特殊土地基处理.doc

试论特殊土地基的特性与处理班级：08交通工程（1）班6号 姓名：吴兴娇 学号：20080110020106摘要: 随着我国高速公路建设日新月异, 许多公路路线不可避免会通过膨胀土地区。膨胀土是指粘粒成分主要由强条水性矿物质组成, 并且具有显著胀缩性的粘性土, 在广西地区分布较为广泛。为了保证道路在较长时间内路基的稳定和路面的平整度, 达到安全、舒适行车的目的, 必须解决因膨胀土而造成的一系列工程问题。近年来, 我国岩土工程界在膨胀土微观结构特征及其工程性质的研究中取得了丰硕的成果, 对膨胀土产生工程病害的原因给予科学的解释, 并提出许多切实可行的处理办法。关键词: 膨胀土地基;性质;处理方法。论点：在此我论述特殊土（膨胀土）的特性与处理方法，从而对膨胀土有更深的了解和认识，也掌握膨胀土基本的理论知识。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。膨胀土对公路工程不利的主要性质是胀缩性, 而土中含水量是导致膨胀土体积变化的主要原因。在自然条件下, 地表土层1.01.5m 范围内, 膨胀土发生季节性变化。在地面以下大于1.5m 属水分稳定区域, 土的含水量被称为平衡含水量。路基施工土处于干燥状态( 稠度在1.1 以上) 压实, 土体会慢慢吸取水分而达到平衡含水量状态。原来干燥区域将发生一定膨胀, 反映在路堤顶部会导致路面变形破坏。如遇大雨或水淹将发生更大的变形。如果路基施工处于潮湿状态碾压(Wc1.0 以下) , 亦会变干达到平衡含水量状态, 导致土体在垂直方向收缩而引起路面变形。因此, 对路基除强调大致在平衡含水量下碾压密实外, 还应立即在压实土层上铺设防护层, 以解决膨胀土的防水保湿问题, 路基路面需要采用封闭、改善压实土性、完善排水系统等综合措施进行处理。1 膨胀土的物理性质及力学性质分析膨胀土按粘土矿物分类, 可以归纳为两大类: 一类以蒙脱石为主, 另一类以伊力土和高岭土为主。蒙脱石粘土在含水量增加时出现膨胀,而伊力土和高岭土则发生有限的膨胀, 引起膨胀土发生变化的条件, 分析概述如下:1.1 含水量。膨胀土具有很高的膨胀潜势,这与它含水量的大小及变化有关。如果其含水量保持不变, 则不会有体积变化。在工程施工中, 建造在含水量保持不变的粘土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当粘土的含水量发生变化, 立即就会产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水量的轻微变化, 仅1%2%的量值, 就足以引起有害的膨胀。在安康地区,膨胀土对人们的危害较大, 建造在膨胀土上的地板, 在雨季来临时, 土中含水量增加引起的地板翘起开裂屡见不鲜。一般来讲, 很干的粘土表示有危险。这类粘土能吸收很多的水, 其结果是对结构物发生破坏性膨胀。反之, 比较潮湿的粘土, 由于大部分膨胀已经完成, 进一步膨胀将不会很大。但应注意的是, 潮湿的粘土, 在水位下降或其它的条件变化时, 可能变干, 显示的收缩性也不可低估。1.2 干容重。粘土的干容重与其天然含水量是息息相关的, 干容重是膨胀土的另一重要指标。=18.0KN/m3 的粘土, 通常显示很高的膨胀潜势。在安康地区, 人们对这种土的评语是“硬的象石头”。这表明着粘土将不可避免地出现膨胀问题。1.3 力学性质在工程地质中, 这种粘土的膨胀现象很普遍, 我们通过土工实验, 得出粘土的力学指标,以供土质力学上的计算。通常对膨胀土的力学分析, 主要是对其膨胀潜势和膨胀压力的研究后得出的。1.3.1 膨胀潜势。膨胀潜势: 简单的讲, 就是在室内按AASHO 标准压密实验, 把试样在最佳含水量时压密到最大容重后, 使有侧限的试样在一定的附加荷载下, 浸水后测定的膨胀百分率。膨胀率可以用来预测结构物的最大潜在的膨胀量。膨胀量的大小主要取决于环境条件, 如润湿程度.润湿的持续时间和水分的转移方式等。因此, 在工程施工中, 改造膨胀土周围的环境条件, 是解决膨胀土工程问题的一个出发点。1.3.2 膨胀力。膨胀力, 也就是膨胀压力。通俗的讲, 就是试样膨胀到最大限度以后, 再加荷载直到回复到其初始体积为止所需的压力。对某种给定的粘土来说, 其膨胀压力是常数, 它仅随干容重而变化。因此, 膨胀力可以方便的用作衡量粘土的膨胀特性的一种尺度。对于未扰动的粘土来讲, 干容重是土的原位特征。所以在原位干容重时土的膨胀压力可以直接用来论述膨胀特性。2 膨胀土路基处理方法根据膨胀土的结构特性和工程特性, 按照膨胀土类型, 对膨胀土可采用多种处理方法, 一般可分为膨胀土性质改良法、保湿法及换土法三类。膨胀上性质改良法是改变膨胀土的亲水性、热敏性和胀缩性的方法, 包括机械改良法(又称夯实法)、物理改良法及化学改良法; 保湿法是保持膨胀土地基中的水分不发生改变, 以克服膨胀土吸水膨胀、失水收缩性质的方法; 换土法是将膨胀土全部挖除, 采用非膨胀土进行换填。根据郑少高速公路的具体情况, 综合考虑膨胀土的各种性质, 对膨胀土路基处理采取“保湿防渗”的原则, 采用放缓边坡、加强防护、换填非膨胀土、对膨胀土进行掺灰改良、加强排水等工程措施, 确保膨胀土路基的稳定, 满足工程建设要求。