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石家庄市黄土地基湿陷性研究
贾文华，杨昌绣，王永正
（中兵北方勘察设计研究院 石家庄 050011）

摘 要：石家庄市区上部地层具有黄土的部分特征，属于次生黄土，具有不均匀湿陷性，可称之为黄土状土。该土层湿陷性随深度增加减弱，但不呈线性关系，存在3m、6m二个突变点。在勘察、设计、施工时，应有针对性地采取相应的对策。为采取Ⅰ级土样进行湿陷试验，需布置适量的探井。
关键词：黄土状土；成因类型；湿陷系数统计；勘察方法；工程对策
0. 序言
黄土在我国西北地区大面积分布，范围大致以陕西省为中心，主要包括山西、河南、甘肃、宁夏、内蒙等省区，周边省份包括河北也有零星分布，面积达百万平方公里以上[1]，其分布范围之广，对工程建设危害之严重，在我国出现的十种特殊土[2]中列为首位。所以，深化对黄土，特别是黄土地基湿陷性研究，一直是岩土工程界的重要课题之一。
石家庄市地处华北平原西部，与西北黄土高原接壤，在区域地理环境上，属于西北黄土高原与华北冲洪积平原的过渡地带，第四系地层物质成分来源于西部高原山区，其中最上部全新统地层具有黄土的特征，以颗粒组成和塑性指数界定，可细分为黄土状粉土或黄土状粉质粘土，厚度一般6～10米左右，这个深度是大多数建筑地基的主要受力层，工程性质极为重要，因而倍受本地区岩土工程师的关注。
本文在已有研究成果[6]基础上，侧重于对建筑地基的湿陷性和工程特性进行探讨，试图寻找其中的分布规律。文中引用的基本数据来自于近5年来的实际工程资料，共计379个项目，4043个样本数据，全部为探井Ⅰ级土样。湿陷试验采用双线法，试验压力200kPa（部分新近土150kPa），研究范围主要是在建的三环路以内。由于作者水平有限，所提观点可能有失偏颇，欢迎批评指正。
1. 地质背景
石家庄市区西依太行山，发源于山间大小不等的河谷，在山前形成一系列的冲洪积扇，相互交错成为一个庞大的扇群，这其中以滹沱河冲洪积扇规模最大，对研究区第四系地层沉积起着控制作用。滹沱河发源于山西省五台县，上游流经黄土高原，携大量泥沙和黄土质成分，出山口后依次沉积，在轴部发育着近代河床及漫滩，为一套砂砾石粗颗粒建造，扇的二翼则形成以细粒土为主的稳定沉积地层。研究区大部分处于该冲洪积扇的右扇（南翼）辐射范围内，上部地层的物质成分与上游的岩土体存在密切关系，是黄土经水流搬运再沉积的产物，其中包含的少量钙质成分，决定了这套地层的黄土属性。
除滹沱河外，区内还有太平河、小绞河等规模较小的支流，所形成的较小规模冲洪积扇体，对市区西部地层形成有影响，但其范围有限，就整个研究区而言不起主导作用。
根据已有研究成果，本地区第四系全新统划分为三段[7]。下段杨家寺组（Q41）岩性为灰白色～黄褐色砂土，该段地层在研究区内普遍分布，是滹沱河冲洪积扇在全新统早期的沉积物，这一点已由市区大量的勘察资料所证实。特例情况是，西部的部分地段，由于处在该洪积扇边缘或之外，同期地层受山前其它小型洪积扇控制，故而缺少了这套地层，除此之外，研究区内均可将该砂层作为标志层。就湿陷性而言，在该层之上的细粒土，都存在程度不同的湿陷性，又可分为高湾组（Q42）和岐口组（Q43），前者多为浅黄色或褐黄色，厚度4～6米，层位稳定；后者则颜色较深，一般呈褐色，在探井或开挖的深基坑中，可以找到青砖屑、陶瓷碎片等人类活动的遗迹，属于全新统最晚期的新近沉积物，对比流域上游古中山国文化期，形成年代应不超过二千五百年，厚度大部分在1～3米之间，受古地理环境影响，个别区段可达5米以上；这两组地层总厚度6～10米，在野外可鉴定出如下特征：
（1）粒度成分以粉粒为主，黏粒（≤0.005mm）含量不多，所占比例在5～15% 之间；
（2）含有一定数量的钙质成分，包括连接土颗粒之间的隐晶体、钙质结核及白色菌丝状条纹，菌丝条纹主要出现在上部新近沉积土中；
（3）存在针状大孔隙，直径0.2～0.5mm，新近沉积土最大可达1.0mm，下部则有退化迹象。相比较典型黄土，大孔隙的分布密度和规模要弱些。
（4）土体中存在垂直节理，但不十分发育，具一定的贯通性。
上述表征体现了本地区黄土的一些特性，但与西北典型的黄土相比，二者在成因、结构、规模等方面仍存在差异。一般认为，典型黄土主要为风积所形成，其物质来源于西北的沙漠地区，从早更新世的午城黄土到全新世的新黄土，沉积旋回清晰，厚度巨大，其间发育多层古土壤[5]。而本地区的这层黄土，只存在于全新世的中晚期，最大厚度约10m，仅在西部的局部地段发现一薄层黑褐色网纹状裂隙土，似乎可称为古土壤（可能与西部小型冲洪积扇和古地理环境有关），标志着一个小范围的沉积间断，除此之外，研究区内均未发现古土壤层。
由此可以得出以下的初步结论：本地区上部地层的黄土属于次生黄土，形成年代为第四系全新统中晚期，以冲洪积成因为主，是一种非典型黄土，岩土定名应称之为黄土状土。

