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湿陷性黄土
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对深厚湿陷性黄土地基处理的探讨
2007年09月07日星期五上午11:
27
王军平
(中国水电西北勘测设计研究院,西安 710065)
关键词:
湿陷性黄土;地基处理;灌注桩;预浸水
摘 要:
湿陷性黄土是西北地区常见的一种工程地质问题。
根据水利水电工程实践对几种常用地基处理方法的具体应用以及存在的问题进行了论述,对类似工程的设计具有指导意义。
Discussionontreatment ofthickdamp-riskloess foundation
WANGJun-ping
(ChinaHydroNorthwestInvestigationDesign&ResearchInstitute,
Xi'an 710065,China)
KeyWords:
damp-riskloess;foundationtreatment;injectedgroutpile;preseepagewater
Abstract:
Damp-riskloessisacommonengineeringgeologicalprobleminNorthwestregions.Basedonpracticeofwaterresourcesandhydropowerprojectsapplicationofsomecommontreatmentmethodsandproblemsexistedarediscussed,whichmightprovideguidancefordesignofsimilarprojects.
1 黄土分布及概述
黄土作为一种常见的工程地基,在世界各地分布很广,面积达1300万km2,约占地球陆地总面积的9.3%。
中国黄土主要分布于北纬33°~47°之间,尤以34°~45°之间最为发育。
总面积约为63.5万km2,占世界黄土分布的4.9%左右。
黄土的堆积厚度为世界之最,其厚度中心在洛河和泾河流域的中下游地区,最大厚度达180~200m。
由此向东西两边逐渐减薄。
其分布南始于甘肃南部的岷山、陕西的秦岭、河南的熊耳山、伏牛山,北以陕西白于山、河北燕山为界,西起祁连山,东至太行山。
湿陷性黄土约占中国黄土分布面积的60%左右,主要分布于黄河中、下游地区,厚度最大达30m左右。
并具有自东向西、自南向北其湿陷性逐渐加剧的规律。
黄土按其成因分为原生黄土和次生黄土。
一般将不具层理的风成黄土称为原生黄土,原生黄土经过流水冲刷、搬迁重新沉积而成的为次生黄土,工程界统称它们为黄土。
次生黄土一般具有层理,较原生黄土结构强度要低。
黄土在一定压力(土自重或自重压力和外压力)作用下,受水浸湿后结构迅速破坏而发生的显著下沉现象,称之为湿陷。
具有湿陷性的黄土称为湿陷性黄土。
湿陷性黄土又分为自重湿陷性黄土和非自重湿陷性黄土。
中国现行国家标准《湿陷性黄土地区建筑规范》GBJ25-90对湿陷性黄土从工程角度作了明确划分,将湿陷系数δs≥0.015的黄土定义为湿陷性黄土,同时将实测或计算自重湿陷量大于7cm的湿陷性黄土定义为自重湿陷性黄土,将实测或计算自重湿陷量小于或等于7cm的湿陷性黄土定义为非自重湿陷性黄土,并将黄土的湿陷等级划分为轻微(Ⅰ级)、中等(Ⅱ级)、严重(Ⅲ级)、很严重(Ⅳ级)4个级别,这里不再详述。
中国黄土按地质形成年代和工程特性基本划分为下列4个地层。
(1)早更新世黄土。
简称为Q1黄土,形成于距今70~120万年之间。
粉粒和粘粒含量比后期黄土要高,质地均匀,致密坚硬,低压缩,无湿陷性;
