《岩土工程1000问》一书限期征稿!!!|新闻与评论 - Page 52 - 领先的岩土技术社区，岩土领域的媒体、社区与应用平台！

离线xiaojun0012

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只看该作者 612楼发表于: 2010-05-30

请问该书啥时候出版？

★ 隐忍以行！★

离线zhuny324

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支持！很喜欢

离线gaofei107

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只看该作者 614楼发表于: 2010-05-31

不可多得的资料！谢谢！！

离线njuboy

助理工程师

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只看该作者 615楼发表于: 2010-06-02

支持，大家可以好好学习学习

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离线hj520wbjf

工程师

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只看该作者 616楼发表于: 2010-06-02

八、地震工程与特殊土100问
地震区划抗震设计原则是什么？

1、选择场地和地基
  (1)尽可能避开产生强烈地基失效及其它加重震害地面效应的场地或地基，用于这类场地或地基的主要有：活断层带、可能产生地震液化的砂层或强烈沉降的淤泥层，厚填土层，可能产生不均匀沉降的地基以及可能受地震引起的崩塌、滑坡等斜坡效应影响的地区，如陡山坡、斜坡及河坎旁。
   (2)考虑到地基土石的卓越周期和建筑物的自振周期，尽可能避免结构与地基土石之间产生共振。也就是自振周期长的建筑物尽可能不建在深厚松软沉积之上，而刚性建筑物则不建于卓越周期短的地基上。
   (3)岩溶地区地下不深处有大溶洞，地震时可能塌陷的地区不宜作为场地。
   (4)避免以加重震害的孤立突出地形作为建筑场地。对抗震有利的场地条件是；地形开阔平坦；基岩地区岩性均一坚硬或上有较薄的覆盖层；若为较厚的覆盖层则应较密实；地下水埋藏较深；崩塌、滑波泥石流等不发育。

2、选探适宜的持力层和基础方案
   场地如已选定，即应根据详细查明的场地内地质条件，为各类不同建筑物选择适宜的持力层和基础方案。

3、建筑物合理布置和结构选型
   (1)工业民用建筑物
    选择有利抗震的平面和立面是抗震设计的重要环节，尽量使建筑物的质量中心和刚度中心重合，平面上选择矩形、方形、圆形或其它没有凸出凹进的形状，立面上各部分层数尽量一致，以避免各个部分之间振型不同，受力不同，使平面转折或立面上层数不同的两部分连接处受扭转而断裂、倒塌。如必须采用平面转折或立面层数有变化的型式，则应在转折处、层数有变化的部分之间的连接处留抗震缝，使之分割为平面、立面上简单均一的独立单元。
   减轻重量、降低重心，加强整体性使各部分、各构件之间有足够的刚度和强度。一般砖石承重墙抗拉或抗剪强度较低，抗震性能较差，震害严重。改善砌体方式及提高灰缝强度以增强抗拉强度，是这类结构抗层的主要措施。钢筋混凝土框架结构抗震性能良好。但也有承重柱薄弱环节破坏的例子。其主要抗震措施是增加角柱配筋和加强柱的箍筋以增加抗弯抗扭性能。
   木构架承重的房屋，粱柱之间的连接点往往为榫接，柱子往往浮搁在柱脚石上。侧向刚度很差，地震时极易发生倾斜，木柱也易从柱脚石上滑落。
    其主要措施有如下几点：
    (a)屋架(梁)与柱的连接处，除柱顶用榫还应加角撑(斜撑)或夹板.
    (b)增加剪刀撑或没柱间支撑或柱间砌实心墙以保证必要的纵向刚度。
    (c）木柱柱脚宜用铁件与基础固定，连接宜用螺栓。
    (d)所有连接的支撑、斜呈撑、夹板等均应用螺栓连接，不宜用钉结合。砖混结构是我国目前采用极广的结构。预制混凝土楼盖板往往浮搁于承重墙上，支承长度也不足，所以整体性很差，受震时地震惯性力相对集中于楼板处，各楼、盖板相推挤碰撞、移动错位，外侧的预制板撞击墙壁，使之外突，使支承长度减小，最后楼板可从墙上脱落。

    (2)水工建筑物
     (a)选择坝型
      选择抗震性能良好的坝型是很重要的。不同坝型主要震害形式如下。
      土石坝：以堆石坝抗震性能最好。例如美国的卡斯泰克坝(高104m)，在197I年圣费尔南多地震时距震中32km．坝址加速度水平达0.39g，垂直0.18g坝体未受损坏。墨西哥的英菲尔尼罗坝(高149m)于1964—1966年遭受三次IV-VIII地震，坝体未受损害。日本御母衣坝(高131m)1961年遭受VIII度以上强震除坝顶沉陷，向下游位移5cm外，坝体基本完好。冲填土坝抗震性能较差，比较容易产生坝坡滑坡、坝顶裂缝、严重者能溃决。
      混凝土坝：以重力坝及拱坝整体性强抗震性能良好，而大头坝和连拱坝等，因侧向刚度不足抗震性能较差。如日本丰检油连拱坝在1946年南海地震中，坝址烈度VI度，支墩和坝接头处即多处漏水。各类混凝土坝主要震害是近坝顶部分、断面突变处为抗震薄弱环节，容易产生断裂；坝内孔口廊道附近易裂缝；坝顶相当于孤立突出山梁，地震反应强，因之其上的附属建筑物易破坏。
      (b)工程措施
      土石坝应防止地基失稳，提高坝体压实度，降低浸润曲线，以防坝体滑坡，适当增加坝顶宽和坝顶超高，以防涌浪和溃决。
      混凝土坝中的重力坝和大头坝应适当增加坝体顶部刚度，顶部坡折宜取弧形，坝面和坝墩顶部的几何形状应尽量平缓、避免突变以减少应力集中。支墩坝应尽可能增加整体性，增强侧向刚度。拱坝应注意拱顶两岸岩体的稳定性。拱顶附属结构应力求轻型、简单、整体性好并加强连接部位。

