膨胀土地基基础设计分析

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膨胀土地基基础设计分析朱建平

(南京市建筑设计研究院，南京 200 ) 10 5 [摘要】文章结合工 程实例，简要介绍膨胀土地基基础选型分析，优选了人工挖孔灌注桩方案，挡土墙设计，为防止水平膨胀力的作用而采取的相应的技术措施，取得了较好的效果。

[关键词】地基基础； 人工挖孔灌注桩；膨胀土；胀切力

[中图分类号】U 7 . 1[献标识码】[ T 4 19文 B文章编号】05 20 20 )2 0 4— 2 10—6 7 (0 40— 07 0An lsso wel gS i F u d t n Dein ay i fS ln ol o n ai sg i oz 1 i I J n—pn - a U i g

1工程概况

南京体育学院图书馆工程，位于中山陵风景区， 与原国民党中央体育场毗邻，是全院文化交流和情报信息中心。建筑面积 50m,四层， 00￣共总高 1.r, 52 n底层为基本书库、采编及目录厅等，二层为开架式书库、珍本书库、主入口门厅。三层为多功能报告厅、 阅览室。四层为视听室、微机室等。现浇钢筋混凝土框架结构，网为 7 7为满足建筑功能的需要，柱 m× m。在第二层主入口门厅和第三层多功能报告厅采取抽柱处理来达到大空间效果。这项工程于 19年设计施 98工，99 19年底竣工，已投入使用至今。 2工程地质与地貌 建筑场地属丘岗地貌，经后期平整，地势较平坦。建筑物北侧和东侧场地高出建筑场地 36南 .m,面距建筑物 4场地低于建筑场地 3西南面距 m处 m,建筑物 4 m多场地低于建筑场地 4 m多。

地质从地表依次往下大体分为六层土，其中①表 1

硬塑，中压缩性，含少量铁锰质结核，可见次生灰白 色粉质粘土条带， 35 47②一2厚 . m一 .m;粉质粘土夹粘土，色，、黄褐饱和硬塑，低压缩性，含较多铁锰质结核，可见次生灰白色粉质粘土条带和高岭土团块， 13厚 . m一16③卵砾石： . m;棕褐夹白灰色，~稍 中密，砾径 2 0m,~1e间夹大石块，卵砾石含量 4~ 0 7%,其间充填可塑状粉质粘土，厚 12右； 0 .m左 ④一1强风化泥岩：紫红色，疏松破碎，浸水软化， 厚 18

.m;一2~风化泥岩： .~20④中微紫红色，泥质结构，裂隙较为发育，浸水易软化，岩面较为平坦。各层土的物理力学指标如表 1。 3基础选型与设计 3 1基础选型分析 .根据工程地质特征和地貌，场地平整后，②一 l土层基本露出地表，膨胀土的自由膨胀率达 7%, 6 按《膨胀土地区建筑技术规范》 B12 7 G J1—8规定， 自由膨胀率大于等于 6%时，膨胀土的膨胀潜势为中 5{人工挖孑桩 L ) 2 s (P ) q ( ka a k q P (a k ) a P )

各层土物理力学指标

物理指标土层号层名称土￥ ( )% e ( ) Ip

I ( L

①素填土②一1 粉质粘土 10 1. 07 l. 02 7 95 O5 12 10 5 2 . 91 . 4 83 .8 6 . . 5 .2 6 0②一

粉质粘土 2夹粘土 2 . l . 0 7 l . 0 2 7 l . 0 5 12 2O 6 0 0 95 .8 7 8 .2 l 0 0 .l .0 2 03o lo 0 0强风 1化泥岩 中~风微 2化泥岩

③卵砾石④④一

20 8 6 0 l0 20 00 lo 2 20

一

注：e~自由膨胀率；——缩限；s 8f ws ——收缩系数；e—= 6p

素填土：主要由可塑状粉质粘土组成，欠密实，厚度 0 5 08②一l质粘土： . .m; 粉暗黄褐色，饱和，可

【收稿日 2(0 0期】 M 4 5 0-

【作者简介】建，,市筑计究。朱平男南建设研院京

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类。此类土当含水量较低时，土的强度很高，遇水后易软化，强度急剧降低。场地南面及西南面为坡面， \\塑 .唇自一\、一 1口 J#+ -,气候对土中含水量的影响与平坦场地有明显的区别，受阳面水份蒸发影响深度较大，地基中含水量不 l 。 -冒日 b口 E 易保持；北面高出场地 36的绿化地和学生生活 .r n区，雨水和生活用水大量下渗，使地基南北含水量变！ I j 化不一。在临近坡面一侧地基收缩膨胀活动较其它目 甲 j。 , 部位激烈，在垂直变形时还同时出现水平变形。面坡的坡角都大于规范规定的 l。建筑

