚湿陷性黄土地基的压密固结，能够有效地消除地基湿陷性，达到消除深厚黄土地基湿陷性的处理效果和目的。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，该浸水方法通过在深厚湿陷性黄土地基中设置浸水孔，按照分层控制的方式先对下部黄土地层进行浸水，并通过上部黄土地层和中部黄土地层的自重荷载对下部饱和黄土地层进行压密固结，下部黄土地层压缩固结完成后，再对中部黄土地层进行浸水饱和，利用上部黄土地层的自重荷载对中部饱和黄土地层进行压密固结，中部黄土地层压缩固结完成后，再对最上部土层进行浸水饱和，达到完全消除地基湿陷性的目的。
进一步地，将深厚湿陷性黄土地基均匀分为上中下三层，分别为上部黄土地层、中部黄土地层和下部黄土地层，每层厚度为10m。
进一步地，试验场地采用12m×12m的正方形区域，该正方形区域内布置9个浸水孔，两相邻浸水孔间相隔4m，且边缘浸水孔与试验场地边界之间的距离为2m。
进一步地，浸水1中放入外径90mm，管壁厚度2.8mm，长5m规格的PVC花管，上下两根PVC花管之间通过内径90mm的PVC管连接头进行连接。
进一步地，所述PVC花管沿长度方向每5cm的横截面上布置有直径为5mm的渗水孔洞，每个横截面上均匀布置四个，且相邻横截面上的渗水孔洞交错排列。
进一步地，所述PVC花管底部连接有一直径为100mm，厚度5cm的圆形底板，所述圆形底板用来增大PVC花管与底部黄土的接触面积，防止因底部黄土浸水失陷导致PVC花管整体下沉。
进一步地，所述PVC管连接头内侧中部放置一个水分计，该水分计用于监测PVC花管中的水头位置，PVC花管中接入水管，水管将水直接送达PVC花管4底部。
进一步地，试验场地进行注水时，先将水位控制在中部黄土地层与下部黄土地层交界处，用20m深度PVC管连接头内的水分计进行水位监测，当下部黄土地层浸水饱和后，再将水位控制在上部黄土地层与中部黄土地层交界处，用10m深度PVC管连接头内的水分计进行水位监测，当中部黄土地层浸水饱和后，再将水位控制在上部黄土地层顶部，水位可用肉眼进行观测，直到上部黄土地层浸水饱和后，浸水结束。
进一步地，上部黄土地层、中部黄土地层、下部黄土地层完成浸水饱和的标准为两根PVC花管之间范围的土体完全浸水饱和，各层浸水时间分别为一个月。
进一步地，黄土地层土体浸水饱合后，黄土地基湿陷性完全消除。
本发明通过水分浸入来消除地基湿陷性，浸水深度可以按地基处理深度要求设置，对浸水过程进行分层控制，在地基浸水湿陷过程中，充分利用了上部地层的自重荷载，也可与地表堆载联合作用，加速地基土的压密固结。浸水过程由下而上进行，保证了下部土层的均匀浸水，充分消除了土体湿陷性，而且相比于地表浸水，入渗效率更高，耗费时间更短。因此，该分层浸水地基处理技术既能消除地基湿陷性，又能进行一定的地基加固，达到处理深厚湿陷性黄土地基的目的。
本发明具有以下有益效果：
1）在进行深厚湿陷性黄土地基处理中，在地基中加入的介质为水，对土质及周边生态环境没有污染和影响。
2）分层浸水地基处理技术可以将水分直接导入目标地层，缩短了浸水时间，提高了浸水效率，起到节约工期，减少工程建设成本的目的。而且可以留出足够的时间，对地基土进行自重压密固结或堆载压密固结，完成绝大部分地基沉降变形，提高地基刚度及承载力，减小工后沉降的风险。
3）分层浸水地基处理技术不用在地基中掺入水泥、石灰、混凝土等材料，地基处理施工过程能耗较低，具有节约工程材料，降低工程成本的优点。
4）一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，适用于上部结构荷载不大，但湿陷性土层较厚的黄土地基，可以完全消除各种不同深度的黄土地基的湿陷性，在黄土地基处理中的适用性强。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施案例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为浸水孔平面示意图；
图3为PVC花管局部结构示意图；
图4为PVC花管底部结构示意图；
图5为浸水第一阶段水流位置变化图；