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土老帽

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2010-06-03

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总工

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只看该作者 617楼发表于: 2010-06-03

好书！！！！

离线cjz06

总工

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只看该作者 618楼发表于: 2010-06-03

特殊土-------冻土

一、冻土的分类
冻土是指温度等于或低于摄氏零度、且含有冰的各类土。根据其冻结时间和冻结状态可将冻土分成多种类型。
(一) 按冻结时间分
1．季节性冻土
季节性冻土是受季节性的影响，冬季冻结，夏季全部融化，呈周期性冻结、融化的土。季节性冻土在我国的华北、西北和东北广大地区均有分布。因其周期性的冻结、融化，对地基的稳定性影响较大。
季节性冻土根据其结构形式，又可分为：
(1)整体结构：土在冻结时，土中水分有向温度低的地方移动的性能。整体结构冻土是由于温度骤然降低，冻结较快，土中水分来不及移动即冻结，冰粒散布于±颗粒间，肉眼甚至看不见，与土粒成整体状态。融化后土仍保持原骨架，建筑性能变化不大。
(2)层状结构：地表温度不很低，且有变化，土中水分冻结一次，融化一次，又冻结一次，则形成层状结构冻土。这种土融化后骨架整个遭受破坏，对建筑性能影响较大。
(3)网状结构：由于地表不平，冻结时土中水分除向低温处移动外，还受地形影响，使水分向不同方向转移，而形成冰呈网状分布的冻土，这种土一般含水、含冰量较大，融化后呈软塑或流塑状态。
(4)扁豆体和楔形冰结构：由于季节性冻结和融化，土中水分向表层低温处移动，往往在冻层上限冻结成扁豆体状冰层，当冻土层向深度发展，扁豆体状冰层即夹于冻土层之中。当岩层或土层具裂隙时，水即在裂隙中成冰楔体。此类结构的冻土，承受荷载时易沿冰体滑动。
2．多年冻土
多年冻土是指冻结状态持续多年(一般是二年或二年以上以上)不融的冻土。多年冻土常存在地面以下一定深度，其上部接近地表部分，往往亦受季节性影响，冬冻夏融，此冬冻夏融的部分常称为季节融冻层。因此，多年冻土地区常伴有季节性的冻结现象。
多年冻土根据其垂直构造、水平分布和冻结发展趋势，又可分为下列几种类型：
(1)按垂直构造分：
(a)衔接的多年冻土：冻土层中没有不冻结的活动层，冻层上限与受季节性气候影响的季节性冻结层下限相衔接。
(b)不衔接的多年冻土：冻层上限与季节性冻结层下限不衔接，中间有一层不冻结层。
(2)按水平分布分：
(a)整体多年冻土：在较大的地区内呈整体分布。
(b)断续多年冻土：在冻土层中有岛状的不冻层分布。
(c)岛状多年冻土：呈岛状分布在不冻土区域内。
(3)按冻结发展趋势分：
(a)发展型冻土：由于地质、气候等因素的影响，多年冻土的厚度和分布范围仍在继续发展。
(b)退化型冻土：由于上述因素的影响，多年冻土的厚度和分布范围在退化减小。退化的规律是：先地势高处后低处，先阳坡后阴坡，先粗粒土后细粒土。
(二)按冻结状态分
1．坚硬冻土：土中未冻水含量很少，土粒为冰牢固胶结，土的强度高、压缩性小，在荷载作用下，表现脆性破坏，与岩石相似，当土的温度低于下列数值时，易呈坚硬冻土，粉砂-0.30C，粉土-0.60C，粉质粘土-1.00C，粘土-1.50C。
2．塑性冻土：虽被冰胶结但仍含有多量未冻结的水，具有塑性，在荷载作用下可以压缩，土的强度不高。当土的温度在零度以下至坚硬冻土温度的土限之间、饱和度Sr≤80％时，常呈塑性冻土。
3．松散冻土：由于土的含水量较小，土粒未被冰所胶结，仍呈冻前的松散状态，其力学性质与未冻土无多大差别。砂土和碎石土常呈松散冻土。
二、冻土的物理力学及热学性质
(一) 冻土的物理力学
1．冻土的总含水量：是指冻土中所有冰和未冻水的总质量与冻土骨架质量之比。即天然温度的冻土试样，在100~1050C下烘至恒重时，失去的水的质量与干土的质量之比。
2．冻土的重度：在冻结状态下，保持天然含水量及结构的土单位体积的重量，称为冻土的重度。
3．含冰量：衡量冻土中含冰量多少的指标，有质量含冰量，体积含冰量和相对含冰量。
4．未冻水含量：是指冻土中未冻水的质量与干土的质量之比。对于一定的土，其未冻水含量仅取决于温度条件，而与土的含水量无关。
(二)冻土的力学性质
1．冻土的融化压缩：冻土融化过程中在无外荷作用的情况下，所产生的沉降称为融化下沉(简称融陷)。用相对融陷量—融沉系数(亦称融化系数)A4表示。冻土融化后，在外荷作用下所产生的压缩变形称为融化压缩。用单位荷载下的相对变形量——融化压缩系数ao表示。
2．冻胀量：土的冻胀是土冻结过程中土体积增大的现象。土的冻胀性以冻胀率η(冻胀变形量与冻结深度之比，以百分数表示)来衡量。
3．法向和切向冻胀力：地基土冻结时，随着土体的冻胀，作用于基础底面向上的抬起力，称为基础底面的法向冻胀力，简称法向冻胀力。平行向上作用于基础侧表面的抬起力，称为基础侧面的切向冻胀力，简称切向冻胀力。
4．冻结力：冻土与基础表面通过冰晶胶结在一起，这种胶结力称为基础与冻土间的冻结强度，简称冻结力。在实际使用和量测中通常以这种胶结的抗剪强度来衡量。
5．冻土的抗剪强度：是指冻土在外力作用下，抵抗剪切滑动的极限强度。而冻土的抗剪强度不仅与外压力有关，而且与土温及荷载作用历时有密切关系。
(三)冻土的热学性质
1．比热：冻土的比热是1g土温度改变10C所需要的热量。
2．导热系数：是表示土体导热能力的指标。当土层两表面温差为10C时，在单位时间内通过一单位面积，一单位厚度土层的热量，即为该土层的导热系数。单位为W／m•K(瓦／米•开)或W／m. 0C (瓦／米. 0C)
3．导温系数：表示土中某一点在相邻点温度变化的作用下改变自身温度的能力。在数值上等于岩土导热系数(λ)与容积热容量(c.γd)的比值。
三、冻土的工程性质及地基评价
(一)季节性冻土的工程性质及地基评价
1．工程性质，冻土作为建筑物地基，在冻结状态时，具有较高的强度和较低的压缩性或不具压缩性。但冻土融化后则承载力大为降低，压缩性急剧增高，使地基产生融陷；相反，在冻结过程中又产生冻胀，对地基均为不利。冻土的冻胀和融陷与土的颗粒大小及含水量有关，一般土颗粒愈粗，含水量愈小，土的冻胀和融陷性愈小；反之则愈大。
2．冻土按冻胀性分类：季节性冻土的冻胀性按不同土质、冻前天然含水量、冻结期间地下水位距冻结面的最小距离以及平均冻胀率来划分冻胀类别，如表2-4-1所示。
季节性冻土的冻胀性分类                         表2-4-1
土的名称    冻前天然含水量w(%)    冻结期间地下水位距冻结面的最小距离hw(m)    平均冻胀率η(%)    冻胀等级    冻胀类别
碎(卵)石，砾、粗、中砂(粒径小于0.075mm颗粒含量大于15%)，细砂(粒径小于0.075mm颗粒含量大于10%)    w≤12    >1.0    η≤1    Ⅰ    不冻胀
        ≤1.0    1<η≤3.5    Ⅱ
    弱冻胀
    12<w≤18    >1.0
        ≤1.0    3.5<η≤6    Ⅲ
    冻胀
    w>18    >0.5
        ≤0.5    6<η≤12    Ⅳ    强冻胀
粉砂    w≤14    >1.0    η≤1    Ⅰ    不冻胀
        ≤1.0    1<η≤3.5    Ⅱ    弱冻胀
    14<w≤19    >1.0
        ≤1.0    3.5<η≤6    Ⅲ    冻胀
    19<w≤23    >1.0
        ≤1.0    6<η≤12    Ⅳ    强冻胀
    w>23    不考虑    η>12    Ⅴ    特强冻胀
粉土    w≤19    >1.5    η≤1    Ⅰ    不冻胀
        ≤1.5    1<η≤3.5    Ⅱ    弱冻胀
    19<w≤22    >1.5
        ≤1.5    3.5<η≤6    Ⅲ    冻胀
    22<w≤26    >1.5
        ≤1.5    6<η≤12    Ⅳ    强冻胀
    26<w≤30    >1.5
        ≤1.5    η≤12    Ⅴ    特强冻胀
    w>30    不考虑
粘性土    w≤wp+2    >2.0    η≤1    Ⅰ    不冻胀
        ≤2.0    1<η≤3.5    Ⅱ    弱冻胀
    wp+2<w≤wp+5    >2.0
        ≤2.0    3.5<η≤6    Ⅲ    冻胀
    wp+5<w≤wp+9    >2.0
        ≤2.0    6<η≤12    Ⅳ    强冻胀
    wp+9<w≤wp+15    >2.0
        ≤2.0    η>12    Ⅴ    特强冻胀
    w>wp+15    不考虑
注: 1  wp---塑限含水量(%)；
w---在冻土层内冻前天然含水量的平均值；
2  盐渍化冻土不在表列；
3  塑性指数大于22时，冻胀性降低一级；
4  粒径小于0．005mm的颗粒含量大于60％时，为不冻胀土；
5  碎云类土当充填物大于全部质量的40%时，其冻胀性按充填物土的类别判断；
6  碎石土、砾砂、粗砂、中砂(粒径小于0．075mm颗粒含量不大于15%)、细砂(粒径小于0．075mm颗粒含量不大于10%)均按不冻胀考虑。
(二)多年冻土的工程性质和地基评价
1．按融沉性分级和评价：多年冻土根据融化下沉系数δ0的大小，多年冻土可分为不融沉、弱融沉、融沉、强融沉和融陷五级，现列表2-4-2如下：
多年冰冻土融沉性分级           表2-4-2
土的名称    总含水量w0 (%)    融化下沉系数δ0    融沉等级    融沉类别    冻土类型
碎石土，砾、粗、中砂(粒径小于0.075mm颗粒含量不大于15%)    W0<10    δ0≤1    Ⅰ    不融沉    少冰冻土
    W0≥10    1<δ0≤3    Ⅱ    弱融沉    多冰冻土
碎石土，砾、粗、中砂(粒径小于0.075mm颗粒含量大于15%)    W0<12    δ0≤1    Ⅰ    不融沉    少冰冻土
    12<W0≤15    1<δ0≤3    Ⅱ    弱融沉    多冰冻土
    15<W0≤25    3<δ0≤10    Ⅲ    融沉    富冰冻土
    W0≥25    10<δ0≤25    Ⅳ    强融沉    饱冰冻土
粉砂、细砂    W0<14    δ0≤1    Ⅰ    不融沉    少冰冻土
    14<W0≤18    1<δ0≤3    Ⅱ    弱融沉    多冰冻土
    18<W0≤28    3<δ0≤10    Ⅲ    融沉    富冰冻土
    W0≥28    10<δ0≤25    Ⅳ    强融沉    饱冰冻土
粉土    W0<17    δ0≤1    Ⅰ    不融沉    少冰冻土
    17<W0≤21    1<δ0≤3    Ⅱ    弱融沉    多冰冻土
    21<W0≤32    3<δ0≤10    Ⅲ    融沉    富冰冻土
    W0≥32    10<δ0≤25    Ⅳ    强融沉    饱冰冻土
粘性土    w0<wp    δ0≤1    Ⅰ    不融沉    少冰冻土
    Wp≤w0<wp+4    1<δ0≤3    Ⅱ    弱融沉    多冰冻土
    Wp+4≤w0<wp+15    3<δ0≤10    Ⅲ    融沉    富冰冻土
    Wp+15≤w0<wp+35    10<δ0≤25    Ⅳ    强融沉    饱冰冻土
含土冰层    W0≥wp+35    δ0>25    Ⅴ    融陷    含土冰层
注: 1  总含水量 w0包括冰和未冻冰；
2  本表不包括盐渍化冻土、冻结泥炭化土、腐殖土、高塑性粘土。

表中：不融沉土(Ⅰ类土)为除基岩之外的最好的地基土。一般建筑物可不考虑冻融问题。
弱融沉土(Ⅱ类土)为多年冻土较良好的地基土。融化下沉量不大，一般当基底最大融深控制在3.0m之内时，建筑物均未遭受明显破坏。
融沉土(Ⅲ类土)，作为建筑物地基时，一般基底融深不得大于1.0m。因这类土不但有较大的融沉量和压缩量，而且，冬天回冻时，应采取专门措施，如深基、保温、防止基底融化等。
强融沉土(Ⅳ类土)，往往会造成建筑物的破坏。因此，原则上不允许地基土发生融化，宜采用保持冻土的原则设计或采用桩基等。
融陷土(Ⅴ类土)，因含有大量的冰，所以不但不容许基底融化，还应考虑它的长期流变作用，需进行专门处理，如采用砂垫层等。
2．场地的选择：对于重要的一、二级建筑物的场地，应尽量避开饱冰冻土、含土冰层地段和冰椎、冰丘、热融湖(塘)、厚层地下冰、融区与多年冻土区之间的过渡带。宜选择下列地段：
(1)坚硬岩层、少冰冻土及多冰冻土的地段；
(2)地下水位或冻土层上水位低的地段；
(3)地形平缓的高地。
3．地基承载力的确定：应区别保持冻结地基和容许融化地基，结合当地经验用载荷试验或其他原位测试方法综合确定，对次要建筑物可根据邻近工程经验确定。

四、冻土地基的设计与防冻害措施
(一)季节性冻土地区地基设计与防冻害措施
1．设计原则
基础埋深的确定：对于不冻胀的基础埋深，可不考虑冻深的影响；对于弱冻胀、冻胀和强冻胀土的基础最小埋深，可按下式确定：
             (2-4-1)
式中：dmin——基础最小埋深；
hmax----基础底面下允许残留冻土层的最大厚度，按表2-4-3确定。
Zd----设计冻深，按下式计算。
                  (2-4-2)
式中：Z0——标准冻深。系采用在地表平坦、裸露、城市之外的空旷场地中不少于10年实测最大冻深的平均值。当无实测资料时，按《建筑地基基础设计规范》附录F采用；
Ψzs——土的类别对冻深的影响系数，按表2-4-4采用；
Ψzw——土的冻胀性对冻深的影响系数，按表2-4-5采用；
Ψze——环境对冻深的影响系数，按表2-4-6采用；

建筑基底下允许残留冻土层厚度hmax (m)                    表2-4-3
冻胀性    基础形式    采暖情况    基底平均压力(kPa)
            90    110    130    150    170    190    210
弱冻胀土    方形基础    采暖    —    0.94m    0.99m    1.04m    1.11m    1.15m    1.20m
        不采暖    —    0.78m    0.84m    0.91m    0.97m    1.04m    1.10m
    条形基础    采暖    —    >2.50m    >2.50m    >2.50    >2.50    >2.50m    >2.50m
        不采暖    —    2.20m    2.50m    >2.50    >2.50    >2.50m    >2.50m
冻胀土    方形基础    采暖    —    0.64m    0.70m    0.75m    0.81m    0.86m    —
        不采暖    —    0.55m    0.60m    0.65m    0.69m    0.74m    —
    条形基础    采暖    —    1.55m    1.79m    2.03m    2.26m    2.50m    —
        不采暖    —    1.15m    1.35m    1.55m    1.75m    1.95m    —
强冻胀土    方形基础    采暖    —    0.42m    0.47m    0.51m    0.56m    —    —
        不采暖    —    0.36m    0.40m    0.43m    0.47m    —    —
    条形基础    采暖    —    0.74m    0.88m    1.00m    1.13m    —    —
        不采暖    —    0.56m    0.66m    0.75m    0.84m    —    —
特强冻胀土    方形基础    采暖    0.30m    0.34m    0.38m    0.41m    —    —    —
        不采暖    0.24m    0.27m    0.31m    0.34m    —    —    —
    条形基础    采暖    0.43m    0.52m    0.61m    0.70m    —    —    —
        不采暖    0.33m    0.40m    0.47m    0.53m    —    —    —

