第七章 几种特殊土地基上的基础工程
特殊土定义：由于生成时不同的地理环境、气候条件、地质成因以及次生变化等原因，使一些土类具有特殊的成分、结构和工程性质。通常把这些具有特殊工程性质的土类称为特殊土。特殊土种类很多，大部分都具有地区特点，故又有区域性特殊土之称。
第一节 湿陷性黄土地基
一、湿陷性黄土的定义和分布
湿陷性黄土的定义：凡天然黄土在一定压力作用下，受水浸湿后，土的结构迅速破坏，发生显著的湿陷变形，强度也随之降低的，称为湿陷性黄土。湿陷性黄土分为自重湿陷性和非自重湿陷性两种。黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。
湿陷性黄土的分布：在我国，它占黄土地区总面积的60%以上，约为40万km2，而且又多出现在地表浅层，如晚更新世（Q3）及全新世（Q4）新黄土或新堆积黄土是湿陷性黄土主要土层，主要分布在黄河中游山西、陕西、甘肃大部分地区以及河南西部，其次是宁夏、青海、河北的一部分地区，新疆、山东、辽宁等地局部也有发现。
二、黄土湿陷发生的原因和影响因素
黄土湿陷的原因：
（一）水的浸湿：由于管道（或水池）漏水、地面积水、生产和生活用水等渗入地下，或由于降水量较大，灌溉渠和水库的渗漏或回水使地下水位上升等原因而引起。但受水浸湿只是湿陷发生所必需的外界条件；而黄土的结构特征及其物质成分是产生湿陷性的内在原因。
（二）黄土的结构特征：季节性的短期雨水把松散干燥的粉粒粘聚起来，而长期的干旱使土中水分不断蒸发，于是，少量的水分连同溶于其中的盐类都集中在粗粉粒的接触点处。可溶盐逐渐浓缩沉淀而成为胶结物。随着含水量的减少土粒彼此靠近，颗粒间的分子引力以及结合水和毛细水的联结力也逐渐加大。这些因素都增强了土粒之间抵抗滑移的能力，阻止了土体的自重压密，于是形成了以粗粉粒为主体骨架的多孔隙结构。
黄土受水浸湿时，结合水膜增厚楔入颗粒之间。于是，结合水联结消失，盐类溶于水中，骨架强度随着降低，土体在上覆土层的自重应力或在附加应力与自重应力综合作用下，其结构迅速破坏，土粒滑向大孔，粒间孔隙减少。这就是黄土湿陷现象的内在过程。
（三）物质成分：黄土中胶结物的多寡和成分，以及颗粒的组成和分布，对于黄土的结构特点和湿陷性的强弱有着重要的影响。胶结物含量大，可把骨架颗粒包围起来，则结构致密。粘粒含量多，并且均匀分布在骨架之间也起了胶结物的作用。这些情况都会使湿陷性降低并使力学性质得到改善。反之，粒径大于0.05mm的颗粒增多，胶结物多呈薄膜状分布，骨架颗粒多数彼此直接接触，则结构疏松，强度降低而湿陷性增强。此外，黄土中的盐类，如以较难溶解的碳酸钙为主而具有胶结作用时，湿陷性减弱，但石膏及易溶盐的含量愈大时，湿陷性增强。
此外，黄土的湿陷性还与孔隙比、含水量以及所受压力的大小有关。天然孔隙比愈大，或天然含水量愈小则湿陷性愈强。在天然孔隙比和含水量不变的情况下，随着压力的增大，黄土的湿陷量增加，但当压力超过某一数值后，再增加压力，湿陷量反而减少。
三、黄土湿陷性的判定和地基的评价
（一）黄土湿陷性的判定
黄土湿陷性在国内外都采用湿陷系数(s值来判定，湿陷系数(s为单位厚度的土层，由于浸水在规定压力下产生的湿陷量，它表示了土样所代表黄土层的湿陷程度。
试验方法：(s可通过室内浸水压缩试验测定。把保持天然含水量和结构的黄土土样装入侧限压缩仪内，逐级加压，达到规定试验压力，土样压缩稳定后，进行浸水，使含水量接近饱和，土样又迅速下沉，再次达到稳定，得到浸水后土样高度（图7-1），由式（7-1）求得土的湿陷系数(s
（7-1）
式中：h0——土样的原始高度(m)；
hp——土样在无侧向膨胀条件下，在规定试验压力p的作用下，压缩稳定后的高度(m)；
——对在压力p作用下的土样进行浸水，到达湿陷稳定后的土样高度(m)。
湿陷性判定：我国《湿陷性黄土地区建筑规范》（GBJ25-90）按照国内各地经验采用(s=0.015作为湿陷性黄土的界限值，(s≥0.015定为湿陷性黄土，否则为非湿陷性黄土。湿陷性土层的厚度也是用此界限值确定的。一般认为(s<0.03为弱湿陷性黄土，0.03<(s≤0.07为中等湿陷性黄土，(s>0.07为强湿陷性黄土。
（二）湿陷性黄土地基湿陷类型的划分
定义：黄土受水浸湿后，在上覆土层自重应力作用下发生湿陷的称自重湿陷性黄土；若在自重应力作用下不发生湿陷，而需在自重和外荷共同作用下才发生湿陷的称为非自重湿陷性黄土。
