摘要： 軟弱膨脹土地基是一種比較特殊的地基。當(dāng)利用這種土作為建筑物地基時(shí)，必須采取必要的處理措施，以消除土的膨脹潛勢(shì)。處理措施一般分深層和淺層處理，本文通過工程實(shí)例，分析了不同建（構(gòu)）筑物在相同的地質(zhì)條件下的幾種處理方法。
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1 概述
膨脹土系指粘粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物組成，具有吸水膨脹和失水收縮特性的粘性土。由于膨脹性土?xí)驗(yàn)橥林泻康淖兓l(fā)生相應(yīng)的膨脹或收縮變形，特別是在場(chǎng)地膨脹性土層厚度不一，均勻性不一、不同部位處含水量的變化以及建筑物基底壓力不等等原因時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致地基土不均勻的隆起或下陷，使得建筑物產(chǎn)生墻體開裂、地面隆起或下陷等破壞。因此，必須對(duì)膨脹性土場(chǎng)地進(jìn)行處理，以滿足自由膨脹率δef均小于0.4的要求。
2 軟弱膨脹土地基處理的一般原則
膨脹土地基的處理應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件、地基的脹縮等級(jí)、場(chǎng)地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況和建筑物結(jié)構(gòu)類型等。結(jié)合建筑經(jīng)驗(yàn)和施工條件，因地制宜采取治理措施。如果能夠采用換填非膨脹土或采取化學(xué)等方法，從根本上改變地基土的性質(zhì)，則是根治的最好方法。如果用樁基或深埋的辦法，使基礎(chǔ)落到含水量較穩(wěn)定的土層，就能大大減少建筑物的危害；對(duì)于上部荷重較輕的小型建（構(gòu)）筑物，亦可淺埋基礎(chǔ)但必須避免擾動(dòng)下部膨脹土。
由此可知，軟弱膨脹土地基的處理應(yīng)根據(jù)場(chǎng)地土脹縮性能、水文地質(zhì)條件，考慮具體建筑物適應(yīng)變形的能力，采取相應(yīng)的處理措施。同時(shí)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的整體變形能力，切斷基底下外界滲水條件，以保證地基的穩(wěn)定性。
3 工程實(shí)例
3.1工程概況
云南個(gè)舊電解鋁廠位于云南省個(gè)舊市大屯鎮(zhèn)，地面絕對(duì)標(biāo)高為1293.6~1297.57m，地形平坦。在地貌上場(chǎng)地屬于盆地邊緣平坦地貌。據(jù)地質(zhì)勘察資料，本場(chǎng)地為膨脹性填土場(chǎng)地。各地層由上而下為：
①1層填土（Qm1）：褐紅色，稍濕，稍密~中密，主要由灰?guī)r碎石、角礫及粘土等組成，層厚0.5~1米。
①2層耕植土（Qm1）：褐紅色，稍濕 ~濕，松散，含植物根系。層厚0.4~0.5米。
②1層粘土（Qa1+p1）：褐紅色，可塑狀態(tài)，局部硬塑或軟塑，局部含砂巖圓礫，局部夾薄層圓礫、礫砂，成分主要為砂巖。層厚0.5~2.10米。
②2層卵石（Qa1+p1）：褐紅色、褐灰色，稍濕~濕，稍密，砂及粘土充填。層厚1.20~1.30米。
③1層粘土（Qp1+1）：黑灰色、灰色、灰黃色，可塑狀態(tài)，局部軟塑狀態(tài)，局部含砂、礫石，次棱角狀，頂部偶見動(dòng)物殘骸，夾細(xì)砂、中砂。層厚3.2~8.4米。
③2層中砂（Qp1+1）：灰色、淺灰色、灰黃色，很濕，松散~稍密，分選性較差，含卵石、圓礫，次棱角狀，含量5~10%，含粘粒。
④1層粘土（Qa1+p1）：黃綠色、淺黃色，可塑~硬塑狀態(tài)，局部含少量碎石、角礫。層厚0.6~4.80米。
④2層中砂（Qa1+p1）：淺灰色、灰色、黃綠色，濕，稍密~中密，分選性一般，含圓礫、卵石，含量3~10%，含粘粒。層厚0.6~2.9米。
④層粘土（Qa1+p1）：淺黃色、褐黃色、黃綠色，硬塑狀態(tài)，局部可塑或硬塑狀態(tài)，含碎石、圓礫，含量約5%左右，局部夾粉質(zhì)粘土。鉆孔未揭穿，層頂埋深6.00~13.40米。
本場(chǎng)地地下水穩(wěn)定埋深0~1.3米。
上述各土層的物理力學(xué)指標(biāo)見表1，各土層的容許承載力見表2。
表1 各主要土層主要物理力學(xué)指標(biāo)表
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土層 編號(hào) |
土層 名稱 |
天然含水量 （%） |
重力密度 r KN/m3 |
含水比 aW |
孔隙比 e |
液性指數(shù) IL |
壓縮系數(shù) a1-2 MPa-1 |
壓縮模量 Es1-2 MPa |
粘聚力 Ck kPa |
內(nèi)磨擦角 Φk 度 |
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②1 |
粘土 |
34 |
19 |
0.76 |
0.96 |
0.4 |
0.4 |
4.9 |
45 |
9.5 |
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③1 |
粘土 |
33 |
18.8 |
0.66 |
0.91 |
0.3 |
0.45 |
4.7 |
35 |
9.2 |
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③2 |
中砂 |
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20.8 |