注: 1   本表只计算法向冻胀力，如果基侧存在切向冻胀力，应采取防切向力措施。
2    本表不适用于宽度小于0.6m的基础，矩形基础可取短边尺寸按方形基础计算。
3    表中数据不适用于淤泥、淤泥质土和欠固结土。
4    表中基底平均压力数值为永久荷载标准值乘以0.9，可以内插。

土的类别对冻深的影响系数Ψzs          表2-4-4
土的类别    影响系数Ψzs    土的类别    影响系数Ψzs
粘性土    1.00    中、粗、砾砂    1.30
细砂、粉砂、粉土    1.20    碎石土    1.40
土的冻胀性对冻深的影响系数Ψzw      表2-4-5
冻胀性    影响系数Ψzw    冻胀性    影响系数Ψzw
不冻胀    1.00    强冻胀    0.85
弱冻胀    0.95    特强冻胀    0.80
冻胀    0.90
环境对冻深的影响系数Ψze           表2-4-6
周围环境    影响系数Ψze    周围环境    影响系数Ψze
村、镇、旷野    1.00    城市市区    0.90
城市近郊    0.95

当冻深范围内地基由不同冻胀性土层组成时，基础最小埋深可按下层土确定，但不宜浅于下层土的顶面。
2．防冻害措施：在冻胀、强冻胀、特强冻胀地基上，应采用下列防冻害措施：
(1) 对在地下水位以上的基础，基础侧面应回填非冻胀性的中砂或粗砂，其厚度不应小于l0cm。对在地下水位以下的基础，可采用桩基础、自锚式基础(冻土层下有扩大板或扩底短桩)或采取其他有效措施。
(2) 宜选择地势高、地下水位低、地表排水良好的建筑场地。对低洼场地，宜在建筑四周向外一倍冻深距离范围内，使室外地坪至少高出自然地面300~500mm。
(3) 防止雨水、地表水、生产废水、生活污水浸入建筑地基，应设置排水设施。在山区应设截水沟或在建筑物下设置暗沟，以排走地表水和潜水流。
(4) 在强冻胀性和特强冻胀性地基上，其基础结构应设置钢筋混凝土圈梁和基础梁，并控制上部建筑的长高比，增强房屋的整体刚度。
(5) 当独立基础联系梁下或桩基础承台下有冻土时，应在梁或承台下留有相当于该土层冻胀量的空隙，以防止因土的冻胀将梁或承台拱裂。
(6) 外门斗、室外台阶和散水坡等部位宜与主体结构断开，散水坡分段不宜超过1.5m，坡度不宜小于3％，其下宜填入非冻胀性材料。
(7) 对跨年度施工的建筑，入冬前应对地基采取相应的防护措施；按采暖设计的建筑物，当冬季不能正常采暖，也应对地基采取保温措施。
(二)多年冻土地区地基设计的基本原则
多年冻土地区的地基设计应根据建筑物的特点和冻土的性质，选用下列准则：
1．保持冻结：即保持多年冻土地基在施工和使用期间处于冻结状态。宜采用冻层较厚、多年地温较低和多年冻土相对稳定的地带。适用于不采暖的建筑物，在富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层地基上的采暖建筑物和按容许融化原则设计有困难的建筑物。
2．容许融化：即容许基底以下的多年冻土在施工和使用期间处于融化状态。按其融化方式可分为下列两种：
(1)自然融化：宜用于少冰冻土或多冰冻土地基。当估计的地基总融沉量不超过规定的地基容许变形值时，均允许基底以下多年冻土在施工和使用期间自行逐渐融化。
(2)预先融化：宜用于冻土厚度较薄，多年地温较高，多年冻土不够稳定地带的富冰冻土、饱冰冻土和含土冰层地基，可根据具体情况在施工前采用人工融化压密或挖除换填处理。

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特殊土---------膨胀岩土

膨胀岩土是指岩土体中含有大量的亲水性粘土矿物成分，在环境湿度变化时有较大的体积变化，变形受约束时产生较大内应力的岩土。
一、膨胀岩土的判别及类型
(一) 膨胀岩土的工程地质特征
1．野外特征
(1) 地貌特征：多分布在二级及二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显的自然陡坎。在流水作用下的水沟水渠，常易崩塌、滑动而淤塞。
(2)结构特征：膨胀岩土干时坚硬，遇水软化，在自然条件下多呈坚硬、硬塑状态，结构致密，自由膨胀率一般大于40%，呈棱形土块者常具有胀缩性，棱形土块越小，胀缩性越强。土内分布有裂隙，裂缝发育，方向不规则，常有光滑面和擦痕，裂缝中常充填灰白、灰绿色粘土。膨胀岩土多为细腻的胶体颗粒组成，断口光滑，土内常包含钙质结核和铁锰结核，呈零星分布，有时也富集成层。
(3) 地表特征：分布在沟谷头部、库岸和路堑边坡上的膨胀土常易出现浅层滑坡，新开挖的路堑、边坡、基槽，旱季常出现剥落，雨季则出现表面滑塌。膨胀土分布地区还有一个特点，即在旱季常出现地裂，长可达数十米至近百米，深数米，雨季闭合。
(4) 地下水特征：膨胀土地区多为上层滞水或裂隙水，无统一水位，随着季节水位变化，常引起地基的不均匀胀缩变形。
2．膨胀土的物理力学性质指标
我国有关地区膨胀土的物理力学性质指标列于表2-3-1。
          膨胀土的物理力学性质指标                   表2-3-1
地区    天然含水量w(%)    重度γ
(kN/m3)    孔隙比e    液限wL (%)    塑指IP(%)    液性指数IL    粘粒含量<2μ (%)    自由膨胀率FS(%)    膨胀率eP(%)    膨胀力pp
(kPa)    线缩率eSL
(%)
云南鸡街
广西宁明
广西田阳    24
27.4
21.5    20.2
19.3
20.2    0.68
0.79
0.64    50
55
47.5    25
28.9
23.9    <0
0.07
0.09    48
53
45    79
68    5.01    103
175
98    2.97
6.44
2.73
云南蒙自
云南文山
云南建水    39.4
37.3
32.5    17.8
17.7
18.3    1.15
1.13
0.99    73
57
59    34
27
29    0.03
0.29
0.06    42
45
50    81
52
52    9.55    50
62
40    8.20
9.50
7.0
河北邯郸
河南平顶山
湖北襄樊    23.0
20.8
22.4    20.0
20.3
20.0    0.67
0.61
0.65    50.8
50.0
55.2    26.7
26.4
24.3    0.05
<0
<0    31
30
32    80
62
112    3.01    56
137
30    4.48
山东临沂    34.8    18.2    1.05    55.2    29.2    0.33        61        7
广西南宁    35.0    18.6    0.98    62.2    33.2    0.15    61    56    2.6    34    3.8
安徽合肥工大
江苏六合马集
江苏南京卫岗
四川成都川师    23.4
22.1
21.7
21.8    20.1
20.6
20.4
20.2    0.68
0.62
0.63
0.64    46.5
41.3
42.4
43.8    23.2
19.8
21.2
22.2    0.09
0.05
0.07
0.05    30

24.5
40    64
56

61

2.19    59
85

33

3.5
成都龙潭寺
湖北枝江
湖北荆门    23.3
22.0
17.9    19.9
20.1
20.7    0.61
0.66
0.56    42.8
44.8
43.9    20.9
20.5
24.2    0.01
0.03
0.02    38
31
30    90
51
64        39
94
56    5.9

2.14
湖北郧县
陕西安康
陕西汉中    20.6
20.4
22.2    20.1
20.2
20.1    0.63
0.62
0.68    47.4
50.8
42.8    22.3
20.3
21.3    <0
0
0.10
25.8
24.3    53
57
58    4.43
2.07
1.66    26
37
27    4.31
3.47
5.8
山东泰安    22.3    19.6    0.71    40.2    20.2    0.12        65    0.09    14
广西金光农场
桂林奇峰镇    40
37    17.8
18.2    1.15
1.13    80
79    14
13    0.02
<0    63    30
24    0.65    10
47    3.5
2.4
贵州贵阳    52.7    16.8    1.57    90    4.6    0.13    54.5    33.3    0.76    14.7    9.38
广西武宜
广西来宾县
广西贵县
广西武鸣    36
29
32
27    18.3
18.5
19.2
18.5    0.99
0.89
0.91
0.90    68
58
67
72    26
30
25
15    <0
0.04
<0
<0
30
67
42    25
44
50
46    0.42
9
43
190
1.5
1.3
1.5
山东泗水泉林    32.5    18.4    0.98    60    32    0.18                    1.7

3．膨胀土胀缩变形的主要因素
（1）膨胀土的矿物成分主要是次生粘土矿物—蒙脱石(微晶高岭土)和伊利石(水云母)，具有较高的亲水性，当失水时土体即收缩，甚至出现干裂，遇水即膨胀隆起。因此，土中含有上述粘土矿物的多少直接决定土的膨胀性的大小。几种矿物的活动性能列于表2-3-2。
几种矿物的活动性              表2-3-2
名  称    活  动  性
蒙脱石钠
蒙脱石钙
伊利石
商岭石
白云母
方解石
石英    7.2
1.5
0.9
0.33~0.46
0.23
0.18
0

(2) 膨胀土的化学成分则以SiO2、Al2O3和Fe2O3为主，粘土粒的硅铝分子比的比值愈小，胀缩量就小，反之则大。
(3) 粘粒含量愈高，吸水能力愈强，胀缩变形就大，因颗粒小，比表面积大，颗粒负电场与极性水分子间的吸引作用，或由于阳离子的水化作用等影响所致。
(4) 土的密度大，孔隙比就小，反之则孔隙比大，前者浸水膨胀强烈，失水收缩小，后者浸水膨胀小，失水收缩大。
(5) 膨胀土含水量变化，易产生胀缩变形，当初始含水量与胀后含水量愈接近、土的膨胀就小，收缩的可能性和收缩值就大，如二者差值愈大，土膨胀的可能性及膨胀值就大，收缩就愈小。
(二)．膨胀岩土的工程地质分类
(1)    根据膨胀土的成因和性质等将其分为四类，见表2-3-3：
膨胀土的工程性质类型                      表2-3-3
类型    岩性    孔隙比e    液限wL    δjs
(%)    膨胀力PP
(kPa)    线缩率eSL(%)    分布地区
Ⅰ(湖相)    1.粘土、粘土岩：灰白、灰绿色为注，灰黄、褐色次之    0.54~0.84    40~59    40~90    70~310    0.7~5.8    平顶山、邯郸、宁明、个旧、襄樊、曲靖、昭通
    2.粘土：灰色及灰黄色    0.92~1.29    58~80    56~100    30~150    4.1~13.2
    3.粉质粘土：泥质粉细砂、泥灰岩，灰黄色    0.59~0.89    31~48    35~50    20~134    0.2~6.0    郧县、荆门、枝江、安康、汉中、临沂、成都、合肥、南宁
Ⅱ(河相)    1.粘土：褐黄、灰褐色    0.58~0.89    38~54    40~77    53~204    1.8~8.2
    2. 粉质粘土：褐黄、灰白色    0.53~0.81    30~40    35~53    40~100    1.0~3.6
Ⅲ(滨海相)    1.粘土：灰白、灰黄色，层理发育，有垂向裂隙、含砂    0.65~1.30    42~56    40~52    10~67    1.6~4.8    广东的湛江、海口
    2.粉质粘土:灰色、灰白色    0.62~1.41    32~39    22~34    0~22    2.4~6.4
Ⅳ (残积相)    —1(碳酸岩石地区)    1.下部粘土：褐黄、棕黄色    0.87~1.35    51~86    30~75    14~100    1.2~7.3    广西的贵县、柳州、来宾
        2.上部粘土：棕红、褐色等色    0.82~1.34    47~72    25~49    13~60    1.1~3.8    云南的昆明、砚山
    —2(老第三系地区)    1.粘土：粘土岩、页岩、泥岩：灰、棕红、褐色    0.50~0.75    35~49    42~66    25~40    1.1~5.0    云南的开远，广东的广州宁夏的中宁盐池，新疆的哈密
        2.粉质粘土：泥质砂岩及砂质页岩等    0.42~0.74    24~37    35~43    13~180    0.6~2.3
    —3(火山灰地区)    1.粘土：褐红夹黄，灰黑色    0.81~1.00    51~58    81~126        2.0~4.0    海南：儋县