(2)中更新世黄土。
简称Q2黄土,形成于距今10~70万年之间。
同样具有粉粒和粘粒含量比后期黄土要高,质地均匀,致密坚硬,低压缩性的特点。
但其最上部已表现出轻微湿陷性,是西北地区黄土地层的主体;
(3)晚更新世黄土。
简称Q3黄土,形成于距今0.5~10万年之间。
质地均匀,但较疏松,肉眼可见大孔,具湿陷性或强烈湿陷性;
(4)全新世黄土。
简称Q4黄土,形成于距今5千年内。
一般土质疏松,肉眼可见大孔,具湿陷性或强烈湿陷性。
通常将早期和中期形成的Q1和Q2黄土统称为老黄土,将其后形成的Q3和Q4黄土称为新黄土,可以看出通常所说的湿陷性黄土指的就是新黄土。
2 湿陷性黄土地基处理的工程实例
中国工程界自解放以来随着对湿陷性黄土的不断认识,先后于1966年、1978年和1990年分别制定了《湿陷性黄土地区建筑规范》,简称为“66黄土规范”、“78黄土规范”以及现在使用的“90黄土规范”,对湿陷性黄土地区的工程设计起到了规范和指导作用。
笔者从事水利水电工程10多年来,先后参与了湿陷性黄土地区的供水工程、灌溉工程、泵站及电站工程以及游泳池等工程的设计,多数工程已正常运行多年,期间也出现过一些问题,在这里摘录点滴供大家交流和探讨。
2.1 大直径空心混凝土灌注桩在处理湿陷性黄土地基中的应用
陕西省东雷抽黄续建工程曾是陕西的重点工程,工程总投资15.0亿元,其下寨抽水站是提黄灌溉工程的三级站,笔者有幸参加了该站的设计工作,该项目的设计获得陕西省优秀工程设计一等奖。
该站主要建筑物之一出水塔的基础就是深达17.0m的自重湿陷性黄土,湿陷等级为Ⅱ级,塔体重量为4500t。
其上游连接的是直径达2.0m的4根厂房出水管道,下游衔接的是渡槽,所以对塔体的基础处理是极为重要的,一旦塔体沉陷,将直接影响上下游建筑物的安全。
地基处理先后对可能采用的灰土挤密桩、碎石震冲桩、静压桩、混凝土灌注桩以及沉井等方案进行了逐一比较,灰土挤密桩和碎石震冲桩存在的问题
是处理深度不够和造价较高,采用混凝土灌注桩则造价更高。
为了降低造价,项目组邀请了陕西省水电工程局,陕西省水利工程建设管理局等施工单位的专家进行共同探讨,就工程施工方案的可行性进行分析,最后通过了项目组推荐的混凝土灌注桩方案。
为了降低造价提高单桩承载力,设计拟采用空心混凝土灌注桩外加端部扩头来提高单桩的承载力,经过对不同桩径的反复试算,最后采用了8根桩径为2.0m,壁厚0.3m,桩端扩头直径3.6m的空心混凝土灌注桩,桩深30m,桩距6.0m。
负摩阻力系数取1.55t/m2,正摩阻力系数取3.5t/m2,桩端标准承载力21t/m2,修正后为79.8t/m2,单桩承载力812.4t。
当时查到的国内最大桩径为1.6m,该桩的桩径已达到国内同类工程的最大桩径。
工程实施已近10a,一直运行正常。
2.2 宁夏扬黄扩灌工程十一泵站厂房湿陷性黄土基础的处理
宁夏扬黄扩灌工程十一泵站主副厂房总长度77.5m,主厂房宽13m,副厂房宽14.5m。
其基础为自重湿陷性黄土,厚度达36.5m,自重湿陷等级为Ⅲ~Ⅳ级,湿陷评价为严重~很严重。
由于基础湿陷等级太高,而且厚度很大,面又广,经过多方比较,基础处理方案定为采用预浸水处理消除基础黄土的湿陷性。
设计在建筑物周边外放5~10m范围内(80m×40m)布置了6个20m×20m的浸水畦块,浸水坑深80cm,然后在坑内用洛阳铲挖浸水孔,孔径8cm,孔深23m,孔距5.0m,孔内填入碎石或砂砾石。
浸水时,水深保持在淹没浸水孔0.5m以上。
经过224d的持续观测(其中浸水观测162d,停水观测62d)。
坑内停水前沉降量为127.5~188.6cm,平均167.7cm,停水后沉降量为16.2~85.3cm,平均167.7cm。