图6为浸水第二阶段水流位置变化图；
图7为浸水第三阶段水流位置变化图；
图8为随时间变化土层总变形量示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施。本例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例
参照图1至图8， 一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，包括如下步骤： 选取一个12m×12m的正方形区域作为试验场地2，将黄土地层（深厚湿陷性黄土地基）10均匀分为上中下三层，分别为上部黄土地层10-1、中部黄土地层10-2和下部黄土地层10-3，每层厚度为10m；在试验场地2内布置浸水孔1，共9个，两相邻浸水孔1间相隔4m，且边缘浸水孔1与试验场地2边界之间的距离为2m；在浸水孔1中放入外径90mm，管壁厚度2.8mm，长5m规格的PVC花管4，上下两根PVC花管4之间通过内径90mm的PVC管连接头5进行连接；每根PVC花管4沿长度方向每5cm的横截面上布置有直径为5mm的渗水孔洞3，每个横截面上均匀布置四个，且相邻横截面上的渗水孔洞3交错排列；在PVC花管4的底部连接一直径为100mm，厚度5cm的圆形底板7，所述圆形底板7用来增大PVC花管4与底部黄土的接触面积，防止因底部黄土浸水失陷导致PVC花管4整体下沉，并在PVC管连接头5内侧中部放置一个水分计6，在PVC花管4中接入水管，该水分计6用于监测PVC花管4中的水头位置，水管将水直接送达PVC花管4底部。
按照分层控制的方式先对下部黄土地层10-3进行浸水，并通过上部黄土地层10-1和中部黄土地层10-2的自重荷载8对下部饱和黄土地层10-3进行压密固结，下部黄土地层10-3压缩固结完成后，再对中部黄土地层10-2进行浸水饱和，利用上部黄土地层10-1的自重荷载8对中部饱和黄土地层10-2进行压密固结，中部黄土地层10-2压缩固结完成后，再对最上部土层10-1进行浸水饱和，达到完全消除地基湿陷性的目的，具体的，注水时，先将水位控制在中部黄土地层10-2与下部黄土地层10-3交界处9-3，用20m深度PVC管连接头5内的水分计6进行水位监测，当下部黄土地层10-3浸水饱和后，再将水位控制在上部黄土地层10-1与中部黄土地层10-2交界处9-2，用10m深度PVC管连接头5内的水分计6进行水位监测，当中部黄土地层10-2浸水饱和后，再将水位控制在上部黄土地层10-1顶部，水位可用肉眼进行观测，直到上部黄土地层浸水饱和后，浸水结束。
本实施例中，上部黄土地层10-1、中部黄土地层10-2、下部黄土地层10-3完成浸水饱和的标准为两根PVC花管4之间范围的土体完全浸水饱和，各层浸水时间分别为一个月，黄土地层土体浸水饱合后，黄土地基湿陷性完全消除。
本实施例中，设定黄土层深度为30m，分为下中上三层，H1=H2=H3=10m，其初始孔隙比e=1.0，压缩系数a=0.35MPa-1，湿陷系数δ=0.05，土层上部堆载D=100KN/m2。
湿陷计算式：
Figure 955559DEST_PATH_IMAGE001
(1)
压缩计算式：
Figure 950060DEST_PATH_IMAGE002
(2)
式中：
Figure 28875DEST_PATH_IMAGE003
—湿陷系数
H—土层厚度
a—压缩系数
e1—初始孔隙比
Figure 933377DEST_PATH_IMAGE004
P—平均自重应力
第一阶段：
Figure 705024DEST_PATH_IMAGE005
Figure 655662DEST_PATH_IMAGE006
Figure 741430DEST_PATH_IMAGE007
第二阶段：
Figure 625072DEST_PATH_IMAGE008
Figure 567620DEST_PATH_IMAGE009
Figure 5555DEST_PATH_IMAGE010
第三阶段：
Figure 65653DEST_PATH_IMAGE011
Figure 538222DEST_PATH_IMAGE012