2．湿陷性分析
2.1 湿陷系数
湿陷系数δs是判定地基土湿陷性最基本的指标，其物理意义是试样在一定压力下，下沉稳定后，浸水饱和所产生的附加下沉[1]。一般情况下，非饱和土样在浸水后都会或多或少产生附加下沉，但黄土由于其本身特有的结构，附加下沉量相对要大得多。我国采用的是以0.015作为界限标准，大于等于该值则界定为湿陷性土。
本次参加统计的样本数据中，满足上述条件的约占总数的1/3，计1303件，有2740个土样δs值小于0.015，属于非湿陷土，全部样本湿陷系数平均值0.0147。单从统计结果来看，湿陷土所占比例不低，是不容忽视的。
根据湿陷系数的数值大小，按照其湿陷程度分为轻微、中等、强烈三个等级[1]，将各等级所对应的样本数量带入，分布情况如下表1。
表1 不同湿陷系数样本分布
湿陷程度
非湿陷土
湿陷性轻微
湿陷性中等
湿陷性强烈
湿陷系数δs
δs＜0.015
0.015≤δs≤0.03
0.03＜δs≤0.07
δs＞0.07
样本数量（件）
2740
631
603
69
比例（%）
67.8
15.6
14.9
1.7

表1数据显示，在具有湿陷性的1303件样本中，湿陷程度轻微～中等的比例占近95%，其余湿陷性强烈的样本仅占5%左右，这些土样基本上分布在研究区地层上部，取样深度大多不超过4m，以新近沉积土居多，这样的分布规律与该地层的成因和形成年代是吻合的。
2.2 湿陷带深度
如果把不同的取样深度段和对应的湿陷性进行对比（见图1），可以发现二者之间似乎存在某种规律，在
3 m以上曲线形
态陡降，深度越
浅平均湿陷系数
越大；3～4m为
过渡段；4m～6m
平均湿陷系数稳
定，曲线以近似
水平状分布，在这个深度水平上，平均湿陷系数接近0.010；6m以下则呈现缓慢的下降趋势。上述变化规律具体数值详见表2。
表2 湿陷系数与深度关系
深度段（m）
≤1.0
1～2
2～3
3～4
4～5
5～6
6～7
7～8
8～10
湿陷系数平均值
0.039
0.027
0.013
0.009
0.009
0.0096
0.0068
0.0043
0.0038
湿陷样本比例（%）
78.2
60.9
28.6
20.4
21.3
22.5
16.2
6.9
7.6
图1和表2显示的结果，反映出本地区黄土状土湿陷性随深度变化呈非线性关系，存在3.0m和6.0m二个突变（拐）点。表明在不同的深度水平，地基湿陷性不同的发育程度。其工程意义在于，不同类型的建筑地基，地基处理或设防下限可按不同深度考虑。对不容易受水浸泡，或者对变形不敏感的次要建筑，可取第一拐点深度；反之，这个深度就应达到第二拐点深度之下。同样，在基础埋深小于自然地表下3m时，地基湿陷性的影响显著，应重点考虑设防或处理，在此深度之下，湿陷性明显降低，当基础埋深大于第二拐点（6m）时, 湿陷性影响比较轻微，对一般的勘察项目，可不作为重点岩土工程问题考虑。
2.3 新近沉积黄土状土
在整个研究区黄土状土层位中，就湿陷性而言，处于最上部的新近沉积层是最为显著的，将其试验数据从总数据中分离出来，可以明显看出这一趋势，见下表3。
湿陷程度
非湿陷土
湿陷性轻微
湿陷性中等
湿陷性强烈
湿陷系数δs
δs＜0.015
0.015≤δs≤0.03
0.03＜δs≤0.07
δs＞0.07
样本数量（件）
200
202
323
49
比例（%）
25.8
26.2
41.7
6.3