(2)膨胀岩的分类
膨胀岩可以参照表2-3-4分为典型的膨胀性软岩和一般的膨胀性软岩。
膨胀岩的分类                    表2-3-4
指标    蒙脱石含量(%)    单轴抗压强度(MPa)    软化系数    膨胀压力(MPa)    体膨胀量(%)    自由膨胀率(%)    围岩强度比    小于2的粘粒含量(%)
典型的膨胀性软岩    ≥50    ≤5    ≤0.5    ≥0.15    ≥3    ≥30    ≤1    >30
一般的膨胀性软岩    ≥10    >5、≤30    <0.6    ≥0.1    ≥2    ≥25    ≤2    >15

（三）．膨胀岩土的判别
膨胀岩土的判别，目前尚无统一的指标，大多采用综合判别法；可根据下列特征鉴别膨胀岩土：
(1) 已有建筑经验证明，当土中水分聚集时，土体膨胀，可能对与其接触的建筑物产生强烈的膨胀压力而导致建筑物的破坏，土中水分减少时，土体收缩并可使岩土体产生程度不同的裂隙，导致其自身强度的降低或消失。
(2) 膨胀岩土一般分布在二级及二级以上的阶地、山前丘陵和盆地边缘。地形特征在山地表现为低丘缓坡，在平原地带表现为地面龟裂、沟槽、无直立边坡。
(3) 膨胀岩土在风干时出现大量的微裂隙，具有光滑面挤压擦痕且有滑腻感。呈坚硬、硬塑状态的岩土体易沿微裂隙面散裂，当其遇水时则软化。膨胀岩土一般呈灰白、灰绿、灰黄、棕红、褐黄等颜色。
(4) 膨胀岩土分布地区易发生浅层滑坡、地裂、新开挖的基槽及路堑边坡坍塌等不良地质现象。
(5)    膨胀岩土成分是以蒙脱石及伊利石为主的粘土矿物。
(6)    地下洞室或隧道的衬砌、井巷支护等结构常产生垂直洞轴线的全断面径向张性胀裂破坏现象。
根据实际经验，当土的自由膨胀率大于40%时，大多数可鉴别为膨胀岩土。

二、膨胀土地基上建筑物的变形
(一)胀缩引起建筑物变形的条件
使膨胀土产生胀缩，造成建筑物变形的条件有下列几种情况：
1. 建筑物本身的条件：当建筑物荷载较小，基础埋置较浅，建筑物刚度较弱时，胀缩易引起建筑物的变形；
2. 气候条件：当日照通风条件好，温差幅度大，在气候突变的年份时，胀缩易引起建筑物的变形；
3. 地基条件：当土层分布不均匀、地下水位低时，在挖方时，胀缩易引起建筑物的变形；
4. 地形地物条件：当建筑物附近有树林、草地、耕地浇水时，或建筑物位于高爽地段、陡砍斜坡时，膨胀土的胀缩易引起建筑物的变形；
5. 生产设施条件：当干湿设施差别大，在高温车间或湿润车间时，胀缩易引起建筑物的变形。
(二) 建筑物变形的特征
膨胀土地基受季节性气候影响产生胀缩变形，使建筑物上下反复升降，造成开裂破坏。一般情况下建筑物变形有下列特征：
l．建筑物建成后三、五年才出现裂缝，甚至一、二十年才开裂，也有少数未竣工就开裂。房屋开裂往往是地区性成群出现，特别是气候强烈变化之后，(如长期干旱等)更是如此。开裂以低层民用建筑较为严重。裂缝随季节性气候变化而变化(因土层含水量随季节性变化)，旱时张开，雨时闭合。
2．在相似地质条件下，同一地区的建筑物，其变形幅度是随基底压力和基础埋深的增加而减小。同一建筑物外墙的升降幅度一般大于内墙，且以角端最为敏感。
3．建筑物裂缝具有其特殊性，如：
(1)角端斜向裂缝：常表现为山墙上的对称或不对称的倒八字形裂缝，
伴随有一定的水平位移或转动；
(2)纵墙的水平裂缝：一般在窗台下与勒脚下出现较多，同时伴有墙体外倾、外鼓、基础外转和内外墙脱开，以及内横墙出现倒八字裂缝或竖向裂缝；
(3)竖向裂缝：一般出现在墙的中部，上宽下窄；
(4)独立砖柱的水平断裂，并伴随水平位移和转动；
(5)地坪隆起，多出现纵长裂缝，有时出现网格状裂缝；
(6)当地裂通过房屋时，在地裂处墙上产生竖向或斜向裂缝。
另外，膨胀土边坡很不稳定，易产生浅层滑坡，引起房屋和构筑物开裂破坏，设汁施工时应先治坡后治基，防止滑坡发生。
4．特殊条件下加速建筑物的变形：
(1)特殊气候(例如大旱和久旱后频雨)下的建筑物的变形幅度大于常年气候下的变形幅度，而且常造成建筑物的损坏。
(2)临近坡肩和处于冲沟尾部的建筑物：由于差异变形大，容易产生开裂和损坏。
(3)当建筑物内、外有局部水源补给时，往往增大胀缩差异变形。
(4)炎热或较干旱地区(如云南、广西的一些地区)建筑物周围的阔叶树(特别是常年不落叶的桉树)，对建筑物的胀缩变形影响很大，尤其是在早年能造成较大的不利影响。
5．丘岗地带地质条件十分复杂，兼之膨胀士主体中裂隙发育，除胀缩变形外，在邻近临空面地段还有可能出现局部剪切变形，表现为轻型房屋的长期下沉、错落以及产生浅层滑移等现象。

三、膨胀土的地基评价
(一) 膨胀土场地的分类
按场地的地形地貌条件，可将膨胀土建筑场地分为两类：
1．平坦场地：地形坡度小于50，且同一建筑物范围内局部高差不超过1m或地形坡度大于50小于140，与坡肩水平距离大于10m的坡顶地带。
2．坡地场地：不符合以上条件的均为坡地场地。
(二) 膨胀潜势
膨胀土的膨胀潜势可按其自由膨胀率分为三类(表2-3-5)
膨胀土的膨胀潜势分类                         表2-3-5
自由膨胀率(%)    膨胀潜势
40≤δef<65
65≤δef<90
δef≥90    弱
中
强

(三)膨胀土地基的胀缩等级
根据地基的膨胀、收缩变形对低层砖混结构房屋的影响程度，地基的胀缩等级可按分级变形量分为三级(表2-3-6)。

膨胀土地基的胀缩等级  表2-3-6
分级变形量Sc(mm)    级别
15≤Sc<35
35≤Sc<70
Sc≥70    Ⅰ
Ⅱ
Ⅲ

地基分级变形量Sc按式2-3-2~式2-3-6计算，式中膨胀率采用的压力应为50kPa。
由于各地区的膨胀土的特征不同，性质各有差异，有的地区对本地区的膨胀土有深入的研究，因此，膨胀土的分级，亦可按地区经验划分。

(四) 膨胀土地基的变形量
1．    膨胀土地基的计算变形量应符合下式要求：
                            (2-3-1)
式中：  sj—天然地基或人工地基及采取其它处理措施后的地基变形量计算值(mm)；
[sj]—建筑物的地基容许变形值(mm)。可按表2-3-7采用。
建筑物的地基容许变形值(mm)         表2-3-7
结构类型    相对变形    变形量
(m)
    种类    数值
砖混结构    局部倾斜    0.001    15
房屋三到四开间及四角有构造柱或配筋砖混承重结构    局部倾斜    0.0015    30
工业与民用建筑相邻柱基
(1)    框架结构无填充墙
(2)    框架结构有填充墙
(3)    当基础不均匀升降时不产生附加应力的结构
变形差
变形差
变形差
0.001l
0.0005l
0.003l
30
20
40
注: l为相邻柱基的中心距离(m)。
2．膨胀土地基变形量的取值应符合下列规定：
(1)膨胀变形量应取基础某点的最大膨胀上升量；
(2)收缩变形量应取基础某点的最大收缩下沉量；
(3)胀缩变形量应取基础某点的最大膨胀上升量与最大收缩下沉量之和；
(4)变形差应取相邻两基础的变形量之差；
(5)局部倾斜应取砖混承重结构沿纵墙6~10m内基础两点的变形量之差与其距离的比值。
3．膨胀土地基变形计算，可按以下三种情况计算：
(1)当离地表1m处地基土的天然含水量等于或接近最小值时，或地面有覆盖且无蒸发可能性，以及建筑物在使用期间，经常有水浸湿地基，可按膨胀变形量计算，膨胀变形量按下式计算：
             (2-3-2)
式中：se——地基土的膨胀变形量(mm)；
ψe——计算膨胀变形量的经验系数，宜根据当地经验确定，若无可依据经验时，三层及三层以下建筑物，可采用0.6；
δepi——基础底面下第i层土在该土的平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀率，由室内试验确定；
hi——第i层土的计算厚度(mm)；
n——自基础底面至计算深度内所划分的土层数，计算深度应根据大气影响深度确定，有浸水可能时，可按浸水影响深度确定。
(2)当离地表1m处地基土的天然含水量大于1.2倍塑限含水量时，或直接受高温作用的地基，可按收缩变形量计算，收缩变形量按下式计算：
              (2-3-3)

式中：Ss——地基土的收缩变形量(mm)；
ψs——计算收缩变形量的经验系数，宜根据当地经验确定，若无可依据经验时，三层及三层以下建筑物，可采用0.8；
n——自基础底面至计算深度内所划分的土层数，计算深度可取大气影响深度，当有热源影响时，应按热源影响深度确定。
λsi——第i层土的收缩系数，应由室内试验确定；
Δw i——地基土收缩过程中，第i层土可能发生的含水量变化的平均值(以小数表示)；
在计算深度内，各土层的含水量变化值，应按下式计算：
          (2-3-4)
                   (2-3-5)
式中：w1、wp——地表下处土的天然含水量和塑限含水量（以小数表示）；
ψw——土的湿度系数；
zi——第i层土的深度(mm)；
zn——计算厚度(mm)，可取大气影响深度。
在地表下4m土层深度内，存在不透水基岩时，可假定含水量变化值为常数；在计算深度内有稳定地下水位时，可计算至水位以上3m。
(3) 其他情况下，可按膨胀变形量计算。膨胀变形量按下式计算：
            (2-3-6)
式中：s——地基土的胀缩变形量(mm)；
ψ——计算胀缩变形量的经验系数，可取0.7。