浸水前后累计平均沉降量为215.1cm。
单位面积耗水量33.6t/m3。
浸水停止4个月后,在现场布置探坑3个,探坑深度13m,在探坑深度范围内每米取样1件,进行室内常规土工试验。
探坑开挖后发现,13m以下的土层仍呈饱和状态,不能取样。
根据土工试验结果,在饱和自重压力下的自重湿陷性系数(δzs)均小于0.015,计算自重湿陷量△zs=1.9cm,小于7cm。
200kPa压力下的最大湿陷系数(δ)也小于0.015,计算总湿陷量△=6.0cm。
说明基础黄土的湿陷性已基本消除。
实际施工中存在的问题是浸水处理后的泵站场地上层土层,仍呈中~高压缩性,以中压缩性为主,其承载力标准值为130~150kPa。
另外,预浸水后基础土层含水量过高,接近于饱和状态致使后续工作无法正常进行,这也正是预浸水处理的弊端。
根据以往工程的经验,预浸水处理耗时较长,一般停水后要1a左右的时间才能使土层的含水量降低到最初状态,因此在采用预浸水处理时一定要充分考虑工期问题。
另外预浸水处理只能消除地表6m以下土层的湿陷性,对于表层6m范围内的土层还具高压缩性,应结合使用换填等其他办法消除其高压缩的外荷湿陷性。
在该工程中施工单位最后对表层8m范围内的土层采用了水泥粉喷桩处理。
3 湿陷性黄土地基处理的方法探讨
中国在解放后对于湿陷性黄土地基处理的实践已有几十年了,具体方法也很多,但归纳起来其基本思路不外乎以下几种:
(1)基本消除基础已有土层的湿陷性;其常用方法有强夯、换土、挤密桩等。
这是对于土层较薄(10m以内)时采用的办法。
当土层深厚时,常用办法就是预浸水处理。
这类办法是通过工程措施,针对湿陷土层本身进行处理,改善其土壤结构和基本特性,以达到消除其湿陷性的目的。
这种方法的缺点是对于深厚湿陷性黄土来说,耗时太长,往往影响工期。
优点是施工方便,费用较低;
(2)使建筑物基础穿透湿陷性黄土层,传力于湿陷土层以下的持力土层上,达到躲过湿陷性黄土层的目的。
常用方法就是桩基,尤以灌注桩为主。
这种方法避过了湿陷性土层,使基础传力于湿陷土层以下的持力土层上,相对来说比较安全可靠,所以被广泛应用于比较重要的独立建筑物的基础处理。
缺点是投资费用较大;
(3)充分作好建筑物基础的隔水层,使基础湿陷性黄土地基无法浸水,以达到避免地基湿陷的目的。
常用的隔水材料有灰土、油毡以及各种PVC和PE膜。
这种方法常常用于对基础承载力要求不高的设施,如游泳池、供水管床、渠道等。
另外,值得探讨的是,对于大厚度湿陷性黄土是否一定要消除其湿陷性?
笔者在工程实际中遇到过类似的问题。
在宁夏扬黄扩灌工程设计中,通过调查发现当地很多建筑物其基础虽然较深,但并没有对基础作特殊处理,运行多年也未发现湿陷问题。
过后通过调查分析发现,原因在于该地区常年降雨量很小,在180~400mm之间,而蒸发量却达到1800~2200mm,蒸发量相当于降雨量的5~10倍,即便是发生大暴雨,雨水也无法浸透深厚的湿陷土层。
据宁夏自治区水电设计院地质勘测队对原固海老灌区地下水变化的大量调查发现,老灌区十多年来的灌溉运行并没有影响到地下水位的变化,且大量的灌溉水量仅仅只能引起地表10m范围内的土壤含水量发生变化,10m以下土层含水量保持在稳定状态。
另据原建工部建筑科学研究院和西安市自来水公司等单位曾在西安韩森寨一带进行的管道漏水影响范围的试验,连续漏水23~153d,漏水量600~1400t,试验结果,最大浸湿范围为5.0~7.3m。
同时用350mm的混凝土管做试验,漏水32d后,浸湿范围基本稳定,最大影响半径为5.0m。
这也就引起了思考,对于大厚度湿陷性黄土是否一定要彻底消除其湿陷性?
