膨胀土地基基础设计浅谈

周家忠

膨胀土系指土中成分主要由亲水矿物组成,具有显著的吸水膨胀软化和失水收缩的粘性土。一般的粘性土都有吸水膨胀、失水收缩的特性,但其变形量不大,不称之为膨胀土,而膨胀土的这种变形量特性比较显著,容易给工程带来危害,因而它与一般的粘性土有着根本的不同。

在建筑工程上,由于膨胀土中含水量的变化而发生相应的膨胀或收缩变形,特别是地基中膨胀土厚度不一,均匀性不一,不同部位膨胀应力和产生的膨胀收缩应变不一样,容易导致地基土的不均匀隆起或下陷,使得建筑物墙体、地面开裂或下陷,给建筑物的安全带来危害。

工程上膨胀土的胀缩等级分为三级,如表1所示,膨胀土胀缩等级越高,其膨胀性越高。

表1 膨胀土的胀缩等级

在膨胀土地基上进行基础设计时,应当根据当地的气候情况、地基的胀缩等级、地基的工程地质及水文情况和建筑物的结构类型,综合评定,选定经济、合理的方案。常规的膨胀土地基有如下几种处理方法:1)用桩基础,使地基的持力层落在稳定的土层上。2)换土,将膨胀土换成非膨胀土,这从根本上解决了土壤的胀缩特性。3)将基础埋深,使基础落到膨胀土大气影响深度以下。4)增强基础及房屋整体刚度,对抗膨胀土的膨胀应力。5)对地基基础进行避水处理。

一般情况下,多层及高层建筑适宜选用桩基础比较安全经济适用,且应穿越膨胀土层一定深度,防止因土体膨胀造成整个桩基隆起。桩基础之所以安全经济适用是因为:1)多层及高层建筑由于上部荷载较高,条形基础、独立基础和整板基础在地基基础承载力上难以满足上部荷载的要求(事实上,几乎所有的高层建筑和许多多层建筑在非膨胀土区域也采用桩基础)。2)由于桩基础穿越了膨胀土层,其上部荷载作用力直接作用在下层非膨胀土持力层上,所以膨胀应变对建筑物没有实质的影响。3)由于使用了桩基础,桩承台体积与独立基础和整板基础体积相比,大幅缩减,所以在经济上,费用增加并不算高。4)桩基础的承台与基础梁形成的整体刚度很好,基础梁下可以架空或采用砂石等软垫层,承台和基础梁完全可以抵抗膨胀土的胀缩所产生的应力影响。

对于层数不多的建筑及单层建筑,用桩基础不太经济,应考虑采用其他方式。首先应遵循两个原则:1)基础埋深不应小于1 m,尽量在大气层影响深度以下。2)地基基础及房屋的整体刚度要好。

具体可以从以下一些措施进行考虑:

1)在较强或强膨胀土层露出较浅的建筑物场地或建筑物在使用上对不均匀变形有严格要求时,可采用非膨胀土或灰土置换膨胀土,以减少可膨胀的土层,减少地基胀缩变形量。

2)基础埋深不应小于1 m,尽量埋在大气影响深度以下,大气影响深度主要与地下水位的变化有关,具体数值应当由地质勘探部门提供。大气影响深度较浅的膨胀土地基可以采用有梁式条形基础(有梁条形基础的整体刚度要明显好于普通条形基础)。大气影响深度较深的膨胀土地基可采用独立基础,上部结构荷载落在基础梁上,再由基础梁传递给独立基础,独立基础埋深应尽量超过大气影响深度。与条形基础相比:一方面可减少土方开挖量,以及因土方开挖较深带来的施工作业上的难度和费用的增加;另一方面,独立基础的基础梁可适当抬高,减小标高在±0以下的建筑物的实体体积,从而节省了费用。基础梁下应采用砂石等软垫层,弱化膨胀土膨胀应力的影响,保证基础结构的安全。

3)建筑物上部结构。建筑上部结构如果是全框架最好,如不是全框架结构,上部每一层要设置构造柱和圈梁,所有门窗洞口要设置过梁。门窗两侧设立小构造柱。砖墙最好采用实心粘土砖,因为实心粘土砖的粘结力明显好于空心砖和其他砌块,砌筑砂浆的标号必须达M5以上,砌体中不得采用砖拱结构。

4)其他措施。为了减少对建筑物下膨胀土地基含水量的影响,建筑物周围的散水应设置较宽,一般应大于1.2 m,最好达2 m左右。屋面排水宜采用外排水。建筑物平面转折和高度有显著变化的部位,以及地基膨胀土显著不均匀处,应设置沉降缝。对Ⅲ级膨胀土地基和使用要求特别严格的地面,可以采用架空地面。

总之,在膨胀土地基上进行房屋设计要以避为主,以抗为辅,避即指地基持力层宜在膨胀土大气影响深度以下,或直接在非膨胀土上,避开膨胀土的膨胀应力。抗即增加建筑物基础及整体刚度,抵抗来自膨胀土的膨胀应力,这样就可以最大限度地防止膨胀土带来的危害,确保建筑物少裂缝,不裂缝,确保建筑物的使用安全。

[1]李 昭.安徽膨胀土铁路路基填料改良试验的初步研究[J].山西建筑,2009,35(20):106-107.