(五)膨胀土地基承载力的确定
载荷试验法
对荷载较大的建筑物，用现场浸水载荷试验方法确定地基的承载力。
计算法
采用饱和三轴不排水快剪试验确定土的抗剪强度，再根据国家现行建筑地基基础设计规范中有关规定计算承载力。
经验法
对已有大量试验资料地区，可制定承载力表，供一般工程采用。无资料地区，可按《膨胀土地区建筑技术规范》附录三的表列数据采用。

(六) 膨胀岩土地基的稳定性
位于坡地场地上的建筑物的地基稳定性按下列几种情况验算：
1．土质均匀且无节理面时按圆弧滑动法验算。
2．岩土层较薄，层间存在软弱层时，取软弱层面为潜在滑动面进行验算。
3．层状构造的膨胀岩土，如层面与坡面斜交且交角小于450时，验算层面的稳定性。
验算稳定性时，必须考虑建筑物和堆料荷载，抗剪强度应为土体沿潜在滑动面的抗剪强度，稳定安全系数可取1.2。
四、膨胀岩土地区的工程措施
(一)场址选择
场址选择时应选具有排水通畅、坡度小于140并有可能采用分级低挡土墙治理、胀缩性较弱的地段，避开地形复杂、地裂、冲沟、浅滑坡发育或可能发育、地下水位变化剧烈的地段。
(二)总平面设计
总平面设计时宜使同一建筑物地基土的分级变形差不大于35mm，竖向设计宜保持自然地形，避免大挖大填，应考虑场地内排水系统的管道渗水或排泄不畅对建筑物升降变形的影响。
(三)坡地建筑
在坡地上建筑时要验算坡体的稳定性，考虑坡体的水平移动和坡体内土的含水量变化对建筑物的影响
(四)斜坡滑动防治
对不稳定或可能产生滑动的斜坡必须采取可靠的防治滑坡措施，如设置支挡结构，排除地面及地下水、设置护坡等措施。
(五)基础埋置深度
膨胀土地基上建筑物的基础埋置深度不应小于1m。当以基础埋深为主要防治措施时，基础埋深应取大气影响急剧层深度或通过变形验算确定。当坡地坡角小于140时，基础外边缘至坡肩的水平距离大于或等于2.5时，基础埋深可按下式确定：
         (2-3-7)
式中：d—基础埋置深度（m）；
h—设计斜坡高度(m)；
β—设计斜坡的坡角(0)；
基础外边缘至坡肩的水平距离(m)。
da—大气影响深度（m）。
(六)地基处理
膨胀土地基处理可采用换土、砂石垫层、土性改良等方法，亦可采用桩基或墩基。确定处理方法应根据土的胀缩等级、地方材料及施工工艺等，进行综合技术经济比较。
换土可采用非膨胀性土或灰土，换土厚度可通过变形计算确定。平坦场地上的Ⅰ、Ⅱ级膨胀土地基，宜采用砂、碎石垫层。垫层厚度不应小于300mm。垫层宽度应大于基底宽度，两侧宜采用与垫层材料相同的材料回填，并作好防水处理。
采用桩基础时，其深度应到达胀缩活动区以下，且不小于设计地面下5m。同时，对桩墩本身，宜采用非膨胀土作隔层。
(七)宽散水
以宽散水为主要防治措施，散水宽度在Ⅰ级膨胀土地基上为2m，在Ⅱ级膨胀土地基上为3m时，建筑物基础埋深可为1m。
(八)建筑体型
建筑体型力求简单，在下列情况下应设沉降缝：
1．挖方与填方交界处或地基土显著不均匀处；
2．建筑物平面转折部位或高度(或荷重)有显著差异部位；
3．建筑结构(或基础)类型不同部位。
(九)膨胀土地区建筑物的室内地面设计，应根据使用要求分别对待，对Ⅲ级膨胀土地基和使用要求特别严格的地面，可采取地面配筋或地面架空等措施。
(十)建筑物应根据地基土胀缩等级采取下列结构措施：
1．较均匀的弱膨胀土地基，可采用条基，基础埋深较大或条基基底压力较小时，宜采用墩基；
2．承重砌体结构可采用拉结较好的实心砖墙，不得采用空斗墙、砌块墙、或无砂混凝土砌体；不宜采用砖拱结构、无砂大孔混凝土和无筋中型砌块等对变形敏感的结构；Ⅱ级、Ⅲ级膨胀土地区，砂浆强度等级不宜低于M2.5；
3．房屋顶层和基础顶部宜设置圈梁(地基梁、承台梁可代替基础圈梁)，多层房屋的其它各层可隔层设置，必要时，也可层层设置；
4．Ⅲ级膨胀土地基上的建筑物如不采取以基础深埋为主的措施时，尚可适当设置构造柱；
5．外廊式房屋应采用悬挑结构。
(十一)道路路基：
膨胀岩土作为道路路基时，一般情况下宜先采取石灰填层或石灰水处理以及其它措施以清除其膨胀性或其膨胀性对路面的影响。
(十二)膨胀岩地区的地下工程
膨胀岩地区的地下工程设计除应符合《锚杆喷射混凝土支护技术规范》的规定外，尚需满足下列要求：
1．开挖断面及导坑断面宜选用、圆形，分部开挖时，各开挖断面形状应光滑，自立时间不能满足施工要求时，宜采用超前支护。
2．全断面开挖、导坑及分部开挖时，应根据施工监控的收敛量和收敛率安设锚杆，分层喷射混凝土，必要时分层布筋，应使各层适时形成封闭型支护，并考虑各断面之间的相互影响。开挖时适当预留收敛余量。早期变形过大时，宜采用可伸缩支护。
3. 设置封闭型永久支护，设置时间由施工监控的收敛量及收敛率决定。

(十三)施工开挖
膨胀岩土场地上进行开挖工程时，应在达到设计开挖面前1m距离处，采取严格保护措施，防止岩土体遭受长时间的曝晒、风干、浸湿或充水。

(十四)维护
应定期检查管线漏水、阻塞情况，挡土结构及建筑物的位移、变形、裂缝等。必要时应进行变形、地温、岩土的含水量和岩土压力的观测工作。

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特殊土----------软土

一、软土的成因类型和工程性质
软土一般指天然含水量大、压缩性高、承载能力低的一种软塑到流塑状态的粘性土。如淤泥、淤泥质土以及其它高压缩性饱和粘性土、粉土等。
淤泥和淤泥质土是指在静水或缓慢的流水环境中沉积，经生物化学作用形成的粘性土。这种粘性土的天然孔隙比大于或等于1.0，含有机质，且天然含水量大于液限，当天然孔隙比e大于1.5时，称为淤泥。天然孔隙比e小于1.5而大于1.0时，称为淤泥质土。当土的灼烧量大于5％时，称有机质土，大于60％时，称泥炭。
(一) 软土的成因类型
软土按沉积环境有下列类型:
1．滨海沉积——滨海相，泻湖相、溺谷相及三角洲相。
在表层广泛分布一层由近代各种营力作用生成的厚为0~3.0m、黄褐色粘性土的硬壳。下部淤泥多呈深灰色或灰绿色，间夹薄层粉砂。常含有贝壳及海生物残骸。
滨海相：常与海浪岸流及潮汐的水动力作用形成较粗的颗粒(粗、中、细砂)相掺杂，使其不均匀和极疏松，增强了淤泥的透水性能，易于压缩固结。
泻湖相：沉积成颗粒微细、孔隙比大、强度低、分布范围较宽阔，常形成海滨平原。在泻湖边缘，表层常有厚约0.3~2.0m的泥炭堆积。底部含有贝壳和生物残骸碎屑。
溺谷相：孔隙比大、结构疏松、含水量高，有时甚于泻湖相。分布范围略窄，在其边缘表层也常有泥炭沉积。
三角洲相：由于河流及海潮的复杂交替作用，而使淤泥与薄层砂交错沉积，受海流与波浪的破坏，分选程度差，结构不稳定，多交错成不规则的尖灭层或透镜体夹层，结构疏松，颗粒细小。如上海地区深厚的软土层中夹有无数的极薄的粉砂层，为水平渗流提供了良好条件。
2．湖泊沉积——湖相、三角洲相。
是近代淡水盆地和咸水盆地的沉积。其物质来源与周围岩性基本一致，在稳定的湖水期逐渐沉积而成。沉积物中夹有粉砂颗粒，呈现明显的层理。淤泥结构松软，呈暗灰、灰绿或暗黑色，表层硬层不规律，厚为0~4m，时而有泥炭透镜体。淤泥厚度一般为l0m左右。最厚者可达25m。
3．河滩沉积一—河漫滩相、牛轭湖相。
主要包括河漫滩相和牛轭湖相。成层情况较为复杂，其成分不均一，走向和厚度变化大，平面分布不规则。一般是软土常呈带状或透镜状，间与砂或泥炭互层；其厚度不大，一般小于10m。
4．沼泽沉积——沼泽相。
分布在地下水、地表水排泄不畅的低洼地带，且蒸发量不足以干化淹水地面的情况下，形成的一种沉积物，多伴以泥炭为主，且常出露于地表。下部分布有淤泥层或底部与泥炭互层。
(二)软土的分布和层理构造
1．软土的分布
软土多在我国沿海地区广泛分布，内陆平原和山区亦有。我国东海、黄海、渤海、南海等沿海地区，例如滨海相沉积的天津塘沽，浙江温州、宁波等地，以及溺谷相沉积的闽江口平原，河滩相沉积的长江中下游、珠江下游、淮河平原、松辽平原等地区。内陆(山区)软土主要位于湖相沉积的洞庭湖、洪泽湖、太湖、鄱阳湖四周和古云梦泽地区边缘地带，以及昆明的滇池地区，贵州六盘水地区的洪积扇和煤系地层分布区的山间洼地等。
我国东南沿海淤泥沉积的厚度及分布情况如表2-1-1。
东南沿海软土分布范围及厚度                  表2-1-1
分布范围    沉积厚度(m)
广州湾~兴化湾(汕头例外)
兴化湾~温州湾南
温州湾北~连云港    5~20
10~30
>40