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④1 |
粘土 |
25 |
20.5 |
0.49 |
0.67 |
0.05 |
0.2 |
9.0 |
80 |
14 |
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④2 |
細(xì)砂 |
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④ |
粘土 |
23 |
20.4 |
0.55 |
0.66 |
0.06 |
0.2 |
9.0 |
75 |
13.5 |
表2 各層土的承載力標(biāo)準(zhǔn)值
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土層編號(hào) |
土層名稱 |
土的狀態(tài) |
地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值（KPa） |
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①1 |
填土 |
稍密 |
70 |
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①2 |
耕植土 |
松散 |
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②1 |
粘土 |
可塑 |
135 |
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②2 |
卵石 |
稍密 |
180 |
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③1 |
粘土 |
可塑 |
140 |
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③2 |
中砂 |
松散~稍密 |
150 |
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③3 |
礫石 |
中密~密實(shí) |
250 |
④1 |
粘土 |
可塑~硬塑 |
240 |
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④2 |
細(xì)砂 |
稍密~中密 |
135 |
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④ |
粘土 |
硬塑 |
240 |
3.2 地基處理方案的選擇
因全廠新建建筑物較多，結(jié)構(gòu)型式多樣，對(duì)不均勻脹縮變形的適應(yīng)能力和使用要求均不同。因此慎重研究比較，合理選擇運(yùn)用地基處理方案，對(duì)于保證建筑物安全可靠，節(jié)省投資，加快工程進(jìn)度都具有十分具有重要的意義。
3.2.1 電解車間
3.2.1.1概況
電解車間全長(zhǎng)313.0米，柱距6.2米，跨度24.0米，鋼筋混凝土排架結(jié)構(gòu)，屋架下弦標(biāo)高16.0米，軌頂標(biāo)高9.15米，車間內(nèi)設(shè)有標(biāo)高為2.4米鋼筋混凝土操作平臺(tái)，操作荷載50KN/m2, 兩臺(tái)電解鋁多功能起重機(jī)及一臺(tái)20t普通天車，多功能起重機(jī)最大輪壓Pmax為410KN。
3.2.1.2地基處理方案的選擇
根據(jù)本工程框架內(nèi)力分析結(jié)果，各柱腳內(nèi)力為N=3940kN, M=2200KN.m, V=141KN。基礎(chǔ)方案選擇如下：
方案一：砂石墊層法。能夠充分利用天然地基強(qiáng)度，減少基底附加應(yīng)力和調(diào)整基礎(chǔ)變形沉降，較深層處理經(jīng)濟(jì)，且施工機(jī)具簡(jiǎn)單，材料來源廣，通常是一種優(yōu)先考慮的地基處理方案。由于本場(chǎng)地地下水位高，且與電解區(qū)域內(nèi)凈化系統(tǒng)除塵煙道較近，煙道開挖較深，如采用本處理方法使得基槽開挖較寬較深，不利于機(jī)械碾壓，如果采用人工分層夯實(shí)，質(zhì)量不易保證，往往壓實(shí)系數(shù)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，施工工期較長(zhǎng)，由于該地區(qū)雨量豐富，工期拖延會(huì)給工程地基處理及基礎(chǔ)的施工質(zhì)量造成不利影響，且砂石用量較大。
方案二：沉管灌注樁。該樁單價(jià)低，施工快。但根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，沉管灌注樁端阻力小，所需樁數(shù)多，因而對(duì)上部土層的破壞較為嚴(yán)重，且該樁的成樁質(zhì)量人為因素很大，容易產(chǎn)生質(zhì)量缺陷樁。
方案三：人工挖孔護(hù)壁灌注樁。該處理方案施工簡(jiǎn)單，機(jī)具設(shè)備少，進(jìn)度快，成本低，也能有效地克服膨脹土對(duì)建筑物的危害。根據(jù)地質(zhì)勘探報(bào)告，人工挖孔護(hù)壁灌注樁樁端阻力大，通過擴(kuò)底等技術(shù)處理，可節(jié)約樁數(shù)量，根據(jù)當(dāng)?shù)厝肆η闆r，可大面積開挖施工，以加快施工進(jìn)度。