表3 新近沉积黄土状土湿陷系数分布

对比表3和表1二组数据，最显著的变化是，在对应的地质单元体中具湿陷性的样本比例大为提高，由32.2%增加到74.2% ，湿陷系数的平均值达到0.032；另外就是湿陷程度加剧，中等和强烈湿陷样本的比例有所提高，尤其是中等湿陷性的比例由14.9%提高至41.7%。由此可见，无论是湿陷性还是湿陷程度，新近沉积黄土较之整个黄土层都要严重，由此而产生的危害性也要大得多。
在试验数据的垂直分布上，新近沉积黄土样本取样深度约90%集中3m以上，这样的排列与野外地质鉴定基本上是一致的。局部地段如市区的西北部，也曾发现5～6m厚的新近沉积黄土，这种异常现象所出现的位置，已处于滹沱河冲洪积扇的边缘或其范围之外，地层形成可能受其它小型的洪积扇控制，在沉积顺序上应晚于前者，所以，在这些区段工作时，对新近沉积土层应引起足够的重视。
《湿陷性黄土地区建筑规范》附录A将石家庄市列为冀鲁地区第1亚区（Ⅵ1），给出的经验数据是：黄土层厚度8～10m，湿陷性黄土层厚度＜5m，δs平均值0.030。这个结果与本次统计分析得出的新近沉积黄土状土数据基本一致，但也仅限于此，如果将其放在整个层位中考虑，后两项数值则存在较大的差异。
3 岩土工程对策
3.1 岩土工程勘察原则
按照文献[1]所确定的工作思路，勘探点的间距取决于建筑类别和勘察场地的复杂程度（类别），石家庄市区地貌、地层简单，湿陷类型均属于非自重湿陷，地基湿陷等级大多为Ⅰ级，据此，可将其划归为简单场地，对甲、乙类建筑，勘探点间距分别是30～40m和40～50m。对同一问题，文献[2] 规定勘探点间距与地基复杂程度有关，由于黄土状土属特殊土，建筑地基复杂程度应为二级，相应的勘探点间距15～30m。在这个问题上，二部规范存在差别，相比较而言，后者要求更严格一些，也更符合本地区的工程地质情况，实际上，近年来绝大多数勘察单位，都是按≤30m间距布置勘探点，能够基本控制地层的变化。鉴于以上分析和经验，在石家庄市区开展勘察工作时，勘探点的间距执行文献[2]的要求，按15～30m考虑为宜。
对于专门用于采取Ⅰ级土试样而挖掘的探井，文献[1] 4.2.4条规定应大于10m或穿透湿陷性黄土层；按照本地区勘察工作经验，市区部分大部分地段地表下5～8m分布一粉细砂层，其下的土层为非黄土状土，探井挖掘下限揭露至该砂层即可。而对于局部黄土状土分布较厚的勘察场地，探井挖掘过深难度较大，且不安全；深度小则不能控制湿陷带，在此情况下，需要找出一个适宜的控制深度。参照表2分析结果，超过7m时湿陷土出现的概率不大于10%，基本上可以保障勘察深度对湿陷性的控制，故建议探井的挖掘深度应不小于7m。
湿陷性黄土地区建筑规范对黄土取样有如下规定：黄土地层采取不扰动试样，必须保持天然的湿度、密度和结构，并应符合Ⅰ级土样的要求。上述要求在本地区实施效果不太理想，其主要原因是：1）黄土状土多呈可塑～硬塑（粉质粘土）或中密（粉土）状态，很难用压入法取样。2）土中含有多少不等的钙质结核，经常造成薄壁取土器的损坏。3）采用重锤击入取样，在一定程度上造成土样的结构的破坏，从而降低或消除了土样的湿陷性，达不到Ⅰ级土样的质量。鉴于上述原因，人工挖掘探井在井壁上取样，仍是目前最为稳妥可靠的办法，这对于湿陷性试验尤其重要。
但是，人工挖掘探井是一种原始落后的工法，存在着效率低、成本高和不安全的因素，不可能大量的实施。若完全按照文献[1] 4.1.7条,探井应为取土勘探点总数的1/3～1/2，且不少于3个的要求执行。则需要挖掘大量的探井，这对城市中的岩土工程勘察不太现实。为了既能查清建筑场地黄土状土的湿陷性，又能充分利用本地区工程经验，尽可能的减少探井数量，建议按照建筑规模和建筑物分类，布置适量的探井，一般情况下，可按下表4考虑。
表4 探井布置数量建议表
建筑物分类
勘察工程规模
单栋建筑
二～三栋
建筑小区或建筑群
甲类
不宜少于2个
每栋不宜少于1个
乙类
1～2个
1～3个
不宜少于3个
丙类
1个
1～2个
丁类
可以参考邻近已有资料
3.2地基承载力修正
地基基础设计时，承载力特征值需要进行深度和宽度修正，文献[1]第5.6.5条，提出了黄土地基的修正公式（5.6.5式）：