Figure 182830DEST_PATH_IMAGE013
总变形量：
Figure 108061DEST_PATH_IMAGE014
变形与时间关系曲线参考图8所示。
本具体实施的工作原理为：通过在深厚湿陷性黄土地基中设置浸水孔，按照一定的浸水量先对最下层黄土进行浸水饱和，利用最下层黄土的浸水湿陷及上部土体的自重压力对饱和黄土地层进行压密固结，在下部土层完成一定程度的压缩固结后，再对地基中间层位的土层进行浸水饱和，利用最上部的地层的自重压力对中间的饱和黄土地层进行压密固结，在中间土层完成一定程度的压缩固结后，再对地基上部土层进行浸水饱和，达到完全消除地基湿陷性的目的，而且其浸水入渗时间相对较短，地基处理效果较为均匀，地基在上部土层的自重荷载作用下经过一定程度的固结压密，其承载及抗变形能力也得到了显著的提高。这种地基处理方法对消除深厚黄土地基的湿陷性有着良好的效果，又能降低地基处理的成本和减少能耗，在上部荷载较小的工程建设中有着较广地应用前景。
试验例
深厚湿陷性黄土地基采用上部整体浸水方法与分层浸水方法进行比较。
布设为一个12m×12m的正方形试验场地2，该区域内布置9个浸水孔1，所述两相邻浸水孔1间相隔4m，且边缘浸水孔1距离试验场地2边界为2m。黄土地层分为上中下三层，共计H=30m，每层H1=H2=H3=10m，渗透系数k=10-4cm/s,上部黄土地层10-1初始孔隙比e1=1.07，中部黄土地层10-2初始孔隙比e2=0.95，下部黄土地层10-3初始孔隙比e3=0.82。
上部整体浸水方法
浸水时长：
Figure 535631DEST_PATH_IMAGE015
考虑上部整体浸水水流沿土层方向自上而下渗透不一致，采用各土层中间截面水流渗透范围计算土层体积。
上部土层
渗透范围：
Figure 597128DEST_PATH_IMAGE016
总体积：
Figure 881479DEST_PATH_IMAGE017
孔隙体积：
Figure 700530DEST_PATH_IMAGE018
中部土层
渗透范围：
Figure 728529DEST_PATH_IMAGE019
总体积：
Figure 175691DEST_PATH_IMAGE020
孔隙体积：
Figure 365364DEST_PATH_IMAGE021
下部土层
渗透范围：
Figure 468449DEST_PATH_IMAGE022
总体积：
Figure 34560DEST_PATH_IMAGE023
孔隙体积：
Figure 336228DEST_PATH_IMAGE024
要使黄土地层完全浸水饱和，消除湿陷所需注水量为：
Figure 601862DEST_PATH_IMAGE025
分层浸水方法
浸水时长：
Figure 988981DEST_PATH_IMAGE026
渗透范围：
Figure 624362DEST_PATH_IMAGE027
上部土层
总体积：
Figure 514957DEST_PATH_IMAGE028
孔隙体积：
Figure 312012DEST_PATH_IMAGE029
中部土层
总体积：
Figure 327373DEST_PATH_IMAGE030
孔隙体积：
Figure 500865DEST_PATH_IMAGE031
下部土层
总体积：
Figure 714809DEST_PATH_IMAGE032
孔隙体积：
Figure 682765DEST_PATH_IMAGE033
要使黄土地层完全浸水饱和，消除湿陷所需注水量为：
Figure 310055DEST_PATH_IMAGE034
由计算可知，上部整体浸水方法浸水时长350d，注水量13125m3，分层浸水方法浸水时长70d，注水量2096m3。