經(jīng)過技術(shù)及經(jīng)濟(jì)分析比較，本工程采用人工挖孔護(hù)壁灌注樁。由于樁的長(zhǎng)度主要取決于地層的結(jié)構(gòu)和上部結(jié)構(gòu)傳下來的荷載，加上機(jī)械器具的因素，本工程采用Φ800人工挖孔護(hù)壁灌注樁，擴(kuò)底直徑為1.7m。
3.2.1.3試樁及分析
為了驗(yàn)證人工挖孔擴(kuò)底樁在本工程的適宜程度，在本場(chǎng)地做了兩組挖孔樁的試樁。
分析以上兩組P—S曲線可得出單樁極限承載力可取為3200kN，滿足設(shè)計(jì)要求。由此可見，采用人工挖孔擴(kuò)底樁對(duì)本工程是適宜的。
3.2.2 50米磚煙囪
3.2.2.1地基處理方案的選擇
根據(jù)當(dāng)?shù)靥幚砼蛎浲恋慕?jīng)驗(yàn)，工程采用樁基較為穩(wěn)妥。但根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)具體情況，該煙囪位于電解區(qū)域內(nèi)，周邊建（構(gòu)）筑物已基本完工，如采用樁基，施工周期要加長(zhǎng)，且工程造價(jià)也要提高。如果將基礎(chǔ)深埋，即把基礎(chǔ)直接座在第④層土上。這種方法雖然施工簡(jiǎn)單，但基礎(chǔ)高度需加高3米，不僅增加了基礎(chǔ)的造價(jià)，且對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物也有一定影響，同時(shí)，對(duì)下部膨脹土層擾動(dòng)過大。經(jīng)過分析比較，決定采用換填級(jí)配良好的砂石墊層。
3.2.2.2砂石墊層的設(shè)計(jì)參數(shù)
3.2.2.2.1配合比設(shè)計(jì)
根據(jù)當(dāng)?shù)匾酝笆瘔|層級(jí)配的配比經(jīng)驗(yàn)，決定選用表3所示的重量比砂石級(jí)配，并進(jìn)行了室內(nèi)壓縮試驗(yàn)。試驗(yàn)表明，該級(jí)配的砂石，室內(nèi)壓實(shí)下取得了較好的密實(shí)度。
表3
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顆粒組成（%） |
干重度γd （kN/m3） |
壓縮系數(shù)a1-2 （kPa-1） |
壓縮模量Es（1-2） （kPa） | |||
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粒徑（mm） |
50~20 |
20~5 |
砂 | |||
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松散狀態(tài) |
45.0 |
30.0 |
25.0 |
19 |
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壓縮狀態(tài) |
42.1 |
32.0 |
25.9 |
26.3 |
4×10-5 |
33.4×104 |
3.2.2.2.2 墊層厚度的確定
根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GBJ7-89）及《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》（JGJ79-91）的規(guī)定，經(jīng)計(jì)算本工程墊層厚度取1.2m，寬度寬出基礎(chǔ)邊緣1.0米。
3.2.2.3 砂石墊層的施工
在砂石墊層施工前，作為持力層的膨脹土層應(yīng)避免人為擾動(dòng)。級(jí)配填料在摻加總重4.5%的水后，以攪拌機(jī)攪拌均勻，并以0.3~0.5米的厚度分層鋪墊。然后采用120kN的振動(dòng)碾壓機(jī)振碾，碾壓時(shí)采取分條疊合搭接，每次重疊1/2的碾輪，縱橫交錯(cuò)，重疊振壓各四遍。
墊層碾壓結(jié)束后，對(duì)墊層進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)檢驗(yàn)，經(jīng)測(cè)定，砂石墊層的壓實(shí)系數(shù)λc＞0.95.滿足規(guī)范要求，可以做為本構(gòu)筑物的地基。
3.2.3 單層附屬建筑
對(duì)于場(chǎng)地內(nèi)單層附屬建筑，由于其上部結(jié)構(gòu)荷載較小，設(shè)計(jì)采用了砂包基礎(chǔ)的處理形式。由于砂包基礎(chǔ)能釋放地裂應(yīng)力，在膨脹土發(fā)育地區(qū)，中等脹縮性土地基，采用砂包基礎(chǔ)、地基梁、梁下油氈滑動(dòng)層以及加寬散水坡四者相結(jié)合的處理措施，能夠取得良好效果。砂采用中砂或當(dāng)?shù)刈匀患?jí)配土加石，基礎(chǔ)下處理厚度不小于300mm，每邊寬出基礎(chǔ)寬度不小于250mm。通過對(duì)已建成建筑物的沉降觀測(cè)，平均沉降量為50~70mm，相對(duì)傾斜僅為0.01%~0.32%，完全滿足功能使用要求。
4 結(jié)論
基礎(chǔ)的型式很多，設(shè)計(jì)中應(yīng)根據(jù)上部結(jié)構(gòu)特性、工程地質(zhì)、施工條件、環(huán)境條件、施工工期、經(jīng)濟(jì)條件和材料市場(chǎng)價(jià)格等方面的因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，選擇既適應(yīng)上部結(jié)構(gòu)使用要求，又經(jīng)濟(jì)可行的地基處理方案。
地基處理的方法很多，但不管采用何種方法，處理后的建筑場(chǎng)地必須滿足強(qiáng)度、變形、動(dòng)力穩(wěn)定、透水性及特殊土地基穩(wěn)定性的要求。