划分：《湿陷性黄土地区建筑规范》用计算自重湿陷量(zs来划分这两种湿陷类型的地基，(zs(cm)按下式计算
（7-2）
式中：(0——根据我国建筑经验，因各地区土质而异的修正系数。对陇西地区可取1.5，陇东、陕北地区可取1.2，关中地区取0.7，其他地区（如山西、河北、河南等）取0.5；
(zsi——第i层地基土样在压力值等于上覆土的饱和（S(>85%）自重应力时，试验测定的自重湿陷系数(当饱和自重应力大于300kPa时，仍用300kPa)；
hi——地基中第i层土的厚度(m)；
n——计算总厚度内土层数。
当(zs>7cm时为自重湿陷性黄土地基，(zs≤7cm时为非自重湿陷性黄土地基。
用上式计算时，土层总厚度从基底算起，到全部湿陷性黄土层底面为止，其中(zs<0.015的土层（属于非自重湿陷性黄土层）不累计在内。
（三）湿陷性黄土地基湿陷等级的判定
定义：湿陷性黄土地基的湿陷等级，即地基土受水浸湿，发生湿陷的程度，可以用地基内各土层湿陷下沉稳定后所发生湿陷量的总和（总湿陷量）来衡量。
《湿陷性黄土地区建筑规范》对地基总湿陷量(s（cm）用下式计算：
（7-3）
式中：(si——第i层土的湿陷系数；
hi——第i层土的厚度(cm)；
(——考虑地基土浸水机率、侧向挤出条件等因素的修正系数，基底下5m（或压缩层）深度内取1.5；5m(或压缩层)以下，非自重湿陷性黄土地基(=0，自重湿陷性黄土地基可按式(7-2) (0取值。
湿陷等级的判定：可根据地基总湿陷量(s和计算自重湿陷量(zs综合，按表7-1判定。
湿陷性黄土地基的湿陷等级 表7-1
湿陷类型
(zs(cm)
(s(cm)
非自重湿陷性地基
自重湿陷性地基
≤7
7<(zs≤35
>35
≤30
Ⅰ(轻微)
Ⅱ(中等)
——
30<(s≤60
Ⅱ(中等)
Ⅱ或Ⅲ
Ⅲ(严重)
>60
——
Ⅲ(严重)
Ⅳ(很严重)
四、湿陷性黄土地基的处理
目的：改善土的性质和结构，减少土的渗水性、压缩性，控制其湿陷性的发生，部分或全部消除它的湿陷性。在明确地基湿陷性黄土层的厚度、湿陷性类型、等级等后，应结合建筑物的工程性质，施工条件和材料来源等，采取必要的措施，对地基进行处理，满足建筑物在安全、使用方面的要求。
桥梁工程中，对较高的墩、台和超静定结构，应采用刚性扩大基础、桩基础或沉井等型式，并将基础底面设置到非湿陷性土层中；对一般结构的大中桥梁，重要的道路人工构造物，如属Ⅱ级非自重湿陷性地基或各级自重湿陷性黄土地基也应将基础置于非湿陷性黄土层或对全部湿陷性黄土层进行处理并加强结构措施；如属Ⅰ级非自重湿陷性黄土也应对全部湿陷性黄土层进行处理或加强结构措施。小桥涵及其附属工程和一般道路人工构造物视地基湿陷程度，可对全部湿陷性土层进行处理，也可消除地基的部分湿陷性或仅采取结构措施。
结构措施是指结构形式尽可能采用简支梁等对不均匀沉降不敏感的结构；加大基础刚度使受力较均匀；对长度较大且体形复杂的建筑物，采用沉降缝将其分为若干独立单元。
按处理厚度可分为全部湿陷性黄土层处理和部分湿陷性黄土层处理，前者对于非自重湿陷性黄土地基，应自基底处理至非湿陷性土层顶面（或压缩层下限），或者以土层的湿陷起始压力来控制处理厚度；对于自重湿陷性黄土地基是指全部湿陷性黄土层的厚度。后者指处理基础底面以下适当深度的土层，因为该部分土层的湿陷量一般占总湿陷量的大部分。这样处理后，虽发生少部分湿陷也不致影响建筑物的安全和使用。处理厚度视建筑物类别，土的湿陷等级、厚度，基底压力大小而定，一般对非自重湿陷性黄土为1～3m，自重湿陷性黄土地基为2～5m。
常用的处理湿陷性黄土地基的方法：
（一）灰土或素土垫层
将基底以下湿陷性土层全部挖除或挖到预计深度，然后用灰土（三分石灰七分土）或素土（就地挖出的粘性土）分层夯实回填，垫层厚度及尺寸计算方法同砂砾垫层，压力扩散角( 对灰土用30(，对素土用22(。垫层厚度一般为1.0～3.0m。它施工简易，效果显著，是一种常用的地基浅层湿陷性处理或部分处理的方法。
（二）重锤夯实及强夯法
重锤夯实法能消除浅层的湿陷性，如用15kN～40kN的重锤，落高2.5～4.5m，在最佳含水量情况下，可消除在1.0～1.5m深度内土层的湿陷性。强夯法根据国内使用纪录，锤重100～200kN，自由落下高度10～20m锤击两遍，可消除4～6m范围内土层的湿陷性。