2.1 放缓边坡。由于膨胀土的工程特征, 膨胀土路基边坡不能很陡, 根据膨胀土类型及边坡高度, 边坡率一般采用1: 1.5、1: 1.75、1: 2.0三种较缓边坡。填挖较高时, 在从路面起每6.0m 高度处设置一级2.0m 宽中间平台, 以加强路基边坡的稳定。2.2 加强防护。对膨胀土路基坡面采取全防护处理, 并综合考虑安全、美观、绿化等要求,对中等膨胀土边坡采用浆砌片石实体防护; 对弱膨胀土边坡采用浆砌片石拱形骨架、人字型预制块、预制六角空心砖、菱形网格、窗孔式浆砌片石等护坡形式进行防护, 在骨架、预制块和网格中采用液压喷播植草防护。当边坡较高时,在边坡底部设3m 高的矮挡土墙, 以确保边坡坡脚的稳定。2.3 加强防排水措施。由于膨胀土具有显著地吸水膨胀软化和失水收缩硬裂的特征, 必须加强膨胀土路基的防排水措施。根据当地的降水量和具体地形, 在路基建设范围内设置边沟、排水沟、截水沟、急流槽、跌水等排水构造物, 并在排水构造物周边铺设防渗复合土工膜,确保将地表水排出路基本体, 而不致大量下渗,对膨胀土路基造成危害。在地下水发育地区, 设置支撑渗沟和渗水盲沟, 以减少地下水对路基工程的不良影响。2.4 填筑非膨胀土。为保证路基的工程质量, 对不适宜做路床的膨胀土路段, 全部挖除膨胀土, 换填非膨胀土; 对弱膨胀土路堑地段路床以下30cm、中等膨胀土路堑地段路床以下50cm, 采用挖除换填非膨胀土来处理。适当凉晒后的弱膨胀土、含水量小于20%的中等膨胀土和采用掺拌生石灰进行改性处理后的含水量在20%30%之间的中等膨胀土可用于路堤填心, 但其周边需采用非膨胀土填料进行包裹, 包裹层厚度不小于2.0m; 中等膨胀土路堤地段路床厚80cm 和上路堤厚70cm 以及弱膨胀土路堤地段路床厚80cm范围内的土体, 填筑非膨胀土。2.5 掺石灰改良。膨胀土对膨胀土不能直接利用而非膨胀土来源困难或运距较远不经济时, 采用掺石灰改性膨胀土, 石灰剂量为4%l2%, 掺石灰改性后应达到胀缩总率小于0.7 为准, 以接近零为最佳, 根据不同路段膨胀土的具体情况, 通过试验确定具体的掺灰率。2.6 采用土工格栅加固中等膨胀土路堤边坡。为加固中等膨胀土路堤边坡, 中等膨胀土地区的路堤, 自路床顶以下两侧边坡采用双向土工格栅加固, 每层垂直间距为0.4m, 除最上部两层及变坡点处土工格栅拉通铺设以外, 其余各层土工格栅宽度为3.0m, 为防止格栅露出边坡, 格栅外缘距边坡保留至少10cm 的距离, 有边坡防护工程时, 应保留3040cm。对土工格栅材料的要求: 为确保工程质量, 达到加固土等膨胀土路堤边坡的效果, 采用双向拉伸的塑料土工格栅, 严禁采用单向拉伸的塑料土工格栅及经编、玻纤类格栅以及土工格网。双向拉伸的塑料土工格栅各项参数应符合TGSG20- 20(GB/T17689 - 1999), 且要求其抗拉强度不小于20kN/m, 横向延伸率不大于15%。3 膨胀土地基勘察膨胀土地基勘察是膨胀土区工程建设的十分重要的环节之一,除满足一般要求外,还应着重进行以下问题的研究:(1)全面收集当地多年的气象资料,了解起变化特点,并分析其发展态势;(2)调查地表水排泄积累情况及地下水类型、埋藏条件、水位变化情况;(3)调查植被等周边环境影响因素,分析事故原因;(4)进行试验,测定土的物理力学性质指标(自由膨胀率、膨胀力、线缩率、收缩系数、膨胀力),确定膨胀土膨胀等级;(5)查明膨胀土成因,划分地貌单元,了解地形形态,及有无不良地质现象。4 膨胀土地基评价4 . 1 膨胀土的判别膨胀土判别是解决膨胀土地基勘察设计的首要问题。据实践经验,其判别主要依据是工程地质特征与自由膨胀率。膨胀土地区建筑技术规范规定,凡具有:(1)裂隙发育,有光滑面、擦痕,并随季节气候变化而张开和闭合;(2)自然条件下呈硬塑状态,胀缩性能较大的粘性土,常为灰白灰绿色;(3)常见浅层滑坡、张裂,新开挖基坑(槽)发生坍塌等;(4)多出露于山前、盆地边缘、丘陵地带,地形平缓;这些工程地质特征的场地,且自由膨胀率40%的土应判别为膨胀土。4 . 2 膨胀土胀缩等级膨胀土地基评价应根据其膨胀收缩变形对底层砖混结构的影响程度进行。膨胀土规范规定以50kP压力下测定图的膨胀率,计算地基变形量Se,以此作为划分标准。5 膨胀土工程措施膨胀土地基的工程建设,应综合气候、工程地质、水位地质等条件,结合施工经验,因地制宜采取综合措施。5 . 1 适当采用设计措施5.1.1 场址选择建筑场地应避开地形复杂,地裂、冲沟发育,地下水位变化剧烈等地段。尽量布置在地形条件简单,地质较均匀,具有排水通畅,坡度小于14并有可能采用分级挡土墙治理,胀缩性较弱的地段。坡地建筑应避免大挖大填,要保持自然地形,并设置必要排水隔水措施。5.1.2 建筑设计建筑物体型力求简单,不宜过长,必要时可采用沉降缝分段隔开。主体工程应布设在地形平坦,地基土层单一的位置。不宜靠近坡肩。一般地坪可采用预置块铺砌。对有特殊要求的地坪可采用地面配筋或架空等措施,尽量与墙体脱开。根据树木蒸发吸水能力和当地气候条件合理确定建筑物与周围树木间距。避免选用吸水量大、蒸发量大的树种进行绿化。