山区谷地软土的分布规律甚为复杂，如何鉴别场地是否有软土分布，可从下列几个方面进行分析：
1) 从沉积环境分析：在沟谷的开阔地段、山间洼地、支沟与主沟交汇地段、冲沟与河流汇合地段、河流两侧山洼地段、河流弯曲地段、河漫滩地段等处，往往有软土分布。
在山区河流的中、上游地段，一般沉积粗颗粒物质，但应特别注意河流两侧支沟、冲沟的影响。当上述支沟或冲沟地段有形成软土的物质来源时，这些地段往往有软土分布或在卵石层间夹有软土。
2) 从水文地质条件分析；在泉水出露处，特别是潜水溢出泉出露处，水草发育，土体长期浸水呈饱和状态，这些地段往往有软土分布，在潜水位较浅的黄土及粉质粘土地区，也有软土分布。
3) 从古地理环境分析，一些古河道、古湖沼、古渠道等分布地段，往往有软土分布。
4) 从地表特征分析；如有些地段地势低洼，排泄条件不良，地表易于积水，往往出现湿地，沼泽等积水地形，喜水植物(如芦、蒲等草)发育，上述地段往往有软土分布。
人工蓄水构筑物(如渠、水库等)大量漏水，引起地下水位上升的地段，也可能有软土分布。
5) 从人类活动分析：一些掩埋的粪池、牲畜棚圈、工厂及生活污水废池等地段，往往有软土分布，并由于渗透作用，在其周围也可能有软土分布。
2．软土的层理构造
厚度较大的软土，一般在表层中有一层为1~3m左右厚的中压缩性或低压缩性粘性土(俗称软土硬壳层或表土层)。按照我国有关软土地区的层理构造，从工程地质观点出发,大致可分为以下几种类型：
1) 表层为1~3m左右的褐黄色粉质粘土，第二、第三层为淤泥质粘性土,厚度一般在20m左右，属高压缩性土，第四层为较密实的粘土层或砂层。
2) 表层由人工填土及较薄的粉质粘土组成，厚度在3~5m左右，第二层厚度为5~8m左右的高压缩性的淤泥层，基岩离地表较近，起伏变化较大。
3) 表层为1m余厚的粘性土，以下为30m以上的高压缩性的淤泥层。
4) 表层为3~5m左右的褐黄色粉质粘土，以下为淤泥及粉砂夹层交错形成。
5) 表层为3~5m左右的褐黄色粉质粘土，第二层为高压缩性的淤泥，厚度变化很大，呈喇叭口状，第三层为较薄残积层下为基岩，分布在山前沉积平原或河流两岸靠山地区。
6) 表层为浅黄色的粘性土；以下为饱和软土或淤泥及泥炭，其成因复杂，极大部分为坡洪积，湖沼沉积，冲积以及残积，分布面积不大，厚度变化悬殊，土的物理力学性质变化极大，建筑性能很差。
(三) 软土的工程性质
软土的主要特征是：天然含水量大于液限，天然孔隙比大于或等于1，压缩性高(a1-2>0.5Mpa-1或a1-3>1Mpa-1)，强度低，渗透系数小。
因此，软土具有如下工程性质：
1．触变性：软土具有触变特征，当原状土受到振动以后，破坏了结构连接，降低了土的强度或很快地使土变成稀释状态。触变性的大小，常用灵敏度St来表示。.软土的St一般在1~3之间，个别可达8~9。为此当软土地基受振动荷载后，易产生侧向滑动、沉降及基底面两侧挤出等现象。
2．流变性：软土除排水固结引起变形外，在剪应力作用下，土体还会发生缓慢长期的剪切变形。这对建筑物地基的沉降有较大的影响，对斜坡、堤岸、码头及地基稳定性不利。
3．高压缩性：软土是属于高压缩性的土，压缩系数大，这类土的大部分压缩变形发生在垂直压力为100kPa左右。反应在建筑物的沉降方面为沉降量大。
4．低强度：由于软土具有上述特性，地基强度很低。其不排水抗剪强度一般均在20kPa以下。
5．低透水性：软土透水性能弱，一般垂向渗透系数在之间，
对地基排水固结不利，反映在建筑物沉降延续时间长。同时，在加载初期，地基中常出现较高的孔隙水压力，影响地基的强度，同时也反映在建筑物沉降延续的时间很长。
6．不均匀性：由于沉积环境的变化，粘性土层中常局部夹有厚薄不等的粉土使水平和垂直分布上有所差异，作为建筑物地基则易产生差异沉降。
7．在较大地震力作用下，而出现震陷。
(四) 软土的物理力学指标
各类软土的物理力学指标及主要软土地区不同成因、类型软土的物理力学指标分别见表2-1-2。
各类软土的物理力学指标统计表                  表2-1-2
成因类型    天然含水量w(%)    重度γ(kN/m3)    天然孔隙比e    抗剪强度    压缩系数a(MPa-1)    灵敏度St
                内摩擦角φ(º)    粘聚力c(kPa)
滨海沉积软土
湖泊沉积软土
河滩沉积软土
沼泽沉积软土    40~100
30~60
35~70
40~120    15~18
15~19
15~19
14~19    1.0~2.3
1.0~1.8
1.0~1.8
1.0~1.5    1~7
0~10
0~11
0    2~20
5~30
5~25
5~19    1.2~3.5
0.8~3.0
0.8~3.0
>0.5    2~7

4~8
2~10

二、软土地基评价
(一) 建筑场地评价
1．    定性评价
在建筑场地内，如遇下列情况之一时，应评价地基的稳定性。
1) 当建筑物离池塘、河岸、海岸等边坡较近时,应分析评价软土侧向塑性挤出或滑移的危险。
2) 当地基土受力范围内有基岩或硬土层，且其表面倾斜时，应分析判定该面以上的地基土沿此倾斜面产生滑移或不均匀变形的可能性；
3) 对含有浅层沼气带的地基，应分析判定沼气的逸出对地基稳定性和变形的影响；
4) 根据对场地地下水位的变化幅度、水力梯度或承压水头等水文地质条件的分析，判定其对软土地基稳定性和变形的影响；
5) 当建筑场地位于强地震区时，还应分析场地和地基的地震效应。如对饱和砂土或粉土的地基进行地震液化判别等，并对场地稳定性和震陷的可能性作出评定。在考虑上覆非液化土层厚度时，应将软土的厚度扣除。
2．地貌条件及持力层选择
1) 当场地有暗浜、暗塘等不利因素存在时，建筑物的布置应尽量避开这些不利地段；如无法避开时，则必须进行处理。
2) 根据场地土层特点，分析评价软土地基的均匀性，选择适宜的持力层。当地表有硬壳层时，一般应充分利用。
3) 当地基主要受力层范围内，有薄砂层或软土与砂土互层时，应根据其排水、固结条件，分析判定其对地基变形的影响，以充分挖掘地基潜力。
(二) 地基强度和变形评价
1．评价原则
1) 软土地基承载力和变形，不宜采用单一的方法计算确定，而应采用原位测试、理论计算、及地区建筑经验相结合的综合分析的方法确定；
2) 分析评价时，应考虑下列因素取：
(1)软土的物理力学性质及取样技术、试验方法等；
(2)软土的形成条件，成层特点、均匀性、应力历史、灵敏度、地下水及其变化条件；
(3)上部建筑结构类型、刚度，对不均匀沉降的敏感性，荷载性质、大小和分布特征；
(4)基础的类型、尺寸、埋深和刚度等；
(5)施工方法，程序以及加荷速率对软土性质的影响。
3) 当地基沉降计算深度范围内有软弱下卧层时，应验算下卧层的强度。

2．评价方法
1) 确定地基承载力的方法有：
(1)    根据软土的现场鉴别和物理力学试验指标或c、值统计指标(当采用直剪固结快剪法确定土的c、值时，宜对抗剪强度峰值乘以0.7的折减系数进行修正或根据当地的经验采用不充分固结快剪的c、值)，按《建筑地基基础设计规范》中的承载力计算公式（一般不考虑基础宽度项）计算或参照表2-1-3确定。
    沿海地区淤泥和淤泥土承载力f0 (kPa)            表2-1-3
天然含水量w(%)    36    40    45    50    55    65    75
f0 (kPa)    100    90    80    70    60    50    40

(2)利用静力触探及其它原位测试资料与载荷试验或其它相应土性的直接试验结果进行比较、统计而建立的地区性相关公式计算确定；
(3)对于缺乏建筑经验的地区和一级建筑物地基，宜以载荷试验确定；
(4)在总结提高地区的建筑经验的基础上，可以用工程地质类比法确定。
2) 评定地基变形的方法有：
(1)按照《建筑地基基础设计规范》有关沉降量计算公式计算。
(2)对于一级建筑物和重要的，有特殊要求的二级建筑物，应根据应力历史（前期固结压力）的沉降计算方法进行评价。
进行地基变形计算时，应根据当地经验进行修正，必要时，应考虑软土的次固结效应。
(三)地下水与施工
1．地下水及其危害评价
根据各类工程的性质及地下水作用效应和设计、施工的要求，应按下列要求进行评价：
1) 根据地下水水质分析资料，按现行规范评价地下水对混凝土腐蚀性及对金属腐蚀性；
2) 根据地下水位、流向、流速及有关地下水力学效应等参数和指标进行评价；
（1）地下水对箱形、片筏基础以及其它结构物，应考虑在最不利组合情况下，地下水对结构物的上浮作用，原则上应按设计水位计算浮力；对节理不发育的岩石和粘土且有地方经验或实测数据时，可根据经验确定；
（2）由于工程施工降水或大量抽取地下水，在地下水位下降影响范围内，应考虑地面沉降及其对工程的影响；当地下水位回升时，应考虑可能引起的回弹和附加的附托力；
3) 如在施工过程中可能引起水头差，且存在下列情况时，应预测产生潜蚀、流砂、涌土、管涌的可能性。
(1)软土地层中粉土或粉砂层的厚度大于25cm；
(2)颗粒级配不均匀系数小于5；
(3)土的含水量大于30％；
(4)土的孔隙率大于40％；
(5)土的颗粒组成中，粘粒含量小于10％，粉粒含量大于75％。
4) 在地下水位下开挖基坑或地下工程时，应根据岩土的渗透性、地下水补给条件，分析评价降水或隔水措施的可行性及其对基坑稳定和邻近工程的影响；
5) 当工程需要验算边坡稳定性(如大面积深开挖基坑)时，应考虑地下水及其动水压力对边坡稳定的不利影响。
2．基坑开挖评价
由于基坑开挖区土体应力场的变化和软土具有的流变特性，将引起土体位移，而可能导致对邻近建筑物的危害。
3．降水工程评价
根据地基土的结构特征，渗透系数及地下水变化规律，对降水工程应进行以下分析评价：
1．确定主要降水(压)含水层(段)的范围，埋藏条件，分析降水可能引起的水文地质条件变化而导致对工程及邻近建筑物的影响；
2．当水位降到设计标高时，应确定含水层的水文地质参数，划分降水层位的含水层厚度及补给量等；
3．对降水工程效果应预报水位降落曲线，达到给定降落曲线所需的时间。在条件许可时，尚应预报因降水而引起的地面沉降与降水结束后地面回弹的情况。

(四) 地基处理
软土地区的地基处理，应根据软土地区的特点、场地具体条件，结合建筑物的结构类型，对地基的要求等，按地基处理的有关方法、原则进行。软土地区经常出现的问题及处理方法有以下几种：
1．对暗浜、暗塘、墓穴、古河道的处理
(1) 当范围不大时，一般采用基础加深或换垫处理；
(2) 当宽度不大时，一般采用基础梁跨越处理；
(3) 当范围较大时，一般采用短桩处理。短桩的类型有砂桩、碎石桩、灰土桩，旋喷桩和预制桩。
2．表层或浅层不均匀地基及软土的处理
(1) 对不均匀地基常用机械碾压法或夯实法。
(2) 对软层常用垫层法。
3．对厚层软土的处理
(1) 采用堆载预压法或砂井、袋装砂井、塑料排水板与堆载预压相结合的方法。
(2)对荷载大、沉降限制严格的建筑物，宜采用桩基，以达到有效的减小沉降量和差异沉降的目的。