两种方法均应事先在现场进行夯击试验，以确定为达到预期处理效果（一定深度内湿陷性的消除情况）所必需的夯点、锤击数、夯沉量等，以指导施工，保证质量。
（三）石灰土或二灰（石灰与粉煤灰）挤密桩
用打入桩、冲钻或爆扩等方法在土中成孔，然后用石灰土或将石灰与粉煤灰混合分层夯填桩孔而成（少数也有用素土），用挤密的方法破坏黄土地基的松散、大孔结构，达到消除或减轻地基的湿陷性。此方法适用于消除5～10m深度内地基土的湿陷性。
（四）预浸水处理
自重湿陷性黄土地基利用其自重湿陷的特性，可在建筑物修筑前，先将地基充分浸水，使其在自重作用下发生湿陷，然后再修筑。
除以上的地基处理方法外，对既有桥涵等建筑物地基的湿陷也可考虑采用硅化法等加固地基
五、湿陷性黄土地基的容许承载力和沉降计算
湿陷性黄土地基容许承载力：可根据地基载荷试验、规范提出数据及当地经验数据确定。当地基土在水平方向物理力学性质较均匀，基础底面下5m深度内土的压缩性变化不显著时，可根据我国《公桥基规》确定其容许承载力。经灰土垫层（或素土垫层）、重锤夯实处理后地基土承载力应通过现场测试或根据当地建筑经验确定，其容许承载力一般不宜超过250kPa（素土垫层为200kPa）。垫层下如有软弱下卧层，也需验算其强度。对各种深层挤密桩、强夯等处理的地基，其承载力也应作静载荷试验来确定。
沉降计算：应结合地基的各种具体情况进行，除考虑土层的压缩变形外，对进行消除全部湿陷性处理的地基，可不再计算湿陷量（但仍应计算下卧层的压缩变形）；对进行消除部分湿陷性处理的地基，应计算地基在处理后的剩余湿陷量；对仅进行结构处理或防水处理的湿陷性黄土地基应计算其全部湿陷量。压缩沉降及湿陷量之和如超过沉降容许值时，必须采取减少沉降量、湿陷量措施。
第二节 膨胀土地基
膨胀土的定义：按照我国《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ112--87）中的定义，膨胀土应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。
膨胀土的分布范围：据现有的资料，广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等20多个省、自治区、市均有膨胀土。国外也一样，如美国，50个州中有膨胀土的占40个州，此外在印度、澳大利亚、南美洲、非洲和中东广大地区，也都有不同程度的分布。目前膨胀土的工程问题，已成为世界性的研究课题。
膨胀土的危害：使大量的轻型房屋发生开裂、倾斜，公路路基发生破坏，堤岸、路堑产生滑坡；在我国，据不完全统计，在膨胀土地区修建的各类工业与民用建筑物，因地基土胀缩变形而导致损坏或破坏的有1000万m2；我国过去修建的公路一般等级较低，膨胀土引起的工程问题不太突出，所以尚未引起广泛关注。然而，近年来由于高等级公路的兴建，在膨胀土地区新建的高等级公路，也出现了严重的病害，已引起了公路交通部门的重视。
一、膨胀土的判别和膨胀土地基的胀缩等级
（一）影响膨胀土胀缩特性的主要因素
内在机制：主要是指矿物成分及微观结构两方面。实验证明，膨胀土含大量的活性粘土矿物，如蒙脱石和伊利石，尤其是蒙脱石，比表面积大，在低含水量时对水有巨大的吸力，土中蒙脱石含量的多寡直接决定着土的胀缩性质的大小。除了矿物成分因素外，这些矿物成分在空间上的联结状态也影响其胀缩性质。经对大量不同地点的膨胀土扫描电镜分析得知，面——面连接的叠聚体是膨胀土的一种普遍的结构形式，这种结构比团粒结构具有更大的吸水膨胀和失水吸缩的能力。
外界因素：是水对膨胀土的作用，或者更确切地说，水分的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。因为只有土中存在着可能产生水分迁移的梯度和进行水分迁移的途径，才有可能引起土的膨胀或收缩。
（二）膨胀土的胀缩性指标
1．自由膨胀率(ef
将人工制备的磨细烘干土样，经无颈漏斗注入量杯，量其体积，然后倒入盛水的量筒中，经充分吸水膨胀稳定后，再测其体积。增加的体积与原体积的比值(ef称为自由膨胀率。
（7-4）
式中：Vo——干土样原有体积，即量土杯体积，ml；
Vw——土样在水中膨胀稳定后的体积，由量筒刻度量出，ml。
2．膨胀率(ep与膨胀力Pe
膨胀率表示原状土在侧限压缩仪中，在一定压力下，浸水膨胀稳定后，土样增加的高度与原高度之比，表示为：
（7-5）
