黄土丘陵沟壑区削山填沟场地的主要工程地质问题及相关建议

路波涛

陕西长嘉建设工程有限公司  西安  710001

0引言

我国中北部地区存在广袤的黄土覆盖区，地貌单元以黄土山地、丘陵、台塬为主，梁峁交错、沟壑纵横、地形破碎，而城市所处的河谷平原区面积相对较小，一定程度上限制了城市的发展。基于此，工程技术人员不断探索在黄土丘陵沟壑区通过“削山填沟，人工造地”的方式来扩展工程建设用地，并取得了一定的社会和经济效益，如延安新区、兰州新区、兰州青白石片区、九州片区、皋兰县什川片区等。但由于黄土独特的工程性质和地貌特征，使得这类场地存在一些固有工程地质问题，本文将对这些问题进行分析，并提出相关建议，为削山填沟场地工程建设提供借鉴。

1黄土的湿陷变形问题

湿陷性黄土是一种非饱和土，一般强度较高，压缩性较小，但在一定压力下，受水浸湿后，其结构会迅速破坏，强度也随之降低，并会产生显著的附加沉降，这就是黄土的湿陷变形。

根据调研结果，黄土丘陵沟壑区削山填沟场地存在不同程度的湿陷变形问题，变形主要发生在建筑物基底、路基、管基和室外绿化场地，表现为基础和持力层脱离，路基和管基和室外绿化场地沉陷，比较而言，填方区变形较挖方区更为严重，其主要原因是地表水和管道水下渗，地基黄土在自重和上部荷载作用下产生湿陷变形。

对黄土的湿陷变形问题，要根据场地的湿陷类型、湿陷等级和建（构）筑物结构特征，严格按照规范要求，首先从地基基础措施入手，做好地基处理工作，消除地基土的湿陷性，选择合适的基础持力层，控制黄土湿陷的内因；其次，要做好防水措施，在总平面设计、场地和地面防水、地下管道敷设等多环节严格把控，必要时可采取侧向防水措施，以防止地表水和地下水入渗引起地基土湿陷；为了减小或调整建筑物的不均匀沉降，或使结构适应地基的变形，还需要采取相应的结构措施。

2黄土高边坡稳定性问题

削山填沟工程一般规模较大，以兰州皋兰县某项目为例，由挖方和填方形成的临时或永久性高陡黄土边坡最大高度接近100m，边坡稳定问题成为影响场地稳定的关键因素。

（1）开挖型黄土高边坡

该项目工程区域内地表广泛覆盖马兰黄土，土质疏松，孔隙和垂直节理发育，场地为自重湿陷性场地，湿陷等级为Ⅲ级（严重）~Ⅵ级（很严重），原始地形边坡稳定。场地及周边存在数个开挖型黄土边坡，坡高介于20~80m之间，坡度介于40°~50°，肉眼可见坡脚凹陷，有侵蚀剥落现象，坡面有冲沟，局部形成落水洞，坡面偶见浅层滑坡，规模较小，深度一般不超过2m。

研究发现[1]，开挖型黄土边坡变形破坏的主要原因是开挖卸荷。开挖后产生临空面，土体应力场发生变化，在剪应力作用下，卸荷松弛形成的软弱带逐渐扩展，伴随降水、冻融及人为活动的影响，最终形成滑动破坏面。开挖型黄土高边坡一般为多级边坡，杨校辉等[2]经敏感性分析认为，坡高和坡率是设计放坡级数的首要考虑因素，同时，随着土的重度降低，黏聚力和摩擦角增大，边坡稳定性随之提升。

（2）填方型黄土高边坡

开挖型边坡变形破坏问题已有大量深入研究，边坡治理经验和措施相对成熟，对场地稳定影响一般可控，而填方形成的人工边坡，由于填方厚度较大，边界复杂，施工时存在临空面，填筑体缺乏侧向约束，填方压实度和均匀性难控制，边坡治理难度大，易发生滑动变形。

勘察发现，在坡顶一定范围内，距离坡肩越远，填土压实度和均匀性越好，土体强度也越高，距离坡肩越近，土体强度越低，加之填方厚度变化较大，在自重应力和地表水作用下，边坡土体易发生不均匀沉降，通长越靠近临空面，变形越大，在边坡后缘和填方边缘附近容易形成拉裂缝。坡体变形和拉裂缝的形成，改变了坡体的渗透性，雨季地表水大量入渗，软化了裂缝尖端和两侧土体，裂缝进一步扩展，如此循环往复，最终会形成贯通滑动面，导致边坡整体失稳。

通过以上分析，对于开挖型黄土高边坡，建议重点关注开挖坡度和放坡级数，二者可通过合理的数值模拟计算并结合地区工程经验来确定；对于填方型黄土高边坡，填方压实度、边坡高度和坡度是边坡稳定的控制因素，设计施工时应重点把握。除此之外，对于挖方型和填方型黄土高边坡应根据需要进行必要的支护，做好边坡的防排水措施，以确保边坡满足变形稳定要求，并应对边坡变形定期监测。

3黄土高填方地基变形问题

黄土高填方场地通长是在沟谷中依山就势贴坡填筑的，边界复杂，且填方面积广，厚度大，施工质量难以精确控制，场地常发生不均匀变形。张豫川等[3]通过现场试验和数值模拟发现，贴坡填方场地按变形性质不同可分为沉降和水平位移，按变形主体不同可分为原状土地基变形和填方体变形。对沉降变形而言，原状土地基沉降量随时间呈线性增长，而填方体沉降先快速后匀速，且变形量随深度增大而增大；对于水平位移，原状土发生在地表一定深度范围内，主要原因是上覆填土压力造成的表层土体小范围滑动和界面上填方滑动对下伏原始地基土的拖拽作用，而填方体水平位移原因主要是填土的顺坡滑动和不均匀沉降。

