浅议膨胀土地基的工程设计与施工

王 团 结

(郑州工业应用技术学院，河南 郑州　451150)

膨胀土是指同时具有显著吸水膨胀和失水收缩变形特性的黏性土[1]，一般黏性土都具有该特性，但是其胀缩变形量不大，对工程影响程度较小，但膨胀土的胀缩变形量是显著的。并且，在自然情况下，膨胀土常表现为土性坚硬、抗剪强度高、压缩变形小的良好天然地基[2]，具有一定的迷惑性。在工程设计与施工时，若对膨胀土处理不当，建筑物易产生裂缝等病害，后期治理较为困难。

1　膨胀土的胀缩机理分析

工程中遇到的膨胀土的饱和度介于0与1之间，属于非饱和土，从工程应用角度考虑，膨胀土的胀缩性主要受到土的矿物成分及其联结状态和水分迁移的影响。

矿物成分及其联结状态方面，膨胀土含有大量蒙脱石和伊利石等活性黏土矿物[3]。蒙脱石的晶层结构由三层组成，其中上下层为硅片(基本单元为硅—氧四面体)，中间层为铝片(基本单元为铝—氧八面体)，硅片与铝片之间由O2-联结，由于O2-离子结合力较弱，故水分很容易进入硅片与铝片之间，导致蒙脱石具有显著的胀缩特性。伊利石的晶层结构同样为三层，但晶层之间是由联结强度高于O2-联结的K+联结的。

土是固体、水分和气体三相组成的，含水率大小对一般土的物理性质的影响最为显著，但对膨胀土而言，不是含水率的大小而是含水率的变化梯度导致了膨胀土显著的胀缩性。换言之，假如膨胀土中的含水率是均匀的，土体中没有出现含水率梯度，那么土体便不会表现为显著的胀缩性。只有当土中的含水率变化，引起土中的水分出现水分迁移的梯度，并且存在水分迁移的途径时，土体才会表现为湿胀干缩特性。

2　膨胀土的判别

一般采用综合判别法对膨胀土进行判别，即根据自由膨胀率并综合工程地质特征和房屋开裂形态进行多因素判定。需要注意的是，不能将自由膨胀率作为唯一指标，否则容易造成误判；从实用角度出发，应以是否造成工程的损害为最直接的标准，对于新建工程，未必存在已有工程经验可借鉴，此时可通过各种室内试验指标结合现场特征进行判定。

3　膨胀土工程设计

3.1　设计原则

膨胀土地基上的建筑物的设计应遵循“预防为主，综合治理”的原则。“预防为主”一方面是针对低层建筑，因为低层建筑的附加应力较小，设计时应采取必要的建筑结构措施；另一方面是指，尽量避免选取膨胀土作为建筑物地基。“综合治理”是指在工程设计、施工和后期维护管理时，应采取必要措施，以减小膨胀土中的含水量变化。

3.2　地基埋置深度

一般而言，地表以下1 m范围内土层长期受到湿胀干缩循环变形的影响，土中裂缝发育，土的强度指标特别是凝聚力严重降低，因此应将基础底面设置于该土层深度以下。

对于地形坡度不大于5°的平坦场地而言，可以采用控制基础埋深深度大于大气影响急剧层的深度的方法对膨胀土的危害进行防治。通常大气影响急剧层深度取大气影响深度的45%进行计算。

3.3　承载力修正

鉴于膨胀土中发育着不同方向的众多裂隙，有时还存在薄的软弱夹层，并且膨胀土在吸水膨胀后土的抗剪强度指标存在大幅降低的特征，根据太沙基地基承载力理论，基础底面土层对抗剪承载力的影响可以忽略不计，即取基础宽度的承载力修正系数为0，基础深度承载力修正系数取1.0。

3.4　变形特征

根据膨胀土的场地、气候和覆盖等条件的不同，膨胀土地基的竖向变形特征可以分为上升型，下降型和升降循环波动型等三种。

上升型位移是由于房屋建成后地基吸水膨胀产生变形，导致房屋持续多年的上升。需要注意的是，房屋各处的上升是不均匀的，且随季节波动，当这种不均匀变形达到一定程度，就会导致房屋开裂破坏。产生上升型位移的主要原因为：1)建房时气候干旱，土中含水量偏低；2)基坑长期暴晒；3)建筑物使用期间长期受水浸润。

波动型位移的特点是房屋位移随季节性降雨、干旱等气候变化而周期性的上升或下降，一个水文年基本上为一个循环周期。根据土中水分由高温向低温转移的规律，水分由下部向上部转移，使上部土中的含水量增大而导致地基土上升；在夏、秋季节，水分向下转移并有大量的地面蒸发，使地基土失水而收缩下沉。

下降型变形常出现在土体天然含水率较大或者地基为边坡的区域，随着工程完工，土体天然含水率逐渐降低，膨胀土失水收缩，从而导致地基产生收缩变形。

4　膨胀土工程施工

通过对膨胀土的湿胀干缩机理进行分析可知含水率的变化梯度导致了膨胀土的显著的胀缩性，因此，在地基和基础施工时膨胀土的防治理念是降低土体的含水率的变化量。为完成该目标，可以在施工前进行截洪沟、排水沟等排水系统施工等场地整治工作；在基坑或边坡开挖时，可采取土工织物覆盖的措施以隔绝土体中水分与大气的通道，并且避免将新开挖基坑或边坡置于烈日，雨水环境中。分段开挖、及时封闭，同样可以减小地基土的含水量变化幅度；预留部分土层厚度，到下一道工序开始前再清除，能够同时达到防止持力层土的扰动和减小水分较大变化的目的。

5　结语

膨胀土在天然情况下在自然情况下液性指数常小于零，压缩性较小，常表现为土性坚硬、抗剪强度高、压缩性好的良好天然地基，具有一定的迷惑性。在环境条件导致膨胀土含水量变化时，土中水分迁移，导致膨胀土产生明显的胀缩性，使得建筑物产生倾斜裂缝等病害。在工程建设时，需要谨记膨胀土产生显著胀缩性的机理，并采取合适的设计与施工措施才能够减轻膨胀土对建筑的不良影响。

参考文献:

[1]李蕊.浅谈膨胀土地区房屋建筑的勘察及地基处理[J].山西建筑,2011,37(29):76-77.

[2]周景星.基础工程[M]．北京:清华大学出版社，2015:341-342.

[3]谭练武,李洪.谈膨胀土工程特性及处治方法[J].山西建筑,2014，40(28):69-72.