式中：hw——土样浸水膨胀稳定后的高度，mm；
ho——土样的原始高度，mm。
以各级压力下的膨胀率(ep为纵坐标，压力p为横坐标，将试验结果绘制成p-(ep关系曲线，该曲线与横坐标的交点Pe称为试样的膨胀力，膨胀力表示原状土样在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力。
3．线缩率(sr与收缩系数(s
膨胀土失水收缩，其收缩性可用线缩率与收缩系数表示。
线缩率(sr是指土的竖向收缩变形与原状土样高度之比，表示为：
（7-6）
式中：ho——土样的原始高度，mm；
hi——某含水量wi时的土样高度，mm。
利用收缩曲线直线收缩段可求得收缩系数(s，其定义为：原状土样在直线收缩阶段内，含水量每减少1%时所对应的线缩率的改变值，即：
（7-7）
式中：(w——收缩过程中，直线变化阶段内，两点含水量之差，%；
((sr——两点含水量之差对应的竖向线缩率之差，%。
（三）膨胀土的判别
《膨胀土规范》中规定，凡具有下列工程地质特征的场地，且自由膨胀率(ef≥40%的土应判定为膨胀土。
1．裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色粘土。在自然条件下呈坚硬或硬塑状态；
2．多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形平缓，无明显自然陡坎；
3．常见浅层塑性滑坡、地裂，新开挖坑（槽）壁易发生坍塌等；
4．建筑物裂缝随气候变化而张开和闭合。
（四）膨胀土地基评价
《膨胀土规范》规定以50kPa压力下测定的土的膨胀率，计算地基分级变形量，作为划分胀缩等级的标准，表7-2给出了膨胀土地基的胀、缩等级。
膨胀土地基的胀缩等级 表7-2
地基分级变形量se/mm
级 别
破坏程度
15≤se＜35
Ⅰ
轻 微
35≤se＜70
Ⅱ
中 等
se≥70
Ⅲ
严 重
注：地基分级变形量Se应按公式（7-8）计算，式中膨胀率采用的压力应为50kPa。
（五）膨胀土地基变形量计算
在不同条件下可表现为3种不同的变形形态，即：上升型变形，下降型变形，和升降型变形。因此，膨胀土地基变形量计算应根据实际情况，可按下列3种情况分别计算：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时，以及建筑物在使用期间经常受水浸湿的地基，可按膨胀变形量计算；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；③其它情况下可按胀、缩变形量计算。
地基变形量的计算方法仍采用分层总和法。下面分别将上述3种变形量计算方法介绍如下：
1．地基土的膨胀变形量se
（7-8）
式中：(e——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，3层及3层以下建筑物，可采用0.6；
(epi——基础底面下第i层土在该层土的平均自重应力与平均附加应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zn内所划分的土层数（图7-6（a）），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．地基土的收缩变形量ss
（7-9）
式中：(s——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，3层及3层以下建筑物，可采用0.8；
(si——第i层土的收缩系数，应由室内试验确定；
(wi——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）；
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。在计算深度时，各土层的含水量变化值(wi（图7-6（b））应按下式计算：
（7-10）
（7-11）
式中：w1,wp——地表下1m处土的天然含水量和塑限含水量（以小数表示）；
(w——土的湿度系数；
zi——第i层土的深度，m；
zn——计算深度，可取大气影响深度，m。
3．地基土的胀缩变形量s
（7-12）
式中：(——计算胀缩变形量的经验系数，可取0.7。
二、膨胀土地基承载力