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五、深基础设计与施工100问

桩土相互作用集中质量模型的土弹簧刚度计算方法
　　一、引言

　　对于城市高架桥梁、大跨桥梁等桩承重要工程结构，除保证其上部结构的抗震安全性外，在遭受大地震作用时避免其基础受损也十分重要。近几年国外发生的大地震（如日本神户地震等）的震害表明，坐落在软弱土层上的桥梁桩基的震害十分突出，桩土相互作用这一课题又引起了人们的重视。

　　对于基础坐落在软弱土层上的桥梁结构来说，在地震发生时，桥梁上部结构的惯性力将通过基础反馈给地基，使地基产生局部变形。同时，地基自身也会因地震力作用而发生变形，反过来影响上部结构的反应。这即所谓地基一结构系统的相互作用。考虑地基一结构系统的相互作用的影响，不仅可以更准确地掌握桥梁上部结构的地震反应，对于正确计算土中基础的内力和变形也十分必要。

　　土与结构相互作用的研究已有近60～70年的历史，待别是近30年来，计算机技术的发展为其提供了有力的分析手段。桩基础是土建工程中广泛采用的基础形式之一，许多建于软土地基上的大型桥梁结构往往都采用桩基础，桩一土动力相互作用又是土一结构相互作用问题中较复杂的课题之一。至今已有不少关于桩基动力特性的研究报告，国内外研究人员[1-8]也提出了许多不同的桩一土动力相互作用计算方法。从研究成果的归类来看，理论上主要有离散理论和连续理论及两者的结合，解决的方法一般有集中质量法、有限元法、边界元法和波动场法。

　　60～70年代，美国学者J.penzien[9]等在解决泥沼地上大桥动力分析时提出了集中质量法，目前已在国内外得到了广泛的应用。集中质量法将桥梁上部结构多质点体系和桩一土体系的质量联合作为一个整体，来建立整体耦联的地震振动微分方程组进行求解。该模型假定桩侧土是Winkler连续介质。以半空间的Mindlin静力基本解为基础，将桩一土体系的质量按一定的厚度简化并集中为一系列质点，离散成一理想化的参数系统。并用弹簧和阻尼器模拟土介质的动力性质，形成一个包括地下部分的多质点体系。

　　PenZien方法的优点是可以方便地考虑成层土的非均匀性，非线性和阻尼特性等因素。其计算力学图式中，上下部结构均采用多质点有限元体系，便于直观理解。同时计算比较简便，经过适当的参数调整，该模型可以较好地反映桩的动力性能，因而在桩基桥梁抗震计算的实际工程中应用极广。

　　桥梁桩基础的抗震设计目前还主要采用静力的方法，土对桩基的作用通过一组等效的弹簧来表示。最近，日本等多地震国家的规范已开始建设使用pushOver的方法。该方法虽为一种非线性的静力分析方法，但可以等效地反应结构与土相互作用的主要动力特性，而且计算简单，便于应用于工程设计。包括桩基在内的桥梁系统的PushOver计算除考虑上部结构惯性力的作用外，还要考虑地基土的水平变形对桩基的作用。已往往后者对桩基的抗震性能评价起决定性的作用。在建立计算图式时，合理地确定土弹簧的水平刚度和土的侧向变形是PushOver方法的关键。土弹簧刚度的确定，除考虑使用较为精确的有限元或边界元方法外，较为简便的方法是采用Penzien模型中提供的土弹簧计算方法或参照现行规范中土弹簧的计算方法。

　　我国>（JTJ024-85）[10]用的m法在计算方法和参数选取方面比Penzien的方法要简单和方便，且为国内广大工程师所熟。m法的基本原理也是将桩作为弹性地基L的梁，按Winkler假定（梁身任一点的土抗力和该点的位移成正比）求解。但是，由于桩上相互作用的实验数据不足，土的物性取值有时亦缺乏合理性，在确定土弹簧的刚度时，仍有不少问题未能很好解决。特别是，m法中m的取值对弹簧刚度的计算结果影响很大，且不能反映地震波的频率特性和强度带来的影响。

　　本文针对桥梁桩土相互作用问题PushOver分析法中，如何合理地确定土弹簧的刚度和土体的变形的课题进行分析计算。研究了不同地震强度下土弹簧刚度的变化特性，并将Penzien的方法和桥梁设计规范中的“m法”计算结果进行比较，为桩土相互作用问题的理论分析和参数选取提供重要的手段和依据。

　　二、研究思路与计算理论

　　1研究思路

　　对同一桥梁基础实例，分别用两种方法来计算土层在水平方向的等效线弹簧刚。第一种方法为Penzien[9]的方法。用Milldlin公式确定水平土弹簧刚度，上述计算中土的剪切模量采用由SHAKE程序在不同输入地震波情况下算出的等效线性剪切模量。第二种方法直接采用规范[10]中的m法确定土的地基系数C，再由其算出土弹簧的水平刚度。 m的取值根据土的物性而定，并考虑规范所给的范围的中值和低值以比较其影响。

　　对于计算结果，通过比较方法1中土的等效剪切模量的变化讨论地震波种类和大小对土层刚度及变形的影响。并直接比较两种方法算出的土弹簧刚度值及讨论m法的m值取值合理性。

　　本文的另一主要工作是用SHAKE程序计算不同地震波输入时各土层的最大变形，为桩-土相互作用计算研究提供必要的数据。

　　2土层的等效刚度与水平位移计算程序SHAKE

　　SHAKE是一个对水平层状沉积土进行等效线性地震反应分析所应用的计算机程序，由PerSchnabel博士和John Lysmer教授于1970－1971年提出基本理论并编写。是迄今为止计算水平层状沉积土的地震反应时使用最广泛的程序。该程序计算的是半无限水平沉积上层的反应，该土层位于承受竖向传播的剪切波的均匀半空间之上。分析是在频域内完成，对于任何特性的确定该分析都是线性的。在考虑土壤的非线性行为时，SHAKE程序的计算原理中采用了等效线性的概念，即使用了剪切模量G和阻尼比λ与十的应交关系曲线。这两类关系曲线可从土质试验取得，G随着剪应变的增大而减小，λ随着剪应变的增大而增大。地震发生时土的剪切模量和阻尼在体系运动过程中都不是常数，从而存在土的非线性问题。对上述非线性特性作进一步的处理，认为体系在整个地震作用期的反应则以用一个平均意义下的不变的剪切模量和阻尼比来计算，采用迭代法可以得到此两项数值针对某一地震波的收敛值，即土的等效线性剪切模量和阻尼比。

　　3用Mindlin公式计算土弹簧刚度Penzien对半空间理论基本特性的研究分析认为Winkler假定成立，用Mindlin公式求解作用于柱的Winkler连续弹簧常数。本文即使用Mindlin公式计算水平等效土弹簧刚度。
　　三、计算实例

　　1场地条件

　　本文的计算实例为日本神户的一座单墩钢筋混凝土桥梁基础，该桥在1995年的日本版神地震中遭到了；严重的破坏，墩柱底部受弯曲破坏，桩顶和桩的中部也发生严重裂缝。该桥为钢筋混凝土三跨连续梁桥，桥墩高12.4m，直径1.8m；承台横截面为正方形，边长7.0m，厚度2.0m；基础采用桩基础，共6根，直径 1.0m.

　　地基土层情况如表1所示。从地面（+ 3.50m）到基岩（- 18.00m）的范围内，共包含五种类型的土，土的剪切模量及阻尼比与剪应变的关系见图1（由文献［13］提供）。本文将场地土分为30层计算。

　　2用Penzien方法计算时采用的地震波计算所使m的基岩输入地震波为迁安波、天津波和JMA（日本神户海洋气象台）波。其波形如图2.三种地震波的加速度反应谱如图3所示。

　　用程序进行了三种波的加速度峰值（PGA）均为0.3的情况下的计算（在相同的加速度峰值下便于比较不同地震波的影响），并对 JMA波在 PGA=0.2g的情况也进行计算，来比较不同加速度峰值下波的作用。

　　3用Mindlin公式计算土弹簧刚度所用等放线性剪切模量由SHAKEE程序的计算得到的。由于这里主要关心与桩体有关的土弹簧刚度和相对位移，故计算只做到桩底，其深度为地表下12.5m（标高一 8.99m）。

　　4用m法计算土弹簧刚度由于m的取值不同，会对结果产生较大的影响，因此在桥规m值表格中分别取m的中间值和下限值进行计算（表2），然后对结果加以比较。m法计算方法请参考文献[14].

　　四、计算结果

　　1三种地震波作用下的土层等放线性剪切模量加速度峰值相同（PGA= 0.3g）的三种地震波的等效线性剪切模量和最大相对位移结果如图4所示。由图中可以看出剪切模量的大小依次为：迁安波、JMA波、天津波；而最大相对位移的大小顺序恰好相反，依次为；天津波、JMA波、迁安被。由图1可知，土体发生的剪切应变越大；其刚度则降低得越多。剪切模量与土的相对位移成反比关系。

　　从最大相对位移图中可以看出迁安波作用下，土的变形比另外两种波作用卜的变形明显小很多，这主要是因为二种波的周期特性不同而定。迁安波为露出基者的纪录波，其高频成分强，加速度反应谱（图3）的卓越区间集中在0.1s～0.2s之间，离场地土层的固有频率较远。而JMA波和天津波的卓越成分与土的固有频率接近，因而使土层产生了较大的变形。

　　2不同加速度峰值的JMA波的土层剪切模量JMA波在不同的加速度峰值（PGA＝0.3g，PGA＝0.2）情况下的土的剪切模量和最大相对位移如图5所示。对同一种波在不同的加速度峰值（PGA）作用情况，土的反应亦不同。PGA较大（0.3g）时，土的相对位移较大，剪切模量较小。地震波的加速度峰值越大，意味着波对土的作用越强，从而引起的应变越大，土的等效剪切模量也就越小。

　　3.Penzien方法与 m法的土弹簧刚度值比较本文选用 JMA波（RGA＝ 0.3g）时的Penzien方法算得的土弹簧刚度值与m法的结果做比较，从图6可以看到，在深度大约为 0～3.5m的范围内，m法算得的结果偏小；在 3.5～7.5m的范围内，两种方法的结果比较一致；而在 7.5～ 12.5m的范围内，由于m的取值变化很大，两条m法算得的刚度值线将Penzien方法算得的JMA波作用下的刚度值线包围在内，因此，选取合适的m值可以使两种方法算得的结果较好地符合。但是由于桥规中给出的m取值范围很大，m的取值会对计算结果产生很大的影响。这里对比两种方法的结果的意义在于提醒工程技术人员进行抗震设计与分析时，有必要根据地震波的类型、大小恰当地选取m值，来计算等效土弹簧刚度，以期与实际地震作用时的情况相符。