结果：分层浸水方法与上部整体浸水方法相比，缩短了浸水时间，提高了浸水效率，起到节约工期，减少工程建设成本的目的。而且可以留出足够的时间，对地基土进行自重压密固结或堆载压密固结，完成绝大部分地基沉降变形，提高地基刚度及承载力，减小工后沉降的风险。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种用于深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，该浸水方法通过在深厚湿陷性黄土地基中设置浸水孔（1），按照分层控制的方式先对下部黄土地层（10-3）进行浸水，并通过上部黄土地层（10-1）和中部黄土地层（10-2）的自重荷载（8）对下部饱和黄土地层（10-3）进行压密固结，下部黄土地层（10-3）压缩固结完成后，再对中部黄土地层（10-2）进行浸水饱和，利用上部黄土地层（10-1）的自重荷载（8）对中部饱和黄土地层（10-2）进行压密固结，中部黄土地层（10-2）压缩固结完成后，再对最上部土层（10-1）进行浸水饱和，达到完全消除地基湿陷性的目的。
2.根据权利要求1所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，将深厚湿陷性黄土地基（10）均匀分为上中下三层，分别为上部黄土地层（10-1）、中部黄土地层（10-2）和下部黄土地层（10-3），每层厚度为10m。
3.根据权利要求1所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，试验场地（2）采用12m×12m的正方形区域，该正方形区域内布置9个浸水孔（1），两相邻浸水孔（1）间相隔4m，且边缘浸水孔（1）与试验场地（2）边界之间的距离为2m。
4.根据权利要求1所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，浸水孔（1）中放入外径90mm，管壁厚度2.8mm，长5m规格的PVC花管（4），上下两根PVC花管（4）之间通过内径90mm的PVC管连接头（5）进行连接。
5.根据权利要求4所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，所述PVC花管（4）沿长度方向每5cm的横截面上布置有直径为5mm的渗水孔洞（3），每个横截面上均匀布置四个，且相邻横截面上的渗水孔洞（3）交错排列。
6.根据权利要求4所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，所述PVC花管（4）底部连接有一直径为100mm，厚度5cm的圆形底板（7），所述圆形底板（7）用来增大PVC花管（4）与底部黄土的接触面积，防止因底部黄土浸水失陷导致PVC花管（4）整体下沉。
7.根据权利要求4所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，所述PVC管连接头（5）内侧中部放置一个水分计（6），该水分计（6）用于监测PVC花管（4）中的水头位置，PVC花管（4）中接入水管，水管将水直接送达PVC花管（4）底部。
8.根据权利要求1所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，试验场地（2）进行注水时，先将水位控制在中部黄土地层（10-2）与下部黄土地层（10-3）交界处（9-3），用20m深度PVC管连接头（5）内的水分计（6）进行水位监测，当下部黄土地层（10-3）浸水饱和后，再将水位控制在上部黄土地层（10-1）与中部黄土地层（10-2）交界处（9-2），用10m深度PVC管连接头（5）内的水分计（6）进行水位监测，当中部黄土地层（10-2）浸水饱和后，再将水位控制在上部黄土地层（10-1）顶部，水位可用肉眼进行观测，直到上部黄土地层浸水饱和后，浸水结束。
9.根据权利要求8所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，上部黄土地层（10-1）、中部黄土地层（10-2）、下部黄土地层（10-3）完成浸水饱和的标准为两根PVC花管（4）之间范围的土体完全浸水饱和，各层浸水时间分别为一个月。
10.根据权利要求书8所述的一种深厚湿陷性黄土地基处理的分层浸水方法，其特征在于，黄土地层土体浸水饱合后，黄土地基湿陷性完全消除。
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