笔者认为这个问题很值得研究,尤其在西北地区,因为该地区湿陷土层较厚,经常在20m以上,甚至象前面提到的36.5m深。
完全消除这些土层的湿陷性或彻底穿透湿陷土层往往要花很大代价,所以对这一问题的深入研究具有直接的经济效益,能够大量节约工程投资,缩短工程工期。
此时应对建筑物使用条件和所处的周边环境作适当调查,具体问题具体分析,只要建筑物的基础承载力满足要求,外界来水又无法浸湿湿陷性地基时,完全可以考虑将建筑物基础坐落于湿陷土层上。
事实上,很多游泳池、输水渠(管)道也就建在湿陷性土层上。
对于基础承载力要求较高的较大型的建筑物,当基础埋深较大如箱基等,其地基承载力常常是可以满足要求的,此时就可以考虑不消除其地基土层的湿陷性,只要作好隔水处理即可。
这样处理可以节约大量资金和工期,对于中小型深基坑厂房很值得借鉴。
4 结语
湿陷性黄土在西北地区分布较广,积累的工程经验也比较丰富,以上仅是个人的一点体会和看法,提出来和大家探讨。
参考文献
[1]钱鸿缙,王继唐.湿陷性黄土地基[M].北京:
中国建筑工业出版社,1985.
[2]GBJG25-90.湿陷性黄土地区建筑规范[S].
管道输送是一种较为安全的运输手段,但在不同的地质条件下设计、施工管道有着不同的技术要求。
介绍了在湿陷性黄土地区地基处理的几种方法以及灰土及砂垫层处理方法。
前言
随着国民经济的发展,科学技术的进步,采用管道输送各种介质的范围及领域越来越广,距离越来越远。
输送管道的设计、施工、维护等有它的特殊性,它和地形、地质、输送的介质、管材等有着密切的关系。
在长距离管道安装中,由于各方面的因素,采用直埋的方法最为普遍,而直埋管道的基础对不同地基、土质也有着不同的要求。
不良地质主要有:
软粘土、杂填土、冲填土、膨胀土、红粘土、泥炭质土、岩溶、湿陷性黄土等。
湿陷性黄土地区在我国土地面积中占相当大的比例,在这种土质中敷设管道,对地基的处理有着特殊的要求。
本文着重介绍湿陷性黄土地区管道基础的处理与施工的几种方法。
1 湿陷性黄土的分布
在我国,黄土和黄土状土广泛分布在华北、西北等地,且地层多、厚度大。
在这些地区,一般气候干燥、降雨量少,蒸发量大,属于干旱、半干旱气候类型。
黄土分布地区年平均降水量在250~500 mm之间。
黄土在自重或一定荷重作用下受水浸湿后其结构迅速破坏而发生显著的附加下沉,以至在其上的建筑物遭到破坏。
这是黄土的一种特殊性质。
我国湿陷性黄土分布约占黄土分布面积的60%,大部分在黄河中游地区。
由于各地黄土堆积环境、地理和气候条件不同,致使其在堆积黄土的物理、力学性质等方面都具有明显的差别,湿陷性有自西向东、自北向南逐渐减弱的规律。
2 管道地基处理
由于湿陷性黄土的特性,在湿陷性黄土地区管道发生事故的主要原因是地基的不均匀沉降。
因此管道对地基强度、稳定性及不均匀沉降有极为严格的要求。
2.1 影响地基的几个因素
(1)强度及稳定性。
当地基的抗剪强度不足以支撑上部结构的自重及附加荷载时,地基就全产生局部或整体剪切破坏。
(2)压缩及不均匀沉降。
当地基由于上部结构的自重及附加荷载作用而产生过大的压缩变形时,特别是超过管道所能允许的不均匀沉降时,则会引起管道过量下沉,接口开裂,影响管道的正常使用。
(3)地震造成的地基土震陷以及车辆的振动和爆破等动力荷载可能引起地基土失稳。
(4)地基渗漏量或水力比降超过容许值时,会发生水量损失或因潜蚀和管涌而可能导致管道破坏。
当管道的天然地基存在上述四类问题之一或几个时,应采取适当的地基处理措施,以确保管道的安全正常运行。
在确定管道基础处理方案时,可根据工程的具体情况对几种处理方法进行技术、经济以及施工进度等方面的比较。
合理的地基处理一定是技术可靠,经济合理,又能满足工程进度的要求。
2.2 湿陷性黄土地基的处理方法
为了保证湿陷性黄土地基上管道的安全和正常使用,在绝大多数情况下都必须考虑地基处理,湿陷性黄土地基处理的目的是消除黄土的湿陷性,同时提高地基的承载能力。
