浅谈膨胀土地基桥梁基础设计与施工
2016-11-07
1 膨胀土的定义
1.1 膨胀土
膨胀土是土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土。一般粘性土都具有吸水膨胀、失水收缩的特性，但膨胀土的这种变形量特性比较显著，容易带来工程危害，对地基基础带来的危害最为显著。
1.2 胀缩等级
膨胀土地基评价，应根据地基的膨胀、收缩变形对基础的影响程度进行。地基的胀缩等级，按地基分级变形量Sc（mm）可分为三级：15≤Sc<30，为Ⅰ级；35≤Sc<70，为Ⅱ级； Sc≥70，为Ⅲ级。
1.3 大气影响深度和大气影响急剧深度
膨胀土地基的计算深度应根据大气影响深度确定。大气影响深度是自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效深度。大气影响急剧深度是指大气影响特别显著的深度。
2 项目概况
位于云南省东南部蒙自大屯海环湖东路及大屯海环湖北路工程，拟建一座钢筋混凝土简支空心板桥梁。根据现场勘察测量，蒙自地区的大气影响深度为5.00m，大气影响急剧层深度为2.25m。拟建场地膨胀土地基的胀缩等级较高，该场地地基的胀缩等级大多为Ⅲ级，少量为Ⅰ级或Ⅱ级，设计时按Ⅲ级膨胀土地基进行设计。工程场地内的部分地基土具有以下特性：
（1）冲洪积粘土：褐红、褐黄色，含少量角砾，可塑状态，湿。土体结构松散。层顶埋深为0.60～1.40，厚度为0.50～1.60m；呈薄层状分布；
（2）冲湖积粘土： 褐黄、灰绿、灰褐色，含少量腐殖物，软塑状态，饱和。层顶埋深为0.50～1.20m，厚度为0.60～2.30m；
（3）粘土层： 褐黄、黄褐、灰绿色，含少量角砾及铁锰质结核，局部含量达5～35%；硬塑状态，稍湿。层顶埋深为3.30～7.10，厚度为8.60～16.20m；
以上土层液限多大于40%，具有较高的塑性；其自由膨胀率均大于40 %，具有弱-中等膨胀潜势；根据国家《膨胀土地区建筑技术规范》的有关规定，应判别为膨胀土。
3 设计方法
3.1 桩尖持力层设计
在进行桥梁下部结构设计时，结合地质资料，冲洪积粘土层、冲湖积粘土层及粘土层深度多处于地面以下10-15m范围内，在满足大气影响深度和桩基承载力要求的前提下，设计时适当延长桩基长度，将桩尖放置在相对更加稳定的新第三系泥灰岩层，这样就使桥梁上部结构荷载传递到不受湿度变化影响的稳定地带。由此，使桥梁结构整体不受膨胀上举力的影响，避免造成结构隐患。
3.2 结构整体刚度设计
除考虑将桩基础埋置在泥灰岩层外，为增强结构整体刚度，共同抵抗基础重力方向有可能因地基土胀缩而产生的变形，设计时还在中墩桩顶处增加设置了横系梁，使基础有利地连接在一起，形成一个整体框架，从而实现联合受力，大幅提高了基础的稳定性。
4 施工方法
4.1 改良土质
由于本工程场地地基膨胀土深度集中分布在地面以下15米以内，除了设计时采用相应的预防地基变形的手段外，在条件允许的情况下，结合工程经济能力和工期要求，施工时还可以采用换土、砂石垫层、土体改良等方法。换土可采用非膨胀性土或灰土：
（1）对换填土的选择应遵循含水量适中、粒径均匀等原则，换填土开采后进行翻松和拢推，对含水量超标的土料进行晾晒，对含水量偏低的土料进行洒水调整；
（2）换填土必须保证干场作业，回避降水天气；
（3）换土施工由低至高分层摊铺碾压上升，分层换填至原地面高程后，还应预留30cm超填余量，以人工配合推土机平整，保证土体结合；
（4）在施工过程中，如出现地下水，施工单位还应根据实际情况专门研究制定地下水排降水方案。
换土法能够得到比其他处理方法更大的地基承载力，从根本上改变地基土的性质，工期也比较短。
目前，我国施工单位采用的主要土体改良方法有：水泥改良法、石灰改良法和化学剂改良法。
化学剂改良法以其能够比较准确的控制膨胀土的塑性指数和膨胀潜势，被广泛应用于膨胀土地基工程建设中。但此方法必须以大量实验准备为依据，不仅要在施工前分别取改良前和改良后的未扰动土样做改良效果分析，而且还要对化学剂的注入压力，注入化学剂的孔间距等参数进行实验分析确定。
4.2 避水处理
膨胀土对桥梁基础的危害主要来源于其遇水膨胀、失水收缩的变形特性。如果能够有效地避免膨胀土与水接触，就能够较好的控制膨胀土涨缩危害。水分的来源主要分为两方面：一是来自地面的渗水；二是来自土体内的地下水转移。
地面渗水的控制方法多种多样，主要手段有设置地面排水系统和地下排水设施，具体有截水盲沟和排水沟等，在大量的桥梁基础施工实践中已经积累了许多宝贵经验，运用比较成熟。
隔绝土体内部的地下水转移的方法主要有水平水分截断层和垂直水分截断层两种。水平水分截断层常用的方法是：薄膜法。
薄膜截水法的主要措施是从在基础换填土外围铺设聚乙烯薄膜，在薄膜上铺设松散砾石。但该方法缺点明显：首先，薄膜容易被撕裂形成空洞渗水；其次，随着时间的推移，即使薄膜下是赶干燥的土壤，土中的水分仍旧会转移，土壤也会吸水湿润；再次，薄膜法仅适用于浅层地基土。所以，薄膜法只是缓解了土体被水分的渗透时间。
垂直水分截断层法是布置在基础周围，切断可能进入桥梁基础范围内的水源，其效果比水平水分截断层法稍好。然而，即使垂直水分截断层设置深度足以超过地基土季节性湿度变化的深度，水分仍然可以绕过截断层，从其下方渗入桥梁地基基础。因此，这种方法也同样只是减缓了水分转移的速度。
综上所述，工程中，将水平水分截断层法和垂直水分截断层法综合使用，效果更佳。
5 结束语
在设计与施工中，桥梁下部结构必须遵循造价经济、安全耐久、养护方便、满足使用的要求。下部结构的影响对整个设计施工方案起着至关重要的作用。随着科技水平的进步和设计施工手段的越发先进，当地基基础条件复杂、对下部结构影响较大时，在保证桥梁质量、提高经济效益的前提下，确定合理的设计施工方案就显得尤为重要。
