软弱膨胀土的地基处理与实例分析.doc

摘要：软弱膨胀土地基是一种比较特殊的地基。当利用这种土作为建筑物地基时，必须采取必要的处理措施，以消除土的膨胀潜势。处理措施一般分深层和浅层处理，本文通过工程实例，分析了不同建（构）筑物在相同的地质条件下的几种处理方法。
关键词：膨胀土 地基处理 灌注桩 砂石垫层 砂包基础
1 概述
膨胀土系指粘粒成分主要由强亲水性矿物组成，具有吸水膨胀和失水收缩特性的粘性土。由于膨胀性土会因为土中含水量的变化而发生相应的膨胀或收缩变形，特别是在场地膨胀性土层厚度不一，均匀性不一、不同部位处含水量的变化以及建筑物基底压力不等等原因时，就会导致地基土不均匀的隆起或下陷，使得建筑物产生墙体开裂、地面隆起或下陷等破坏。因此，必须对膨胀性土场地进行处理，以满足自由膨胀率δef均小于0.4的要求。
2 软弱膨胀土地基处理的一般原则
膨胀土地基的处理应根据当地的气候条件、地基的胀缩等级、场地的工程地质及水文地质情况和建筑物结构类型等。结合建筑经验和施工条件，因地制宜采取治理措施。如果能够采用换填非膨胀土或采取化学等方法，从根本上改变地基土的性质，则是根治的最好方法。如果用桩基或深埋的办法，使基础落到含水量较稳定的土层，就能大大减少建筑物的危害；对于上部荷重较轻的小型建（构）筑物，亦可浅埋基础但必须避免扰动下部膨胀土。
由此可知，软弱膨胀土地基的处理应根据场地土胀缩性能、水文地质条件，考虑具体建筑物适应变形的能力，采取相应的处理措施。同时加强结构的整体变形能力，切断基底下外界渗水条件，以保证地基的稳定性。
3 工程实例
3.1工程概况
云南个旧电解铝厂位于云南省个旧市大屯镇，地面绝对标高为1293.6~1297.57m，地形平坦。在地貌上场地属于盆地边缘平坦地貌。据地质勘察资料，本场地为膨胀性填土场地。各地层由上而下为：
①1层填土（Qm1）：褐红色，稍湿，稍密~中密，主要由灰岩碎石、角砾及粘土等组成，层厚0.5~1米。
①2层耕植土（Qm1）：褐红色，稍湿 ~湿，松散，含植物根系。层厚0.4~0.5米。
②1层粘土（Qa1+p1）：褐红色，可塑状态，局部硬塑或软塑，局部含砂岩圆砾，局部夹薄层圆砾、砾砂，成分主要为砂岩。层厚0.5~2.10米。
②2层卵石（Qa1+p1）：褐红色、褐灰色，稍湿~湿，稍密，砂及粘土充填。层厚1.20~1.30米。
③1层粘土（Qp1+1）：黑灰色、灰色、灰黄色，可塑状态，局部软塑状态，局部含砂、砾石，次棱角状，顶部偶见动物残骸，夹细砂、中砂。层厚3.2~8.4米。
③2层中砂（Qp1+1）：灰色、浅灰色、灰黄色，很湿，松散~稍密，分选性较差，含卵石、圆砾，次棱角状，含量5~10%，含粘粒。
④1层粘土（Qa1+p1）：黄绿色、浅黄色，可塑~硬塑状态，局部含少量碎石、角砾。层厚0.6~4.80米。
④2层中砂（Qa1p1）：浅灰色、灰色、黄绿色，湿，稍密~中密，分选性一般，含圆砾、卵石，含量3~10%，含粘粒。层厚0.6~2.9米。
④层粘土（Qa1+p1）：浅黄色、褐黄色、黄绿色，硬塑状态，局部可塑或硬塑状态，含碎石、圆砾，含量约5%左右，局部夹粉质粘土。钻孔未揭穿，层顶埋深6.00~13.40米。
本场地地下水稳定埋深0~1.3米。
上述各土层的物理力学指标见表1，各土层的容许承载力见表2。
表1 各主要土层主要物理力学指标表
土层
编号
土层
名称
天然含水量
（%）
重力密度
r
KN/m3
含水比
aW
孔隙比
e
液性指数
IL
压缩系数
a1-2

