淺談膨脹土地基橋梁基礎設計與施工

王佳歆　張洋

【摘 要】 膨脹土地基以其遇水后所產生的脹縮變形對橋梁基礎安全構成極大隱患，本文將根據對膨脹土地基特點研究分析以及在工程項目中的實際經驗對橋梁基礎的設計和施工方法進行闡述。

【關鍵詞】 膨脹土 橋梁基礎 設計 施工

【Abstract】Expansive soil foundation is defined as a great danger to the safety of bridge foundation by its expansion and shrinkage deformation under the water influence. According to research and analysis on the expansive soil foundation and the practical experiences， this discourse will discuss the method of design and construction of bridge foundation.

【Key words】expansive soil； bridge foundation； design； construction

1 膨脹土的定義

1.1 膨脹土

膨脹土是土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，同時具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的粘性土。一般粘性土都具有吸水膨脹、失水收縮的特性，但膨脹土的這種變形量特性比較顯著，容易帶來工程危害，對地基基礎帶來的危害最為顯著。

1.2 脹縮等級

膨脹土地基評價，應根據地基的膨脹、收縮變形對基礎的影響程度進行。地基的脹縮等級，按地基分級變形量Sc（mm）可分為三級：15≤Sc<30，為Ⅰ級；35≤Sc<70，為Ⅱ級； Sc≥70，為Ⅲ級。

1.3 大氣影響深度和大氣影響急劇深度

膨脹土地基的計算深度應根據大氣影響深度確定。大氣影響深度是自然氣候作用下，由降水、蒸發、地溫等因素引起土的升降變形的有效深度。大氣影響急劇深度是指大氣影響特別顯著的深度。

2 項目概況

位于云南省東南部蒙自大屯海環湖東路及大屯海環湖北路工程，擬建一座鋼筋混凝土簡支空心板橋梁。根據現場勘察測量，蒙自地區的大氣影響深度為5.00m，大氣影響急劇層深度為2.25m。擬建場地膨脹土地基的脹縮等級較高，該場地地基的脹縮等級大多為Ⅲ級，少量為Ⅰ級或Ⅱ級，設計時按Ⅲ級膨脹土地基進行設計。工程場地內的部分地基土具有以下特性：

（1）沖洪積粘土：褐紅、褐黃色，含少量角礫，可塑狀態，濕。土體結構松散。層頂埋深為0.60～1.40，厚度為0.50～1.60m；呈薄層狀分布；

（2）沖湖積粘土： 褐黃、灰綠、灰褐色，含少量腐殖物，軟塑狀態，飽和。層頂埋深為0.50～1.20m，厚度為0.60～2.30m；

（3）粘土層： 褐黃、黃褐、灰綠色，含少量角礫及鐵錳質結核，局部含量達5～35%；硬塑狀態，稍濕。層頂埋深為3.30～7.10，厚度為8.60～16.20m；

以上土層液限多大于40%，具有較高的塑性；其自由膨脹率均大于40 %，具有弱-中等膨脹潛勢；根據國家《膨脹土地區建筑技術規范》的有關規定，應判別為膨脹土。

3 設計方法

3.1 樁尖持力層設計

在進行橋梁下部結構設計時，結合地質資料，沖洪積粘土層、沖湖積粘土層及粘土層深度多處于地面以下10-15m范圍內，在滿足大氣影響深度和樁基承載力要求的前提下，設計時適當延長樁基長度，將樁尖放置在相對更加穩定的新第三系泥灰巖層，這樣就使橋梁上部結構荷載傳遞到不受濕度變化影響的穩定地帶。由此，使橋梁結構整體不受膨脹上舉力的影響，避免造成結構隱患。

3.2 結構整體剛度設計

除考慮將樁基礎埋置在泥灰巖層外，為增強結構整體剛度，共同抵抗基礎重力方向有可能因地基土脹縮而產生的變形，設計時還在中墩樁頂處增加設置了橫系梁，使基礎有利地連接在一起，形成一個整體框架，從而實現聯合受力，大幅提高了基礎的穩定性。

4 施工方法

4.1 改良土質

由于本工程場地地基膨脹土深度集中分布在地面以下15米以內，除了設計時采用相應的預防地基變形的手段外，在條件允許的情況下，結合工程經濟能力和工期要求，施工時還可以采用換土、砂石墊層、土體改良等方法。換土可采用非膨脹性土或灰土：

（1）對換填土的選擇應遵循含水量適中、粒徑均勻等原則，換填土開采后進行翻松和攏推，對含水量超標的土料進行晾曬，對含水量偏低的土料進行灑水調整；

（2）換填土必須保證干場作業，回避降水天氣；

（3）換土施工由低至高分層攤鋪碾壓上升，分層換填至原地面高程后，還應預留30cm超填余量，以人工配合推土機平整，保證土體結合；

（4）在施工過程中，如出現地下水，施工單位還應根據實際情況專門研究制定地下水排降水方案。

換土法能夠得到比其他處理方法更大的地基承載力，從根本上改變地基土的性質，工期也比較短。

目前，我國施工單位采用的主要土體改良方法有：水泥改良法、石灰改良法和化學劑改良法。

化學劑改良法以其能夠比較準確的控制膨脹土的塑性指數和膨脹潛勢，被廣泛應用于膨脹土地基工程建設中。但此方法必須以大量實驗準備為依據，不僅要在施工前分別取改良前和改良后的未擾動土樣做改良效果分析，而且還要對化學劑的注入壓力，注入化學劑的孔間距等參數進行實驗分析確定。

4.2 避水處理

膨脹土對橋梁基礎的危害主要來源于其遇水膨脹、失水收縮的變形特性。如果能夠有效地避免膨脹土與水接觸，就能夠較好的控制膨脹土漲縮危害。水分的來源主要分為兩方面：一是來自地面的滲水；二是來自土體內的地下水轉移。

地面滲水的控制方法多種多樣，主要手段有設置地面排水系統和地下排水設施，具體有截水盲溝和排水溝等，在大量的橋梁基礎施工實踐中已經積累了許多寶貴經驗，運用比較成熟。

隔絕土體內部的地下水轉移的方法主要有水平水分截斷層和垂直水分截斷層兩種。水平水分截斷層常用的方法是：薄膜法。

薄膜截水法的主要措施是從在基礎換填土外圍鋪設聚乙烯薄膜，在薄膜上鋪設松散礫石。但該方法缺點明顯：首先，薄膜容易被撕裂形成空洞滲水；其次，隨著時間的推移，即使薄膜下是趕干燥的土壤，土中的水分仍舊會轉移，土壤也會吸水濕潤；再次，薄膜法僅適用于淺層地基土。所以，薄膜法只是緩解了土體被水分的滲透時間。

垂直水分截斷層法是布置在基礎周圍，切斷可能進入橋梁基礎范圍內的水源，其效果比水平水分截斷層法稍好。然而，即使垂直水分截斷層設置深度足以超過地基土季節性濕度變化的深度，水分仍然可以繞過截斷層，從其下方滲入橋梁地基基礎。因此，這種方法也同樣只是減緩了水分轉移的速度。

綜上所述，工程中，將水平水分截斷層法和垂直水分截斷層法綜合使用，效果更佳。

5 結束語

在設計與施工中，橋梁下部結構必須遵循造價經濟、安全耐久、養護方便、滿足使用的要求。下部結構的影響對整個設計施工方案起著至關重要的作用。隨著科技水平的進步和設計施工手段的越發先進，當地基基礎條件復雜、對下部結構影響較大時，在保證橋梁質量、提高經濟效益的前提下，確定合理的設計施工方案就顯得尤為重要。