管道的地基处理不同于其它建筑物地基的处理,管道地基处理主要是全部或部分消除其湿陷性。
对非自重湿陷性黄土地基,如基础下地基处理厚度达到压缩层下限,或达到饱和的自重压力与附加压力之和等于或小于该土层的湿陷起始压力,就可以认为地基的湿陷性全部消除。
对自重湿陷性黄土地基,由于地基的湿陷量和湿陷变形与自重湿陷性土层的厚度、浸水面积有关,而与压缩层厚度无关,所以必须处理基础地面以下的全部自重湿陷性黄土层。
在非自重湿陷性黄土地基上,对Ⅰ级湿陷性黄土一般不需要地基处理。
对于Ⅱ级处理厚度为1.0~1.5 m,如处理厚度小于1.0 m时,湿陷性仍要危及构筑物或管道安全。
对于Ⅲ级湿陷性黄土,处理厚度为1.0~2.0 m,Ⅳ级应为2.0~3.0 m。
此外,应根据土层的湿陷性系数的分布情况,湿陷性黄土层的厚度及管径、管材、介质等具体情况,适当增加或减少处理厚度。
湿陷性黄土层的管道基础处理方法很多,常用的方法有土或灰土垫层、砂或砂垫层、强夯法、重锤夯实法、桩基础、预浸法等。
各种处理方法都有它的适用范围,局限性和优缺点。
由于管线长,工程地质条件千变万化,而且机具、材料等条件也会因地区不同而有较大差别。
因此,对每一具体线段都要进行细致分析,从地基条件、处理要求(包括处理达到的各项指标、处理范围)、工程费用、材料、机具等诸多方面进行考虑,以确定合适的地基处理方法。
2.2.1 灰土垫层
灰土垫屋常被用于非自重湿陷性黄土地区管道基础的处理。
一般适用于处理1~4 m厚的软弱土层。
管道的基础是条形基础,作用于地基上的力也比其它建筑物小,而且是基槽开挖后埋入地下,表面的软弱土一部分已被去掉,所以在管道施工中常用灰土(或素土)垫层来处理湿陷性地区的管道基础,以提高承载力,减少沉降力。
灰土垫层是将基础下面一定范围内的弱土层挖去,用一定体积比配合的灰土在最优含水量情况下分层回填夯实或压实。
(1)承载力的确定。
经过人工压实(或夯实)的3∶7灰土垫层,当压实系数控制在0.97及干土重度不小于14.5~15.0 kN/m3时,其容许承载力可达300 kPa以上。
对于2∶8灰土,当压实系数控制在0.97及干土重度不小于14.8~15.5 kN/m3时,其容许承载力可达300 k Pa。
(2)灰土垫层材料配比。
灰土中石灰用量在一定范围内,其强度随灰土用量的增大而提高,但当超过一定限值后,强度则增加很小,并且有逐渐减小的趋势。
1∶9灰土只能改善土和压实性能,2∶8和3∶7灰土一般作为最优含灰率,但与石灰的等级有关,通常应以CaO+MgO所含总量达到8%左右为最佳。
灰土中土不仅作填料用,而且参与化学作用,尤其是土中的粘粒或胶粒具有一定活性和胶结性。
含量越多,灰土强度越高,土粒粒径不得大于15 mm。
灰土垫层的施工,应严格按有关规程进行。
(3)灰土的质量检验。
一般采用环刀取样,测定其干土重度。
质量标准可按压实系数确定,一般为0.93~0.95。
管道基础压实系数一般采用0.95,不得小于0.90。
(4)灰土垫层的厚度与湿陷变形的关系。
垫层具有一定的厚度才能使湿陷量最大的上部土层的湿陷性消除,并由垫层扩散到天然黄土层的附加力减少到某种程度,使浸入后的湿陷量减少。
垫层的宽度则以沟槽宽度为依据,对于孔洞、沟涧、墓穴及其它回填土、淤土地区,垫层处理范围要扩大。
2.2.2 素土垫层
素土垫层是先挖去基坑下的部分或全部软弱土,然后回填素土分层夯实,处理Ⅰ级非自重湿陷性黄土,管径不大的管道基础常采用素土垫层。
素土垫层的土料一般以粘性土为宜,填土必须在无水的管沟(基坑)中进行。
夯(压 )实施工时,应使土的含水量接近于最佳含水量,填土的夯(压)实应分层进行,多层虚铺的厚度可参照灰土垫层的虚铺厚度。
2.2.3 砂和砂石垫层