膨胀土地基的承载力同一般地基土的承载力的区别：一是膨胀土在自然环境或人为因素等影响下，将产生显著的胀缩变形，二是膨胀土的强度具有显著的衰减性，地基承载力实际上是随若干因素而变动的。其中，尤其是地基膨胀土的湿度状态的变化。将明显地影响土的压缩性和承载力的改变。
膨胀土基本承载力有以下特点：
1．各个地区及不同成因类型膨胀土的基本承载力是不同的，而且差异性比较显著。
2．与膨胀土强度衰减关系最密切的含水量因素，同样明显地影响着地基承载力的变化。其规律是：对同一地区的同类膨胀土而言，膨胀土的含水量愈低，地基承载力愈大；相反，膨胀土的含水量愈高，则地基承载力愈小。
3．不同地区膨胀土的基本承载力与含水量的变化关系，在不同地区无论是变化数值或变化范围都不一样。
综上所述，在确定膨胀土地基承载力时，应综合考虑以上诸多规律及其影响因素，通过现场膨胀土的原位测试资料，结合桥、涵地基的工作环境综合确定，在一般条件不具备的情况下，也可参考现有研究成果，初步选择合适的基本承载力，再进行必要的修正。
三、膨胀土地区桥涵基础工程问题及设计与施工要点
（一）膨胀土地基上的桥涵工程问题
桥梁主体工程的变形损害，在膨胀土地区很少见到。然而在膨胀土地基上的桥梁附属工程，如桥台、护坡、桥的两端与填土路堤之间的结合部位等，各种工程问题存在比较普遍，变形病害也较严重。桥台不均匀下沉，护坡开裂破坏，桥台与路堤之间结合带不均匀下沉等等。有的普通公路桥受地基膨胀土胀缩变形影响严重者，不仅桥台与护坡严重变形、开裂、位移，甚至桥面也遭破坏，导致整座桥梁废弃，公路行车中断。
涵洞因基础埋置深度较浅，自重荷载又较小，一方面直接受地基土胀缩变形影响，另一方面还受洞顶回填膨胀土不均匀沉降与膨胀压力的影响，故变形破坏比较普遍。
（二）膨胀土地基上桥涵基础工程设计与施工应采取的措施
1．换土垫层
在较强或强膨胀性土层出露较浅的建筑场地，可采用非膨胀性的粘性土、砂石、灰土等置换膨胀土，以减少可膨胀的土层，达到减少地基胀缩变形量的目的。
2．合理选择基础埋置深度
桥涵基础埋置深度应根据膨胀土地区的气候特征，大气风化作用的影响深度，并结合膨胀土的胀缩特性确定。一般情况下，基础应埋置在大气风化作用影响深度以下。当以基础埋深为主要防治措施时，基础埋深还可适当增大。
3．石灰灌浆加固
在膨胀土中掺入一定量的石灰能有效提高土的强度，增加土中湿度的稳定性，减少膨胀势。工程上可采用压力灌浆的办法将石灰浆液灌注入膨胀土的裂隙中起加固作用。
4．合理选用基础类型
桥涵设计应合理选择有利于克服膨胀土胀缩变形的基础类型。当大气影响深度较深，膨胀土层厚，选用地基加固或墩式基础施工有困难或不经济时，可选用桩基。这种情况下，桩尖应锚固在非膨胀土层或伸入大气影响急剧层以下的土层中。具体桩基设计应满足《膨胀土规范》的要求。
5．合理选择施工方法
在膨胀土地基上进行基础施工时，宜采用分段快速作业法，特别应防止基坑暴晒开裂与基坑浸水膨胀软化。因此，雨季应采取防水措施，最好在旱季施工，基坑随挖随砌基础，同时做好地表排水等。
第三节 冻土地区基础工程
冻土的定义：温度为0℃或负温，含有冰且与土颗粒呈胶结状态的土称为冻土。
冻土的分类：根据冻土冻结延续时间可分为季节性冻土和多年冻土两大类，土层冬季冻结，夏季全部融化，冻结延续时间一般不超过一个季节，称为季节性冻土层，其下边界线称为冻深线或冻结线；土层冻结延续时间在三年或三年以上称为多年冻土。
冻土的分布：季节性冻土在我国分布很广，东北、华北、西北是季节性冻结层厚0.5m以上的主要分布地区；多年冻土主要分布在黑龙江的大小兴安岭一带、内蒙古纬度较大地区，青藏高原部分地区与甘肃、新疆的高山区，其厚度从不足一米到几十米。
一、季节性冻土基础工程
（一）季节性冻土按冻胀性的分类
土的冻胀由于侧向和下面有土体的约束，主要反映在体积向上的增量上（隆胀），季节性冻土地区建筑物的破坏很多是由于地基土冻胀造成的。
对季节性冻土按冻胀变形量大小结合对建筑物的危害程度分为五类，以野外冻胀观测得出的冻胀系数Kd为分类标准
Ⅰ类不冻胀土：Kd＜1%，冻结时基本无水分迁移，冻胀变形很小，对各种浅埋基础无任何危害。
Ⅱ类弱冻胀土：1%＜Kd≤3.5%，冻结时水分迁移很少，地表无明显冻胀隆起，对一般浅埋基础也无危害。
Ⅲ类冻胀土：3.5%＜Kd≤6%，冻结时水分有较多迁移，形成冰夹层，如建筑物自重轻、基础埋置过浅，会产生较大的冻胀变形，冻深大时会由于切向冻胀力而使基础上拔。