距坡肩水平距离 4,甲。 j 又小于 5大气影响深度 d为 35大气影响急剧 m。 a .m, 7 0I 07 0I0 7 000 I 0 7 0 0 7 0 o 7 0 0 7 0 0 7 0 0 00 0 0 0 0 层深度近 16。 .r综上所述， n采用天然地基，基础需要埋置很深，同时地基受到南蒸 ( )渗北给，引起地基变图 1基础平面图形不均匀，加之上部结构本身存有一层二层部位，采在膨胀期土对桩侧产生向上的胀切力全部由急用天然地基会给上部结构带来不利影响。选用桩基时，剧层以下的桩长摩擦力来承受；在收缩期土在桩周础，使桩落在大气影响层以下的稳定土层中，这样就将出现脱空现象，此时所有的荷载将由桩的下部侧有效地控制地基变形对建筑物的不利影响。 摩阻力和桩端阻力共同承担。 3 2桩基设计 .带有扩大头挖孔桩，见图 2。除了扩大 h高度不 3 2 1桩基方案比较 .. 计桩侧摩阻力外，由于扩大头的存在，还会出现与土静压桩：由于桩在膨胀土地基中的升降运动量脱开的临空面，桩身影响范围如图 2 3中L高度，此随着桩径的增大而成线性上升“所以采用较小的’, L高度取桩身直径 l 2 ~倍。桩径进行设计，选用 30 mX30 m静压混凝土方段不计人桩侧摩阻力，3 0m 0m口 ‘

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桩，其单桩承载力设计值为 40N, 2k这样每个柱下桩数多达 7根，~8少数柱下为 3根，为多桩~5都承台。由于设有较大承台板，台板底部因土的膨承胀力作用增加桩的上拔力，如要消除该力要将承台板底面与土脱空 10 m, 0m这在施工中难已做到。另方面，由于土层为粉质粘土夹粘土可塑到硬塑状态，其下还有一层稍~中密的卵砾石并夹有大块石，要进入④~层，桩 2沉桩相当困难。如选用振动灌注桩或钻孔灌注桩，同样带来以下问题。 人工挖孔灌注桩：根据地质资料显示，基岩埋藏较浅， m~ m以下就是④一2中~ 8 9微风化泥岩， 以此基岩作持力层。桩端采用扩大头，能充分利用基岩的高承载力来提高单桩承载力。桩型对地质此变化适应性强，施工技术要求不高，可同时多根桩

施工。与其它桩形相比，噪音和对场地污染都较少。采用一柱一桩无须设置大承台，减少了因膨胀力作用增加桩的上拔力。 以上方案比较，该工程选用人工挖孔灌注桩， 采用一柱一桩。桩基平面布置见图 l。 3 2 2人工挖孔桩的设计 ..桩在大气影响急剧层内作用有胀切力，形成上拔力，在该层面以下膨胀土虽然仍有膨胀，但其相对位移小于上层，部分计为桩侧阻力。如果桩故此在大气影响急剧层内，土中水份流失，土随之收缩， 由于土之收缩具有竖向和横向两个特性，故在桩周围将形成脱空现象，时桩周围出现裂缝，这这里不考虑土收缩时所产生的负摩擦力。由于土的膨胀变形和收缩变形都可能发生，以在计算单桩承载力所一

为减小扩大头周围剪应力集中，将端头做成锅底形，这样使桩端部形成以压密变形为主的压应力区，使之受力更为合理。 当桩身承受胀切力时，还要验算桩身材料的抗拉强度，并采用通长配筋，其最小配筋率应按受拉构件配置，小于 04并不 .%配筋率。 根据上部荷载，分别设计成 09 1O 12 .m、 . m、 .m和 14 .m等四种直径的桩，扩大头相应为：14 .m、 18 25 .m、.m和 27 .m。桩长 85 .m~9O . m。桩顶、横向没置毖梁，梁底 有 l(￣叩侧留 b O m空隙，待混凝土浇筑后用中疆砂回填， E其用混凝土封闭。 4挡土墙设计建筑物北面及东面场地均高于建筑场地 36, .m除底层基本书库需要通风，建筑物外 2O 距 .m处设置了重力式挡土墙，见图 l挡土墙 2,。在主人 (下转第 5页 ) 0