同样，文献[3] 对同一问题也有以下的修正公式（5.2.4式）：

上述二个公式中，用于确定宽度修正系数ηb和深度修正系数ηd所取的指标不同， 5.6.5式主要取决土的形成年代和天然含水量w，而5.2.4式则是与地基土的天然孔隙比e、液性指数I L或粘粒含量ρs有关，显然，这几类物理指标之间并不存在直接的关系，对同一地基土，会得出不同的修正系数；另外，深度修正的基准深度d也有差别，二者相差1.0米；这样，计算出的修正后的承载力特征值就不一致，从而对地基基础设计的合理性产生影响。通常，黄土规范较之地基规范，计算出的数值要低，二者之差约在10～30%左右，基础设计时，这个差值的影响是不容忽略的。对此问题，勘察设计单位目前尚无统一的标准，工作中存在一定的随意性，在此情况下，执行哪部规范更科学合理，是我们面临的现实问题。笔者认为，就本地区地基土的工程性质而言，遇水产生湿陷是黄土最重要的特性，也是与一般土的主要区别，从这个意义上讲，采用那个公式，应视地基土的湿陷性而定，对于非湿陷黄土地基、湿陷量的计算值Δs≤50mm的地基、湿陷起始压力值大于附加压力与上覆土的饱和自重压力之和的地基，宜按文献[3]提出的公式计算，否则，应执行湿陷性黄土地区建筑规范的计算公式。
3.3复合地基设计取值
研究区内的黄土状土，特别是新近沉积土，由于土体未经历过正常的压密过程，固结作用较差，在工程性质方面，不但具有一定的湿陷性，其承载力也较一般土要低，以100～140 kPa居多，这就使得一般采用浅基础建筑的天然地基难以满足要求。近年来，比较流行的做法是使用复合地基进行加固补强；在复合地基设计时，承载力多按下式进行计算：