Ⅳ类强冻胀土，6%＜Kd≤13％，冻结时水分大量迁移，形成较厚冰夹层，冻胀严重，即使基础埋深超过冻结线，也可能由于切向冻胀力而上拔。
Ⅴ类特强冻胀土Kd＞13％，冻胀量很大，是使桥梁基础冻胀上拔破坏的主要原因。
式中：(h——地面最大冻胀量（m）；
Zo——最大冻结深度（m）。
（二）考虑地基土冻胀影响桥涵基础最小理置深度的确定
基底最小埋置深度h(m)可用下式表达
（7-13）
上部结构为超静定结构时，除Ⅰ类不冻胀土外，基底埋深应在冻结线以下不小于0.25m。当建筑物基底设置在不冻胀土层中时，基底埋深可不考虑冻结问题。
（三）刚性扩大基础及桩基础抗冻拔稳定性的验算
按上述原则确定基础埋置深度后，基底法向冻胀力由于允许冻胀变形而基本消失。考虑基础侧面切向冻胀力的抗冻拔稳定性按下式计算。
（7-14）
在冻结深度较大地区，小桥涵扩大基础或桩基础的地基土为Ⅲ～Ⅴ类冻胀性土时，由于上部恒重较小，当基础较浅时常会因周围土冻胀而被上拔，使桥涵遭到破坏。基桩的入土长度往往由在冻结线以下抗冻拔需要的锚固长度控制。为了保证安全，以上计算中基础重力在冻土和暖土部分均不再考虑。
（四）基础薄弱截面的强度验算
当切向冻胀力较大时，应验算基桩在未（少）配筋处抗拉断的能力。
（7-16）
式中：P——验算截面拉力（kN）；
W1——验算截面以上基桩重力（kN）；
F1——验算截面以上基桩在暖土部分阻力（kN）计算方法同式（7-14）中QT。其余符号意义同前。
（五）防冻胀措施
目前多从减少冻胀力和改善周围冻土的冻胀性来防治冻胀。
1．基础四侧换土，采用较纯净的砂、砂砾石等粗颗粒土换填基础四周冻土，填土夯实；
2．改善基础侧表面平滑度，基础必须浇筑密实，具有平滑表面。基础侧面在冻土范围内还可用工业凡土林、渣油等涂刷以减少切向冻胀力。对桩基础也可用混凝土套管来减除切向冻胀力。
3．选用抗冻胀性基础改变基础断面形状，利用冻胀反力的自锚作用增加基础抗冻拔的能力。
二、多年冻土地区基础工程
（一）多年冻土按其融沉性的等级划分
多年冻土的融沉性是评价其工程性质的重要指标，可用融化下沉系数A作为分级的直接控制指标。
（7-17）
式中：hm——季节融化层冻土试样冻结时的高度（m）（季冻层土质与其下多年冻土相同）；
hT——季节融化层冻土试样融化后（侧限条件下）的高度（m）。
Ⅰ级（不融沉）：A小于1%，是仅次于岩石的地基土，在其上修筑建筑物时可不考虑冻融问题。
Ⅱ级（弱融沉）：1%≤A＜5%，是多年冻土中较好的地基土，可直接作为建筑物的地基，当控制基底最大融化深度在3m以内时，建筑物不会遭受明显融沉破坏。
Ⅲ级（融沉）：5%≤A＜10%，具有较大的融化下沉量而且冬季回冻时有较大冻胀量。作为地基的一般基底融深不得大于1m，并采取专门措施，如深基、保温防止基底融化等。
Ⅳ级（强融沉）：10%≤A＜25%，融化下沉量很大，因此施工、运营时内不允许地基发生融化，设计时应保持冻土不融或采用桩基础。
Ⅴ级（融陷）：A≥25%，为含土冰层，融化后呈流动、饱和状态，不能直接作地基，应进行专门处理。
（二）多年冻土地基设计原则
多年冻土地区的地基，应根据冻土的稳定状态和修筑建筑物后地基地温、冻深等可能发生的变化，分别采取两种原则设计，即保持冻结原则和容许融化原则。
（三）多年冻土地基容许承载力的确定
决定多年冻土承载力的主要因素有粒度成分，含水（冰）量和地温，具体的确定方法可用如下几种：
1．根据规范推荐值确定
2．理论公式计算
理论上可通过临塑荷载pcr(kPa)和极限荷载pu(kPa)确定冻土容许承载力，计算公式形式较多，可参考下式计算：
（7-18）
式中：cs——冻土的长期粘聚力（kPa），应由试验求得；
(2h——基底埋置深度以上土的自重压力（kPa）；
pcr可以直接作为冻土的容许承载力，而pu应除以安全系数1.5～2.0。
此外也可通过现场荷载试验（考虑地基强度随荷载作用时间而降低的规律），调查观测地质、水文、植被条件等基本相同的邻近建筑物等方法来确定。
（四）多年冻土融沉计算
冻土地基总融沉量由两部分组成，一是冻土解冻后冰融化体积缩小和部分水在融化过程中被挤出，土粒重新排列所产生下沉量；一是融化完成后，在土自重和恒载作用下产生的压缩下沉。最终沉降量S(m)计算如下：
（7-19）
式中：Ai——第i层冻土融化系数，见式（7-17）；