　　五、主要结论

　　本文主要讨论了桩一土相互作用问题中土弹簧刚度和土体位移的计算。分别采用两种方法——PenZien方法（使用了SHAKE程序和Mindin公式）及桥规m 法——－对同一桥梁基础实例，计算了各土层在水平方向的等效线弹簧刚度及最大变形，并详细叙述了两种方法的计算理论和分析过程。通过对几种计算工况的结果的比较，得出了以下结论：

　　（l）PenZien的集中质量法能比较合理地描述桩与土的相互作用。使用SHAKE程序可以求出地震波作用下土的等效剪切模量和最大变形分布等一系列参数，是计算水平层状沉积土地震反应的非常实用的工具。在地震波的作用下，土的剪切模量与变形成反比关系。土的剪切模量大的其层间相对位移则小。

　　（2）地震波作用下土的反应特性与地震波的加速度峰值和频率特性有关。加速度峰值越大，土的变形越大，等效剪切模量越小。另一方面，如果土的固有频率和地震波的频率相近，则容易发生共振现象，这时土的变形较大，而剪切模量和等效线弹簧刚度较小。

　　（3）用m法计算土的等效弹簧刚度时，m的取值会对土弹簧刚度带来较大的影响。Penzien方法与m法算得的土弹簧刚度值对比说明了两种方法的结果在某种程度上能相互符合。m取值范围的变化可以使算得的土弹簧刚度值范围把用Penzien方法算得的结果包含在内。抗震分析时，除考虑上的物性之外，还应考虑可能发生地震的类型、地震力的大小等因素，选取合理的m值，计算土的弹簧刚度。

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五、深基础设计与施工100问

桩基工程地质与基桩工程质量
摘要：本文通过笔者在永州从事工程管理二十多年来的工作经验总结，归纳出了该地区基础工程地质情况和基桩施工存在的质量问题。
　　关键词：桩基；工程地质；基桩；工程质量
　　
　　1前言
　　
　　随着我国桥梁和高层建筑的发展，桩基工程越来越多的作为一种常用的基础形式而被广泛采用。有资料显示，全国年用桩量已达600万根以上，这一数字已足够反映桩基工程的地位和重要性。虽然桩基础是一种常用的基础形式，但由于地质情况和使用条件的复杂多变，给广大设计、施工、监理、检测人员对桩基工程质量的控制和管理带来了一些难题。因此，研究工程地质对桩基工程的质量控制就变得尤为重要，总结和归纳某一地区的工程地质情况对该地区桩基工程的设计、施工、检测工作也就具有了十分重要的指导意义。笔者有幸在永州工程建设界工作二十余年，曾先后从事施工、勘察、设计、教学等方面的工作，对永州地区的工程地质情况有了一定的了解，现将它作一归纳，以与大家切磋。
　　
　　2地质地层与基桩施工
　　
　　永州地区的地质地层主要为灰岩（D和C）、白云质灰岩、薄层泥灰岩、红层、坡积粘土、含白胶泥老粘土（主要分布在湘江两岸）、砾石层、砂层等。（见表1）
　　2.1 结晶灰岩、白云岩，其承载力大，但有裂隙发育、地下水、溶洞（碳质灰岩溶洞发育较差，泥盆系灰岩溶洞发育较好）等不良工程地质现象，另外还有较大断层，如零陵区主要为北北和北东向断层，零陵区从七层坡、大旅社、徐家井一线断，裂促使溶洞发育。原零陵卷烟厂东西两侧有断层，一是桃冲到原零陵卷烟厂西侧有一较大断裂，地貌特征明显，另一是原零陵卷烟厂东侧湘江岸至朝阳岩有一断裂，溶洞较多。
　　2.2 薄层泥灰岩（泥页岩）为褐绿色时，应为中风化，其极限承载力标准值一般为300~1000kN/m2。深黑色时，其极限承载力标准值一般为2000~2500 kN/m2，冷水滩河东湘永路一带均为此类岩石。
　　2.3 红层、泥岩、泥砂岩。这类岩石在冷水滩河东双洲路南端，育才路西侧一带较为分布，这类岩石尤其要注意其软化系数问题，一般其软化系数在0.2~0.3间，即其饱和抗压强度极低。采用人工挖孔桩开挖桩孔后，桩底应立即用水泥浆封底，否则极易出现软化层，从而影响基桩底部承载力。该类岩石也极易引起山体滑坡。
　　2.4 砾石层。承载力大小由砾石含量、砾径、级配、密实度等因素决定。基本情况是冷水滩河东一带其承载力较高，河西一带承载力较低。人工挖孔桩穿越此层时，渗水大，极易塌方，多采用稻草充填井壁，即使用砼护壁，也无侧摩阻力。机械桩不易穿越此层。
　　2.5 粘土。主要是由灰岩风化成的红色粘土组成，其承载力不大，另外还有白条纹的第四系老粘土，硬塑情况下可达700kN/m2或更高，一般在300kN/m2以上，但设计中多取200~250kN/m2，有较大地余地。粉质粘土承载力实际上只有150~220kN/m2，但设计中多取200~220 kN/m2，余地较少。零陵区三监狱到老干所一带均为此类。粉质粘土的侧摩阻力较大，一般可达60 kN/m2以上。
　　2.6 回填土、素填土。五年以上的，其侧摩阻力一般可达20kN/m2左右，一年以内的，其侧摩阻力为负值。有大量巨石、木头的填土，机械施工桩身质量极易出现断裂、缩径等现象。
　　3.1 人工挖孔桩。桩底部入岩少，或未入岩，扩底不足，有些桩底部岩石裂隙发育，夹泥严重；浇注砼时，抛片石；地下水大的情况下，不采用水下浇灌方法，用干砼压填，其后果是桩头浮浆多;有些基桩施工，其施工配合比达不到设计配合比要求，砼强度偏低;护壁方面，一般用砼护壁，可有侧摩阻力，用砖护壁的，基本上无侧摩阻力。侧摩阻力的预估有个简单办法，不分土质，取桩长2/3计算出面积，极限侧摩阻力标准值取60kPa，计算结果是可行且较安全的。
　　3.2 夯扩桩。一般最严重的问题是夯扩料不足。施工工艺方面也有问题，主要是冲击锤压到钢筋笼后，浅部出现缩径，原因是钢筋笼弯曲，砼未固结，必然出现外力挤压桩身缩径或胶结不良。软硬地层交界处，桩身容易出现问题，这种情况下，桩距小于3D（D为桩径）的，则应跳打，一般不跳打则多出现断桩。成桩后，重型机器辗压，尤其是成桩2~3天内就辗压，极易断桩。

　　3.3 钻孔桩。钻孔桩的砼凝固慢，其原因是桩孔中泥质成份高，当用泥浆钻进时更为突出，一般砼中含泥量达1~2%，一般需要90d的时间，砼才能达到28d的正常强度。钻孔桩底部的砂包如用高强砼代替，则桩底部承载力高，如用砂包，则每根桩都有较厚沉渣，容易出现工程质量问题。偶见钻孔桩在粘土层中有缩径现象。
　　3.4 洛阳铲桩。这种桩依桩底夯实与否，可分为两类，夯实者，单桩承载力可达250kN以上，未夯实的，一般在120~160kN之间，尤其是使用了机械振捣的桩，其承载力会偏高些。桩身一般上部好，中下部差，但未形成明显界限，不易发现。
　4永州地区工程地质情况及对基桩质量的影响
　　
　　永州地区地处湖南南部，属典型的喀斯特地形地貌区。区内灰岩广泛分布，上覆土层厚一般不足10m，但灰岩地区溶洞、溶沟发育，基岩面起伏大，地下水丰富，且灰岩中常有软弱夹层存在，又常影响成桩质量。我们收集了自1990年以来的86个工地2810根桩的资料，经统计分析，认为灰岩地区影响成桩质量的工程地质因素可归纳为四大类：一是浅层溶洞、溶沟。永州地区溶洞多为开放型，有粘土等充填物，部分为充水空洞。溶沟、溶槽的出现一般造成难于彻底清理桩底泥土，致使降低桩端承载力；二是起伏不平的基岩面。基岩面深度一般在5~10m，但相邻桩的基岩起伏则一般可达1~5m，个别达到8m以上；三是不同岩性夹层。全地区广泛发育的石炭、泥盆系灰岩，主要为中厚层的结晶质灰岩组成，但夹有层厚2~5m的薄层炭质灰岩或钙质泥岩。微风化致密的结晶灰岩、白云质灰岩一般承载力标准?k取4000~6000kPa。当桩端位于炭质灰岩或钙质泥岩上时，其承载力将相差一倍以上;四是由于丰富的地下水，常造成桩身蜂窝、坍塌、桩底泥浆残渣厚、混凝土离析等诸多缺陷，从而影响基桩承载力。
　　
　　5工程实例
　　
　　为了能更具体地说明永州桩基工程地质与基桩工程质量的关系，现举两个工程实例加以说明。
　　实例一：永州市地税局办公大楼，该工程地处冷水滩双洲路，层高17层，框架结构，总建筑面积9200m2，基础采用的是人工挖孔桩，桩底持力层为泥岩，经岩土勘察计算，泥岩持力层满足设计要求，桩基工程由409队施工。试验桩施工完成后，经质检部门检测，桩底部缺陷严重，基桩承载力达不到设计要求。为此，建设单位组织专家组调研论证，发现桩洞底部泥岩软化系数相当低，仅为0.2，桩洞挖好后，洞底泥岩持力层一经水浸泡，其承载力大为下降。解决措施：桩洞完成后，立即在桩洞底部用高强水泥砂浆封底，并及时灌注混凝土，以尽量避免泥岩软化，从而确保桩底持力层的承载力。这一处理后，经检测，主楼工程桩承载力基本达到设计要求，从而较为圆满的完成了该工程的基础施工任务。
　　实例二：永州市梅湾菜市场，该工程地处冷水滩河东沿江路，为框架12层，总建筑面积为13680m2。其基础采用人工挖孔桩，省煤勘三队负责施工。基桩持力层为灰岩，持力层以上有20~30cm的破碎带，地下水丰富，基础施工时，设有降水井同时作业，但仍未能控制好基桩施工质量，基础工程完成后，经质检部门检测，约有一半基桩的承载力达不到设计要求，最后不得不进行补桩处理。
　　
　　6结语
　　
　　工程地质条件复杂多变，千差万别，对工程质量影响也是复杂的、综合的，对某一小范围地区工程地质的深入研究、分析，并总结和归纳出工程地质要点，对于指导本地区的基础工程施工管理，提高工程质量和安全水平，具有重大意义。笔者通过长期在永州从事有关工程管理工作，在工程地质和桩基质量控制方面积累了一定的经验，但这还是远远不够的，在今后的工作中，笔者还将一如既往，深入研究，逐步探索出一条能更好指导基础工程施工的经验之路。
　　
　　参考文献：
　　[1] 邓茂斌.灰岩地区人工挖孔桩的质量隐患和桩洞洞底检测.中外建筑，2001（4）.
　　[2] 张宏.灌注桩检测与处理.北京：人民交通出版社，2001.
　　[3] 中华人民共和国建设部.岩土工程勘察规范（GB50021－94）.北京：中国建筑工业出版社，1995.

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