5.7 地基基础措施

5.7.1、5.7.2 膨胀土的改良一般是在土中掺入一定比例的石灰、水泥或粉煤灰等材料，较适用于换土。采用上述材料的浆液向原状土地基中压力灌浆的效果不佳，应慎用。
大量室内外试验和工程实践表明：土中掺入2％～8％的石灰粉并拌和均匀是简单、经济的方法。表21是王新征用河南南阳膨胀土进行室内试验的结果。

表21 掺入石灰粉后膨胀土胀缩性试验结果表

    膨胀土中掺入一定比例的石灰后，通过Ca⁺离子交换、水化和碳化以及孔隙充填和粘结作用，可以降低甚至消除土的膨胀性，并能提高扰动土的强度。使用时应根据土的膨胀潜势通过试验确定石灰的掺量。石灰宜用熟石灰粉，施工时土料最大粒径不应大于15mm，并控制其含水量，拌和均匀，分层压实。
5.7.5～5.7.9 桩在膨胀土中的工作性状相当复杂，上部土层因水分变化而产生的胀缩变形对桩有不同的效应。桩的承载力与土性、桩长、土中水分变化幅度和桩顶作用的荷载大小关系密切。土体膨胀时，因含水量增加和密度减小导致桩侧阻和端阻降低；土体收缩时，可能导致该部分土体产生大量裂缝，甚至与桩体脱离而丧失桩侧阻力(图20)。因此，在桩基设计时应考虑桩周土的胀缩变形对其承载力的不利影响。

图20 膨胀土收缩时桩周土体与桩体脱离情况现场实测

    对于低层房屋的短桩来说，土体膨胀隆起时，胀拔力将导致桩的上拔。国内外的现场试验资料表明：土层的膨胀隆起量决定桩的上拔量，上部土层隆起量较大，且随深度增加而减小，对桩产生上拔作用；下部土层隆起量小甚至不膨胀，将抑制桩的上拔，起到“锚固作用”，如图21所示。
    图中CD表示9m深度内土的膨胀隆起量随深度的变化曲线，AB则为7m桩长的单桩上拔量为40mm。 CD和AB线交点O处土的隆起量与桩的上拔量相等，即称为“中性点”。O点以上桩承受胀拔力，以下则为“锚固力”。当由胀拔力产生的上拔力大于“锚固力”时，桩就会被上拔。为抑制上拔量，在桩基设计时，桩顶荷载应等于或略大于上拔力。

图21 土层隆起量与桩的上升量关系

图22 桩基与分层标位移量
1-分层标；2-桩基

    上述中性点的位置和胀拔力的大小与土的膨胀潜势和土中水分变化幅度及深度有关。目前国内外关于胀拔力大小的资料很少，只能通过现场试验或地方经验确定。至于膨胀土中桩基的设计，只能提出计算原则。在所提出原则中分别考虑了膨胀和收缩两种情况。在膨胀时考虑了桩周胀拔力，该值宜通过现场试验确定。在收缩时因裂缝出现，不考虑收缩时所产生的负摩擦力，同样也不考虑在大气影响急剧层内的侧阻力。云南锡业公司与原冶金部昆明勘察公司曾为此进行试验：桩径230mm，桩长分别为3m、4m，桩尖脱空，3m桩长荷载为42.0kN，4m桩长为57.6kN；经过两年观察，3m桩下沉达60mm以上，4m桩仅为6mm左右，与深标观测值接近（图22）。当地实测大气影响急剧层为3.3m，可以看出3.3m长度内还有一定的摩阻力来抵抗由于收缩后桩上承受的荷载。因此，假定全部荷重由大气影响急剧层以下的桩长来承受是偏于安全的。
    对于土层膨胀、收缩过程中桩的受力状态，尚有待深入研究。例如在膨胀过程或收缩过程中，沿桩周各点土的变形状态、变形速率、变形大小是否一致就是一个问题。本规范在考虑桩的设计原则时，假定在大气影响急剧层深度内桩的胀拔力存在，及土层收缩时桩周出现裂缝情况。今后还需进一步研究，验证假定的合理性并找出简便的计算模型。
    膨胀土中单桩承载力及其在大气影响层内桩侧土的最大胀拔力可通过室内试验或现场浸水胀拔力和承载力试验确定，但现场的试验数据更接近实际，其试验方法和步骤、试验资料整理和计算建议如下。实施时可根据不同需要予以简化。
    1 试验的方法和步骤
    1) 选择有代表性的地段作为试验场地，试验桩和试验设备的布置如图23的所示；
    2) 胀拔力试验桩桩径宜为Ф400，工程桩试验桩按设计桩长和桩径设置。试验桩间距不小于3倍桩径，试验桩与锚桩间距不小于4倍桩径；
    3) 每组试验可布置三根试验桩，桩长分别为大气影响急剧层深度、大气影响深度和设计桩长深度；
    4) 桩长为大气影响急剧层深度和大气影响深度的胀拔力试验桩，其桩端脱空不小于100mm；
    5) 采用砂井和砂槽双面浸水。砂槽和砂井内填满中、粗砂，砂井的深度不小于当地的大气影响深度；
    6) 试验宜采用锚桩反力梁装置，其最大抗拔能力除满足试验荷载的要求外，应严格控制锚桩和反力梁的变形量；
    7) 试验桩桩顶设置测力计，现场浸水初期至少每8h进行一次桩的胀拔力观测，以捕捉最大的胀拔力，后期可加大观测时间间隔，直至浸水膨胀稳定；
    8) 浸水膨胀稳定后，停止浸水并将桩顶测力计更换为千斤顶，采用慢速加载维持法进行单桩承载力试验，测定浸水条件下的单桩承载力；
    9) 试验前和试验后，分层取原状土样在室内进行物理力学试验和膨胀试验。

图23 桩的现场浸水胀拔力和承载力试验布置示意(图中单位：mm)
1—锚桩；2—桩帽；3—胀拔力试验桩（大气影响深度）；
4—支承梁；5—工程桩试验桩；6—胀拔力试验桩（大气影响急剧层深度）；
7—Ф127砂井；8—砖砌砂槽；9—桩端空隙；10—测力计（千斤顶）

    2 试验资料整理及计算
    1) 绘制桩的现场浸水胀拔力随时间发展变化曲线（图24）；

图24桩的现场浸水胀拔力随时间发展变化曲线示意

     2) 根据桩长为大气影响急剧层深度或大气影响深度试验桩的现场实测单桩最大胀拔力，可按下式计算大气影响急剧层深度或大气影响深度内桩侧土的最大胀切力平均值：

    式中： ——大气影响急剧层深度或大气影响深度内桩侧土的最大胀切力平均值(kPa)；
               ——单桩最大胀拔力实测值(kN)；
                        d——试验桩桩径(m)；
                        l——试验桩桩长(m)。
    3) 浸水条件下，根据桩长为大气影响急剧层深度或大气影响深度试验桩测定的单桩极限承载力，可按下式计算浸水条件下大气影响急剧层深度或大气影响深度内桩侧阻力特征值的平均值：

    式中： ——浸水条件下，大气影响急剧层深度或大气影响深度内桩侧阻力特征值的平均值(kPa)；
              ——浸水条件下，单桩极限承载力实测值(kN)。
    4) 浸水条件下，工程桩试验桩单桩极限承载力的测定，应符合现行国家标准《建筑地基基础设计规范》GB 50007的有关规定；
    5) 同一场地的试验数量不应少于3点，当基桩最大胀拔力或极限承载力试验值的极差不超过其平均值的30％时，取其平均值作为该场地基桩最大胀拔力或极限承载力的标准值。