hi——第i层冻土厚度（m）；
(i——第i层冻土压缩系数（1/kPa）由试验确定；
(ci——第i层冻土中点处自重应力（kPa）；
(pi——第i层冻土中点处建筑物恒载附加应力（kPa）。
（五）多年冻土地基基桩承载力的确定
采取保持冻结原则时，多年冻土地基基桩轴向容许承载力由季节融土层的摩阻力F1（冬季则变成切向冻胀力），多年冻土层内桩侧冻结力F2和桩尖反力R三部分组成。其中桩与桩侧土的冻结力是承载力的主要部分。除通过试桩的静载试验外，单桩轴向容许承载力[P]（kN）可由下式计算
（7-20）
（六）多年冻土地区基础抗拔验算
多年冻土地区，当季节融化层为冻胀土或强冻胀土时，扩大基础（或基桩）冻拔稳定验算：
（7-21）
（七）防融沉措施
1．换填基底土 对采用融化原则的基底土可换填碎、卵、砾石或粗砂等，换填深度可到季节融化深度或到受压层深度。
2．选择好施工季节 采用保持冻结原则时基础宜在冬季施工，采用融化原则时，最好在夏季施工。
3．选择好基础型式 对融沉、强融沉土宜用轻型墩台，适当增大基底面积，减少压应力，或结合具体情况，加深基础埋置深度。
4．注意隔热措施 采取保持冻结原则时施工中注意保护地表上覆盖植被，或以保温性能较好的材料铺盖地表，减少热渗入量。施工和养护中，保证建筑物周围排水通畅，防止地表水灌入基坑内。
如抗冻胀稳定性不够，可在季节融化层范围内，按前介绍的防冻胀措施第1、2条处理。
第四节 地震区的基础工程
一、地基与基础的震害
（一）地基土的液化
地震时地基土的液化是指地面以下，一定深度范围内（一般指20m）的饱和粉细砂土、亚砂土层，在地震过程中出现软化、稀释、失去承载力而形成类似液体性状的现象。它使地面下沉，土坡滑坍，地基失效、失稳，天然地基和摩擦桩上的建筑物大量下沉、倾斜、水平位移等损害。
（二）地基与基础的震沉，边坡的滑坍以及地裂
软弱粘性土和松散砂土地基，在地震作用下，结构被扰动，强度降低，产生附加的沉陷（土层的液化也会引起地基的沉陷），且往往是不均匀的沉陷，使建筑物遭到破坏；陡峻山区土坡，层理倾斜或有软弱夹层等不稳定的边坡、岸坡等，在地震时由于附加水平力的作用或土层强度的降低而发生滑动（有时规模较大），会导致修筑在其上或邻近的建筑物遭到损坏；构造地震发生时地面常出现与地下断裂带走向基本一致的呈带状的地裂带。地裂带一般在土质松软区、故河道、河堤岸边、陡坡、半填半挖处较易出现，它大小不一，有时长达几十公里，对建筑物常造成破坏和患害。
（三）基础的其他震害
在较大的地震作用下，基础也常因其本身强度、稳定性不足抗衡附加的地震作用力而发生断裂、折损，倾斜等损坏。刚性扩大基础如埋置深度较浅时，会在地震水平力作用下发生移动或倾覆。
基础、承台与墩、台身联结处也是抗震的薄弱处，由于断面改变、应力集中使混凝土发生断裂。
二、基础工程抗震设计
（一）基础工程抗震设计的基本要求
结合目前抗震工程的技术发展水平和公路的特点，建筑物发生基本烈度的地震时，按不受任何损坏的原则进行设计，在经济上是不合理的，在技术上也常是不可行的。因此，公路建筑物的基础工程抗震设计的基本要求应与整个建筑物一致，《公路抗震规》根据建筑物所属公路等级和所处地质条件，要求发生相当基本裂度地震时，建筑物位于一般地段的高速公路和一级公路，经一般整修即可正常使用；位于一般地段的二级公路及位于软弱粘性土层或液化土层上的高速公路和一级公路建筑物经短期抢修即可恢复使用；三四级公路工程和位于抗震危险地段的软弱粘性土层或液化土层上的二级公路以及位于抗震危险地段的高速公路和一级公路应保证桥梁、隧道及重要的构造物不发生严重破坏。
（二）选择对抗震有利的场地和地基
我国公路抗震工程中，将场地土（建筑物所在地的土层）分为四类：
Ⅰ类场地土：岩石，紧密的碎石土。
Ⅱ类场地土：中密、松散的碎石土，密实、中密的砾、粗中砂；[(0]＞250kPa的粘性土。
Ⅲ类场地土：松散的砾、粗、中砂，密实、中密的细砂、粉砂，[(0]≤250kPa的粘性土。
Ⅳ类场地土：淤泥质土，松散的细、粉砂，新近沉积的粘性土；[(0]＜130kPa的填土。
对于多层土，当建筑物位于Ⅰ类土时，即属于Ⅰ类场地土；位于Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ类土上时，则按建筑物所在地表以下20m范围内的土层综合评定。