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基，碎石桩径@ 2, 45桩距 17m置换率 87 25 m, .%。 31强度方面：按受力相等的原则，按沉管桩 . 90N R 1k、 d=50N折合 F 2k、 k:10P负载的 8ka面积约为 29,以此确定复合地基的承载力，并 .使柔性桩复合地基承载能力与刚性桩负载面积相当，从而解决地基承载强度问题，同时柱下独立基础边缘加碎石桩护桩，桩位调整如图 2。 32变形方面：考虑到砂性土 El一般都大于 . s一2 1. Ia本工程按 P=1fP,X1 24 n沉降 0(i,￣.

P o 0,a b=1￣, _ X计算深度为 b25 04n )=ln经计算， (.— .1 b&,沉降量为 2 . m沉降量相对较小， 68, a r且砂土的沉降主要集中 在施工加载期。设计时，考虑到沉管桩与碎石桩问的差异沉降，采用原施工完成的沉管桩不锚入承台，加厚基础下垫层，即在沉管桩顶与基底间设一定厚度的 11:砂石垫层来调节二者间的沉降，垫层厚度适当加大，以减少桩土应力比，桩头垫层做法如图 2实际施，=

33检测： . 垫层完成后，做三组载荷板试验， 其中 1 2#,#两板位于碎石桩复合地基上，#板位于沉 3管桩位地基上，检测结果为：同时加载至 80N时 1k三板的累计沉降量分别为 1.7 m, 1.6 m、 09m 02m 80m .4 m,基本均匀，同时，承载力均达到设计要求。本工程施工期间请有资质沉降观测单位进行了沉降观测，并特别加密了观测点，密了观测次数，加 根据最终的沉降观测报告，本工程竣工时的最大沉降量为 3m最小沉降量为 1m 7 m, 8m,日平均沉降为 005 m天。沉降基本均匀， .3m/量值较小，竣工后沉降基本停止，满足规范要求。4工程体会

4 1地基土的处理应本着符合地基土特性的原 . 则，砂性土的特点为强度高、变形小，采用柔性桩，刚性桩，强度满足要求的情况下，其变形一般都能满足要求，而对于 e 10> .的淤泥质土，情况就会有所不同，处理这样的地基土时应该从控制度形上着手。 42当采用复合地基时，由于桩不直接锚入承 .台，桩间土参与工作，因此，桩顶垫层厚度及材料作用明显，根据资料，垫层厚度直接影响桩土间的应力比，垫层厚时，桩土应力比小，垫层薄时，桩土应力比大，设计时应根据不同的地质情况，同的工不程情况作出不同选择。 参考文献

霉

【】建筑地基处理技术规范 (G 7—9 ) 1 J J9 1

(接第 4页 )上 8 口处沿①轴线设置了一道钢筋混凝土挡土墙 1。 挡土墙设计主要是如何消除水平膨胀力对挡土墙的作用，特别是挡土墙 1,墙背面如采用膨胀

土回填夯实，由于水平膨胀力作用，土压力会成倍增加，设计的挡土墙就很不经济，同时框架上局部受到一个很大水平推力，这对建筑极为不利。为了 消除挡墙背面水平膨胀力

,在墙背面从下至上回填中砂， 30 m,厚 5m其顶部用粘土封闭，这时挡土墙所用土压力按非膨胀土的主动土压力设计。为土中水不渗入到室内，回填砂前于底部设置了一个用多在孔塑料管作排水管及时把土中水引走，内地面无室渗水现象。见图 3。挡土墙 2为毛石砌的重力式挡土墙，断面尺寸为下宽 18上宽 09高 38按上面同样做 .m, .m, .m,法，至今完好无损。 5结束语 在膨胀土地基上进行工程建设，必须根据膨胀土的工程特征，地形地貌条件，土中水份变化等因素， 合理选用基础，才能保证建筑物安全和正常使用。

参考文献

混土垫封 凝层底图 3挡土墙 1

[】顾晓鲁等 . 1地基与基础，中国建筑工业出版社，03 20【】吴炳等 .直径挖孔桩的设计与施工 .基学术讨 2 大桩论会论文集 .9 1 19