MPa-1
压缩模量
Es1-2
MPa
粘聚力
Ck
kPa
内磨擦角
Φk
度
②1
粘土
34
19
0.76
0.96
0.4
0.4
4.9
45
9.5
③1
粘土
33
18.8
0.66
0.91
0.3
0.45
4.7
35
9.2
③2
中砂
20.8
④1
粘土
25
20.5
0.49
0.67
0.05
0.2
9.0
80
14
④2
细砂
④
粘土
23
20.4
0.55
0.66
0.06
0.2
9.0
75
13.5
表2 各层土的承载力标准值
土层编号
土层名称
土的状态
地基承载力标准值（KPa）
①1
填土
稍密
70
①2
耕植土
松散
②1
粘土
可塑
135
②2
卵石
稍密
180
③1
粘土
可塑
140
③2
中砂
松散~稍密
150
③3
砾石
中密~密实
250
④1
粘土
可塑~硬塑
240
④2
细砂
稍密~中密
135
④
粘土
硬塑
240
3.2 地基处理方案的选择
因全厂新建建筑物较多，结构型式多样，对不均匀胀缩变形的适应能力和使用要求均不同。因此慎重研究比较，合理选择运用地基处理方案，对于保证建筑物安全可靠，节省投资，加快工程进度都具有十分具有重要的意义。
3.2.1 电解车间
3.2.1.1概况
电解车间全长313.0米，柱距6.2米，跨度24.0米，钢筋混凝土排架结构，屋架下弦标高16.0米，轨顶标高9.15米，车间内设有标高为2.4米钢筋混凝土操作平台，操作荷载50KN/m2, 两台电解铝多功能起重机及一台20t普通天车，多功能起重机最大轮压Pmax为410KN。
3.2.1.2地基处理方案的选择
根据本工程框架内力分析结果，各柱脚内力为N=3940kN, M=2200KN.m, V=141KN。基础方案选择如下：
方案一：砂石垫层法。能够充分利用天然地基强度，减少基底附加应力和调整基础变形沉降，较深层处理经济，且施工机具简单，材料来源广，通常是一种优先考虑的地基处理方案。由于本场地地下水位高，且与电解区域内净化系统除尘烟道较近，烟道开挖较深，如采用本处理方法使得基槽开挖较宽较深，不利于机械碾压，如果采用人工分层夯实，质量不易保证，往往压实系数达不到设计要求，施工工期较长，由于该地区雨量丰富，工期拖延会给工程地基处理及基础的施工质量造成不利影响，且砂石用量较大。
方案二：沉管灌注桩。该桩单价低，施工快。但根据地质勘探报告，沉管灌注桩端阻力小，所需桩数多，因而对上部土层的破坏较为严重，且该桩的成桩质量人为因素很大，容易产生质量缺陷桩。
方案三：人工挖孔护壁灌注桩。该处理方案施工简单，机具设备少，进度快，成本低，也能有效地克服膨胀土对建筑物的危害。根据地质勘探报告，人工挖孔护壁灌注桩桩端阻力大，通过扩底等技术处理，可节约桩数量，根据当地人力情况，可大面积开挖施工，以加快施工进度。
经过技术及经济分析比较，本工程采用人工挖孔护壁灌注桩。由于桩的长度主要取决于地层的结构和上部结构传下来的荷载，加上机械器具的因素，本工程采用Φ800人工挖孔护壁灌注桩，扩底直径为1.7m。

3.2.1.3试桩及分析
为了验证人工挖孔扩底桩在本工程的适宜程度，在本场地做了两组挖孔桩的试桩。
分析以上两组P—S曲线可得出单桩极限承载力可取为3200kN，满足设计要求。由此可见，采用人工挖孔扩底桩对本工程是适宜的。
3.2.2 50米砖烟囱
3.2.2.1地基处理方案的选择
根据当地处理膨胀土的经验，工程采用桩基较为稳妥。但根据现场具体情况，该烟囱位于电解区域内，周边建（构）筑物已基本完工，如采用桩基，施工周期要加长，且工程造价也要提高。如果将基础深埋，即把基础直接座在第④层土上。这种方法虽然施工简单，但基础高度需加高3米，不仅增加了基础的造价，且对周边建（构）筑物也有一定影响，同时，对下部膨胀土层扰动过大。经过分析比较，决定采用换填级配良好的砂石垫层。
3.2.2.2砂石垫层的设计参数
3.2.2.2.1配合比设计
根据当地以往砂石垫层级配的配比经验，决定选用表3所示的重量比砂石级配，并进行了室内压缩试验。试验表明，该级配的砂石，室内压实下取得了较好的密实度。
表3
颗粒组成（%）
干重度γd
（kN/m3）
压缩系数a1-2
（kPa-1）
压缩模量Es（1-2）
（kPa）
粒径（mm）
50~20
20~5
砂
松散状态
45.0
30.0
25.0
19
压缩状态
42.1
32.0
25.9
26.3
4×10-5
33.4×104
3.2.2.2.2 垫层厚度的确定
根据《建筑地基基础设计规范》（GBJ7-89）及《建筑地基处理技术规范》（JGJ79-91）的规定，经计算本工程垫层厚度取1.2m，宽度宽出基础边缘1.0米。
3.2.2.3 砂石垫层的施工
在砂石垫层施工前，作为持力层的膨胀土层应避免人为扰动。级配填料在掺加总重4.5%的水后，以搅拌机搅拌均匀，并以0.3~0.5米的厚度分层铺垫。然后采用120kN的振动碾压机振碾，碾压时采取分条叠合搭接，每次重叠1/2的碾轮，纵横交错，重叠振压各四遍。
垫层碾压结束后，对垫层进行了现场检验，经测定，砂石垫层的压实系数λc＞0.95.满足规范要求，可以做为本构筑物的地基。
3.2.3 单层附属建筑
对于场地内单层附属建筑，由于其上部结构荷载较小，设计采用了砂包基础的处理形式。由于砂包基础能释放地裂应力，在膨胀土发育地区，中等胀缩性土地基，采用砂包基础、地基梁、梁下油毡滑动层以及加宽散水坡四者相结合的处理措施，能够取得良好效果。砂采用中砂或当地自然级配土加石，基础下处理厚度不小于300mm，每边宽出基础宽度不小于250mm。通过对已建成建筑物的沉降观测，平均沉降量为50~70mm，相对倾斜仅为0.01%~0.32%，完全满足功能使用要求。
4 结论
基础的型式很多，设计中应根据上部结构特性、工程地质、施工条件、环境条件、施工工期、经济条件和材料市场价格等方面的因素进行综合评价，选择既适应上部结构使用要求，又经济可行的地基处理方案。
地基处理的方法很多，但不管采用何种方法，处理后的建筑场地必须满足强度、变形、动力稳定、透水性及特殊土地基稳定性的要求。