Ⅰ类场地土及开阔平坦、均匀的Ⅱ类场地土对抗震有利，应尽量利用；Ⅳ类场地土、软土、可液化土以及地基土层在平面分布上强弱不匀，非岩质的陡坡边缘等处一般震害较严重，河床下基岩向河槽倾斜较甚，并被切割成槽处，地基下有暗河、溶洞等地段以及前述抗震危险地段都应注意避开。选择有利的工程地质条件，有利抗震地段布置建筑物可以减轻甚至避免地基、基础的震害，也能使地震反应减少，是提高建筑物抗震效果的重要措施。
（三）地基、基础抗震强度和稳定性的验算
目前我国各桥梁抗震规范，对基本烈度为7、8、9度地区，在地震荷载计算中与世界各国发展趋势基本一致：对各种上部结构的桥墩、基础采用考虑地基和建筑物动力特性的反应谱理论；而对刚度大的建筑物和挡土墙、桥台采用静力设计理论；对跨度大（如超过150m）墩高大（如超过30m）或结构复杂的特大桥及烈度更高地区则建议用精确的方法（如时程反映分析法等）。
1．桥墩基础地震荷载的计算（用反应谱理论计算），反应谱理论是以大量的强震水平加速度纪录为基础，经过动力计算和数理统计分析，按照建筑物作为单质点振动体系，在一定的阻尼比条件下，其自振周期与它发生的平均最大水平加速度反应的函数的关系，用曲线表示的图谱——加速度反应谱，以此作为建筑物地震反应计算荷载的依据。
2．桥台、挡墙基础地震荷载的计算（用静力理论计算）
静力理论出发点是认为建筑物为刚性，地震时不变形，各部分受到的地震水平加速度与地面相同，也不考虑不同场地土对地震反应的影响。
（1）桥台基础地震荷载的计算 桥台重力的水平地震荷载QEa（kN），可用下式计算（作用于台身重心处）：
（7-22）
式中：Gau——基础顶面以上台身重力（kN），计算设有固定支座梁桥桥台基础时，应计入一孔梁的重力。
（2）挡墙地震荷载的计算 为了弥补静力理论对高度较大的挡墙在计算地震荷载中的不足，《公路抗震规》采用了地震反应沿墙高增大分布系数(iw，挡墙第i截面以上墙身重心处的水平地震荷载QiEW（kN）按下式计算：
（7-23）
式中：Cz——综合影响系数，取Cz=0.25；
(iw——水平地震荷载沿墙高的分布系数，在高速公路、一、二级公路当墙高H＞12（m）时，为验算第i截面以上墙身重心到墙底的高度，如图7-15所示。其他情况，；
Giw——第i截面以上，墙身圬工的重力（kN）；
其他符号意义同前。
3．墩、台、挡墙基础抗震强度及稳定性的验算
桥梁墩、台、挡墙基础按以上方法计算得到水平地震荷载后，即可根据一般静力学方法，按规定的荷载组合进行地基、基础的抗震强度和稳定性的验算。
三、基础工程的抗震措施
对建筑物及基础采取有针对性的抗震措施，在抗震工程中也是十分重要的，而且往往能取得“事半功倍”的效果。下面介绍基础工程常用的抗震措施。
（一）对松软地基及可液化土地基
1．改善土的物理力学性质，提高地基抗震性能
对松软可液化土层位较浅，厚度不大的可采用挖除换土，用砂垫层等浅层处理，此法较适用于小型建筑物。否则应考虑采用砂桩、碎石桩、振冲碎石桩、深层搅拌桩等将地基加固，地基加固范围应适当扩大到基础之外。
2．采用桩基础、沉井基础等
采用各种型式深基础，穿越松软或可液化土层，基础伸入稳定土层足够的深度。
3．减轻荷载、加大基础底面积
减轻建筑物重力，加大基础底面积以减少地基压力对松软地基抗震是有利的。增加基础及上部结构刚度常是防御震沉的有效措施。
（二）对地震时不稳定（可能滑动）的河岸地段
在此类地段修筑大、中桥墩台时应适当增加桥长，注重桥跨布置等将基础置于稳定土层上并避开河岸的滑动影响。小桥可在两墩台基础间设置支撑梁或用片块石满床铺砌，以提高基础抗位移能力。挡墙也应将基础置于稳定地基上，并在计算中考虑失稳土体的侧压力
（三）基础本身的抗震措施
地震区基础一般均应在结构上采取抗震措施。圬工墩台、挡墙与基础的联结部位，由于截面发生突变，容易震坏，应根据情况采取预埋抗剪钢筋等措施提高其抗剪能力。桩柱与承台、盖梁联结处也易遭震害，在基本烈度8度以上地区宜将基桩与承台联结处做成2∶1或3∶1的喇叭渐变形，或在该处适当增加配筋；桩基础宜做成低桩承台，发挥承台侧面土的抗震能力；柱式墩台、排架式桩墩在与盖梁、承台（基础）联结处的配筋不应少于桩柱身的最大配筋；桩柱主筋应伸入盖梁并与梁主筋焊（搭）接；柱式墩台、排架式桩墩均应加密构件与基础联结处及构件本身的箍筋，以改善构件延性，提高其抗震能力，桩基础的箍筋加密区域应从地面或一般冲刷以上1倍桩径处往下延伸到桩身最大弯矩以下3倍桩径处。