上式中有二个涉及到桩间土的参数应引起特别关注，按照文献[4]解释，这二个参数取值原则分别是：
fsk –处理后桩间土承载力特征值（kPa），宜按当地经验取值，如无经验时，可取天然地基承载力特征值。
β–桩间土承载力折减系数，宜按地区经验取值，如无经验时可取0.75～0.95（CFG桩）或0.9～1.0（夯实水泥土桩），天然地基承载力较高时取大值。
我们注意到，二个参数取值都强调了地方经验的重要性，应根据不同地质条件灵活掌握，采用适宜本地区的合理数值。相比较而言，对承载力和湿陷性二个因素，后者更应引起重视，因为地基的湿陷变形较之压密变形要大的多，稍有不慎，就有可能危及建筑物的安全，所以，对fsk的取值，当湿陷起始压力Psh小于承载力特征值fak时，宜取湿陷起始压力的平均值，即使地基浸水，也不至于让其发生湿陷变形。同理，桩间土承载力折减系数β亦应取较小值，根据笔者复合地基设计经验，这个系数取0.8左右应该是比较适宜的。
3.4深基坑支护
石家庄市区地下水位较深，基坑支护大多使用土钉墙或土钉加锚杆方案，对于深度不超过12m建筑基坑，这是一项成熟的技术，有着大量的工程经验。
目前，基坑支护设计大多由计算软件完成，稳定性和土压力计算方法源于Fellenius (或简化的Bishop)以及 Rankine–Coulomb理论，在极限平衡状态下，假定的破坏形式为圆弧滑动和平面滑动，但不论那种破坏机理，都要求土体是各向同性的，否则，计算结果会产生一些误差。如前说述，本地区基坑土体主要由黄土状土构成，这类土体中或多或少存在着垂直方向发育的节理，在一定程度上造成土体的各向异性，可能会对支护设计的合理性有影响。从近年来基坑失稳情况看，破坏形式多为土体片状剥落或呈块状垮塌，分离体后缘呈高角度近乎直立，这种现象可能与土体中垂直节理的作用有关。对此，使用传统的土钉设计方法，让相同深度等长的土钉既承担土压力又承担滑动力设计理念，有可能不是最合理的，采用长短土钉相结合，或短土钉长预应力锚杆，分别对土压力和滑动力发挥抗力，对具有垂直节理的黄土状土土体，可能是相对适宜的支护体系。
另一方面，基坑稳定性计算时的二个最重要参数黏聚力С和内摩擦角φ的取值，应充分考虑黄土结构的特殊性。在自然状态下，特别是含水量比较低时，本地区黄土状土的С、φ值是很高的，黏聚力С多数达到30 kPa以上，甚至有超过80kPa的情况，这是由于此时土的黏聚力并非完全是颗粒间结合水作用的结果，其中的钙质连（胶）接也在发挥着重要作用；一旦基坑坡体浸水，钙质成分溶解，土的抗剪强度就会急剧降低，尽管设计计算时采用抗剪强度标准值，但这并不足以抵消土体强度恶化的影响，按照笔者的经验，对天然含水量很小的黄土状土，饱水状态下土的黏聚力只及天然土的一半左右，显然，在此情况下采用标准值是不安全的。在进行基坑支挡设计时，岩土工程师应根据土的含水量大小，结合施工季节和可能受水浸泡的几率等因素，对抗剪强度标准值进行适当折减，必要时，可直接采用饱水状态下的抗剪强度。
4结语
（1）石家庄市区第一层砂土之上的地层形成于第四系全新世中晚期，为冲洪积成因，属于次生黄土，岩土定名应为黄土状土。
（2）研究区西部地层的湿陷性较东部发育，新近沉积黄土状土厚度也相对较大，这层土对建筑地基危害严重，勘察设计需予以重视。
（3）土层湿陷性随深度增加而减小，但不呈线性关系，存在3m和6m二个突变点。湿陷性黄土地区建筑规范附录A对石家庄黄土湿陷性的界定基本合理，但仅限于上部的新近沉积土（第一拐点之上），在5m以下湿陷性土仍有一定比例，对较重要的建筑地基不能忽视。
（4）鉴于黄土状土的工程特性，岩土工程勘察、设计、施工时应有针对性地采取对策措施；在参数取值以及布设探井等方面，既要执行相关规范规定，也要充分考虑本地区的工程实践经验。

参考文献
[1] 湿陷性黄土地区建筑规范.中国建筑工业出版社.2004.
[2] 岩土工程勘察规范.中国建筑工业出版社.2002.
[3] 建筑地基基础设计规范.中国建筑工业出版社.2002.
[4] 建筑地基处理技术规范.中国建筑工业出版社.2002.
[5] 黄土与环境.刘东生.科学出版社1985.
[6] 石家庄市建成区地基承载力分布及岩土工程对策.河北师大、中兵北方勘察院等.1994.
[7] 河北省石家庄市第四系工程地质地层层序划分标准.河北建设勘察研究院.2005.
《河北勘察》2007年第二期发表