填方地基不均匀变形是一个漫长复杂的过程，其影响因素众多，包括原始地形地貌、坡度、原状地基土性质、填方高度、填料性质、压实度、施工工艺等，经过几年甚至十几年场地才能趋于稳定，这使得沉降变形难以控制和准确预测，是场地最大的病害，反映到地表即出现沉降裂缝、台阶及坑槽等现象。不均匀变形多分布在填方边缘附近、填方厚度变化较大部位及填方型边坡的坡肩附近。不均匀变形严重时会导致建（构）筑物倾斜开裂，路基沉陷，管道错断等不良后果，这大大降低了场地开发的安全性和经济效益。

填方地基发生不均匀沉降的原因主要有：

①原状土地基不均匀沉降。原状土地基在上覆填方荷载作用下发生固结沉降，但由于填方厚度不均，即上覆荷载大小不均，加之原始地形高低不平，导致原状土地基发生不均匀沉降。

②填方体自身不均匀沉降。以兰州皋兰县某项目为例，填方采用振动碾压和强夯法分层填筑施工，填料含水率较低，约为5%~8%，最优含水率约为13%~14%，现场通过洒水加湿，但由于填方量较大，填料质量很难达到设计要求，填筑体的压实度和均匀性难以控制。受原始地形影响，填方厚度变化较大，在自重和上覆荷载作用下，填筑体发生固结沉降，总体而言，沉降量随填方厚度和速率增大而增大，沉降一般沟谷中央较大，两侧边坡位置较小，横断面上，不对称沟谷的陡坡一侧沉降量较缓坡一侧大[4]，上述诸多因素导致填方体发生不均匀沉降。

对黄土高填方场地变形问题建议如下：填方施工时，建议严格控制填料含水率、压实度等指标，分层检测，施工质量达到设计要求后方可继续填筑，填方边缘建议采用台阶式搭接。黄土高填方地基上的建筑施工，宜在沉降稳定后进行。对高填方场地建议不要用做高层、多层或其他重要建（构）筑物的建设场地，可用做室外绿化和活动场地，若建（构）筑物对地基变形要求严格，建议填筑施工前对原状土地基进行预处理，以满足后期对湿陷变形和不均匀沉降的要求。

4地表水和地下水排泄问题

黄土丘陵沟壑区特殊地貌的形成与流水的冲刷侵蚀密不可分。黄土结构疏松，经过漫长的流水冲刷侵蚀，形成了黄土沟谷和陡坡，并在一定时期内，保持相对稳定状态，但在人为削山填沟影响下，沟谷和坡面原有径流通道被破坏，地表水和地下水疏排受阻，在土体局部形成饱和带，甚至会引起地下水位升高，从而改变了场地的工程地质条件。

（1）地表水

黄土削山填沟区地表水主要来自大气降水，每个沟谷构成独立的汇水单元，坡面水流汇集到沟道中，从上游向下游排泄。山体切削、沟道填埋截断了原有地表水排泄通道，地表水容易沿填方和原地基接触面以及裂缝下渗，在填筑体内局部富集形成饱和带，引起土体的湿陷变形，当地表水流较急时，还会在地表形成冲沟和落水洞。

（2）地下水

黄土沟谷砂岩、泥质砂岩出露区常有地下水从岩层风化裂隙中渗出，水流量一般较小，沟道填埋之后，地下水渗出点附近填筑土体含水率会逐渐升高形成饱和带，随着时间推移，饱和带范围逐渐扩大，一定程度上会改变地下水的渗流方向、渗透系数和水力梯度等参数。

若地表水和地下不能有效疏排，会使土体软化，强度降低，引起湿陷变形，甚至会降低桩端持力层的强度，使建筑沉降开裂，因此，对地表水和地下水疏排建议如下：

①在建筑物基底及附近要做好防水工作，保证建筑物地基安全；地表水疏排时在容易下渗的部位，如填方体边缘、裂缝等部位，要及时采取措施，防止地表水大量入渗；

②地表水和地下水疏排作为边坡治理的重要组成部分，对边坡安全尤为重要，应将二者结合，综合考虑，综合治理；

③填挖方时尽量利用原有天然疏排通道，若天然通道无法满足疏排要求，可埋设地下管涵或设置排水盲沟；

④横跨填方和原始地基的管道、排水沟等设施，要采取防治不均匀沉降的地基处理措施和抗变形结构措施。

5结语

本文从黄土的湿陷变形、高边坡稳定性、高填方地基变形以及地表水和地下水排泄问题四个方面对黄土沟壑区削山填沟场地面临的工程地质问题进行了论述，并分别提出了建议。需要注意的是，上述四方面问题不是彼此孤立的，而是相互影响、相互制约的，要保证填方场地的整体稳定性，就要从场地规划、设计、施工等多方面综合考虑，立足长远，严把质量，避免因盲目追求短期经济效益，而给后期场地稳定和建（构）筑物安全埋下隐患。

参考文献

[1]薛强，张茂省，毕俊擘等.开挖型黄土边坡剥落侵蚀作用及变形破坏研究[J].西北地质，2019，52（2）：158-166.

[2]杨校辉，陆发，郭楠等.多级黄土高边坡稳定性计算及数值模拟分析[J].岩土工程学报，2022，44（1）：172-177.

[3]张豫川，姚永国，马超等.黄土山区贴坡填方地基的变形特性[J].兰州大学学报（自然科学版），2022，58（2）：195-202.

[4]梅源、胡长明、魏弋峰等.Q2、Q3黄土深堑中高填方地基变形规律离心模型试验研究[J].岩土力学，2015，36（12）：3473-3481.