膨胀土地基简介
1938年发现轻型砖砌房屋大量破坏以后,这种现象才引起岩土工程界的注意。对膨胀土的物质构造、变形特征、房屋破坏机理、工程设计与处理等已经有了基本认识,并逐渐发展成为土力学的一个分支学科。
膨胀土的工程特性 引起膨胀的主要物质是蒙脱石,它具有较大的比表面及阳离子交换量,在与水相互作用过程中,能吸水引起粒间膨胀及矿物晶体膨胀。膨胀后的土体强度急骤降低、膨胀势能减弱。遇有蒸发可能时,土的含水量也减少,体积随之收缩,吸附能力增加。膨胀-收缩-再膨胀的反复可逆变形特性是膨胀土与其他土的基本区别。
土中的水因外界环境条件的改变而不断转移称为水分转移,它是引起膨胀收缩的重要原因。没有水的补给,膨胀变形不可能产生;没有失水条件,收缩也不会发生。促使水分转移的环境因素有三:①气候的变化,包括季节性降雨、蒸发、气温及湿度等。它直接影响接近地表的一定深度内的土层的含水量。离地表愈近,含水量的变化幅度愈大;到一定深度时,气候的影响很小,含水量也比较稳定。这个深度称为气候影响深度,一般为1~3米。如基础位于此深度以内,则可观测到它随着降雨和蒸发作周期升降运动。②由于建筑物、地坪、散水、路面等覆盖了原有地面,覆盖面以下的含水量将因水的气态和液态的热转移而增高,使建筑物上升,地坪、地面隆起。③施工期大挖大填和平整场地破坏了原有的水分平衡,局部曝晒及浸水引起局部含水量发生变化,都能促使水分转移。
膨胀土的鉴别 识别膨胀土有三种方法:①矿物鉴定法。如:X射线折射法、差热法、电镜辨别法、化学分析法等。目的是直接测定矿物成分及其结构。蒙脱石含量超过10%并处于胶凝状态时,就足以引起较大膨胀。②物理指标判别法。如:自由膨胀率法、缩限法、活性法等。这些方法是通过物理指标与膨胀性能相关的统计得出的,优点是简单易行。③力学测定法。直接用膨胀仪和收缩仪测定原状土的膨胀力、膨胀系数和收缩系数等指标,并计算变形量。中国采用综合法,即:根据土的自由膨胀率及现场调查结果(包括地形地貌、野外地质特征、土的裂隙与结构形态等)综合考虑,待初步判别为膨胀土后,再进行力学测定和计算变形量,作为地基评价及设计的依据。
建筑物变形计算 膨胀土地基上的建筑物变形可大致分为上升型、升降型、下降型三类。各类变形都与外界因素及起始含水量有关。在半干旱地区,土的起始含水量很低,一般出现上升型;在温带半湿润气候下,土的起始含水量在塑限附近波动,多出现升降型;当含水量达1.2倍塑限以上时,或由于生产设备的热力作用导致地基土干燥时,则出现下降型。实际上变形颇为复杂,有时,同一栋房屋南面下沉、北面上升,或者中部上升、四角下沉。因此,预估建筑物各点的升降值是极为困难的,仅能反映若干年内变形的最大幅值。
膨胀上升变形值SH与收缩下沉值SS分别由下两式表达:式中h为某层土的计算厚度;ep为某层土在压力p(附加压力与自重压力之和)作用下的膨胀率;eS为某层土的竖向收缩系数,即减少1%含水量时的线收缩率;Δw为某层土天然含水量与最小含水量之差;K1、K2为工作条件系数。
计算深度由实际情况确定,一般小于5米。对于升降型变形幅度可取膨胀上升值变形与收缩下沉值之和。
基础埋深一般宜大于1米,以避开气候急骤影响层。
地基设计 设计时主要考虑:①坡体的稳定性;②不同结构可能承受的变形。
膨胀土属于易产生浅层滑动的特殊土,因此,治坡是保证建筑安全的首要措施。膨胀土边坡稳定角较低,一般为11°~14°,层状土质边坡稳定角还需由层面与坡面的变角确定。过去对该特性缺乏认识,由坡体蠕动引起的房屋损坏事故很多。因此,在处理时应先做好整体规划,防止大挖大填;施工时做好场区排水及抗滑挡墙,挡墙背后宜填非膨胀土,以减少膨胀压力。
根据膨胀土地基已建房屋调查,排架结构、高耸结构和三层以上的砌体结构都比较完好,变形幅度亦小;在三层及三层以下的砖石结构中,以一层房屋损坏较严重,二层次之,三层又次之;坡地上的房屋损坏又比平坦地形上的重。针对这种情况,所采取的主要措施偏重于减少变形幅度及其差异变形。具体做法为:①适当增加基础埋深和增大基底压力,以限制其膨胀变形幅度,如:独立基础(见基础)、桩基础、换土垫层(见换土法)等。②稳定地基土含水量,减少蒸发量,控制下沉。各种保湿措施都属此类,其中常用的有:用松散材料做垫层的宽散水,在缓坡地带采用低挡墙以减少坡面蒸发,以及在房屋四周种草植树等。③增加墙体强度,如增设圈梁或墙体配筋等。
这些措施只有根据各地的实际情况选用,才能收到较好的技术和经济效益。
对于有热源的设备基础如隧道窑和均热炉等,要防止热量传入地下以减少收缩下沉,常用的有效方法是在基础中增设通风层,用通风装置及时排出热空气。地坪隆起与开裂是普通存在的现象,解决的方法是大量换土或做架空地板。但由于费用较大,这种方法仅在修建工业厂房时采用。
使用期间的维护对延长建筑物的使用期限是至关重要的。经常检修管道,排除积水,可避免局部地基浸水膨胀而引起的房屋损坏。