当管道的不透水性基础与软土层相接触时,在荷载的作用下,软弱土地基中的水被迫从基础两侧排出,基底下的软弱土不易固结,形成较大的孔隙水压力,还可能导致由于地基强度降低而产生塑性破坏的危险。
砂垫层和砂石垫层材料透水性大,软弱土层受压后,垫层可作为良好的排水面,可以使基础下面的孔隙水压力迅速消散,加速垫层下软弱土层的固结和提高其强度,避免地基土塑性破坏。
因此湿陷性黄土地基处理也可采用砂和砂石垫层。
砂垫层的厚度一般根据垫层底面处的自重应力与附加应力之和不大于同一标高处软弱土层的容许承载力来计算。
δc+δz≤R
式中δc--垫层底面处土的自重应力,kPa;
δz--垫层底面处土的附加应力,kPa;
R--垫层底面处软弱土层修正后容许承载力,kPa。
具体计算时,一般可根据砂垫层的容许承载力确定垫层基础宽度,再根据下卧土层的承载力确定出砂垫层的厚度。
砂垫层的宽度除应满足应力扩散的要求外,还要根据垫层侧面的容许承载力来确定,防止垫层向两边挤动。
如果垫层宽度不足,侧面土层又比较软弱时,垫层就有可能部分挤入侧面软弱土中,使基础沉降增大。
砂、砂土垫层的材料宜采用级配良好,质地坚硬的粒料,其颗粒的不均匀系数不小于10。
管道基础砂垫层以中粗砂为好,也可掺加一定数量的碎卵石。
关于质量检查,用容积不小于200 cm3的环刀压入垫层土取样,测定其干土重度,以不小于砂料在中密状态时的干土重度数为合格,如中砂一般为15.5~16 kN/m3。
2.2.4 强夯法
强夯法处理地基具有效果显著、设备简单、施工方便、适用范围广、经济易行和节省材料等优点。
对湿陷性黄土地基的加固有较好的效果,在管道施工中,若遇到湿陷性黄土层厚、湿陷性变形大,且管道自重大,对管道的安全性要求高的情况下,也可用强夯法来处理基础。
在湿陷性黄土地基土上进行强夯,当夯击能为1000~2000 kN时,一般可消除夯面下5 ~8 m深内黄土底湿陷性,5 m深度内的土的压缩模量可提高到150 MPa,容许承载力可提高到200 kPa以上。
2.2.5 注意事项
管道地基处理不同于其它建筑工程,大部分地基处理方法的加固效果并不是施工结束后就能全部发挥,还需要在施工完成后经过一段时间才能逐步体现出来,另一方面,每一线段的地基处理存在它的特殊性,而且地基处理效果大都是隐蔽工程,很难直接检验其处理效果。
这就要求在地基处理施工过程中和施工完成之后注意下面几点:
(1)在地基处理施工中,只了解如何施工是不够的,还必须了解所采用处理方法的原理、技术标准和质量要求。
(2)进行施工质量和处理效果的检验,确保工程质量。
(3)作好监测工作,以保证施工的正常进行,通过观察收集数据为下一阶段的工作提供可靠的依据。
(4)采用可行的检测手段来检验处理效果。
(5)通过分析可获得必要的参考值,可以验证设计,必要时进行设计修改,也可通过分析获得宝贵的经验。
对深厚湿陷性黄土地基处理的探讨
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黄土作为一种常见的工程地基,在世界各地分布很广,面积达1300万km2,约占地球陆地总面积的9.3%。
中国黄土主要分布于北纬33°~47°之间,尤以34°~45°之间最为发育。
总面积约为63.5万km2,占世界黄土分布的4.9%左右。
黄土的堆积厚度为世界之最,其厚度中心在洛河和泾河流域的中下游地区,最大厚度达180~200m。
由此向东西两边逐渐减薄。
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2.2 宁夏扬黄扩灌工程十一泵站厂房湿陷性黄土基础的处理
宁夏扬黄扩灌工程十一泵站主副厂房总长度77.5m,主厂房宽13m,副厂房宽14.5m。
其基础为自重湿陷性黄土,厚度达36.5m,自重湿陷等级为Ⅲ~Ⅳ级,湿陷评价
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