5.1.3 结构处理结构上要加强建筑物整体刚度,承重墙体宜采用实心砖墙。基础顶部和房屋顶部设置圈梁。建筑物角段和内外墙连接处,必要时可增设水平钢筋。5.1.4 地基选择增大基础埋深,且不应小于1m。一般基础埋深宜超过大气影响深度或通过变形验算确定。膨胀土地区基础设计,应充分利用地基土承载力,缩小基底面积,合理选择基底型式。基础埋深较大或基底压力较小,采用墩基;地址均匀,采用条基。5.1.5 地基处理常用膨胀土的工程处理方法有换土法、温度控制法、桩基础、化学改良法等。换土即挖除膨胀土层,用非粘性土或粗粒土换填。当大气影响深度较深,土层较厚,窜有地基加固施工困难时宜采用桩基础法。也可采用压力灌浆将石灰浆液灌入膨胀土裂缝中起加固作用。5 . 2 合理选用施工措施膨胀土地区建筑物应根据设计要求、地形条件和施工季节,做好施工组织设计。在施工中应尽量减少地基土层中的含水量的变化,以便较少土的胀缩变形。避免基坑岩土体收到暴晒或浸泡。雨季施工宜采取防水措施。施工完毕后,应即将基槽和室内回填土分层夯实。尽量避免再坎坡上兴建建筑,若实在无法避开,则应先排水,设置支柱和护坡进行治理,政治环境后再建。地坪面层施工应尽量减少地基浸水,并宜用覆盖物湿润养护。6 工程实例6.1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1293.61297.57m，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：1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0.51米。2层耕植土（Qm1）：褐红色，稍湿 湿，松散，含植物根系。层厚0.40.5米。1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0.52.10米。2层卵石（Qa1+p1）：褐红色、褐灰色，稍湿湿，稍密，砂及粘土充填。层厚1.201.30米。1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3.28.4米。2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510%，含粘粒。1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0.64.80米。2层中砂（Qa1+p1）：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310%，含粘粒。层厚0.62.9米。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6.0013.40米。本场地地下水稳定埋深01.3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rKN/m3含水比aW孔隙比e液性指数IL压缩系数a1-2MPa-1压缩模量Es1-2MPa粘聚力CkkPa内磨擦角k度1粘土34190.760.960.40.44.9459.51粘土3318.80.660.910.30.454.7359.22中砂20.81粘土2520.50.490.670.050.29.080142细砂粘土2320.40.550.660.060.29.07513.5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）1填土稍密702耕植土松散1粘土可塑1352卵石稍密1801粘土可塑1402中砂松散稍密1503砾石中密密实2501粘土可塑硬塑2402细砂稍密中密135粘土硬塑2406.2 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。6.2.1 电解车间6.2.1.1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。6.2.1.2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800人工挖孔护壁灌注桩，扩底直径为1.7m。6.2.1.3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PS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。6.2.2 50米砖烟囱6.2.2.1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。6.2.2.2砂石垫层的设计参数6.2.2.2.1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d（kN/m3）压缩系数a1-2（kPa-1）压缩模量Es（1-2）（kPa）粒径（mm）5020205砂松散状态45.030.025.019压缩状态42.132.025.926.3410-533.41046.2.2.2.2 垫