正文
1938年發現輕型磚砌房屋大量破壞以後,這種現象才引起岩土工程界的注意。到目前為止,對膨脹土的物質構造、變形特徵、房屋破壞機理、工程設計與處理等已經有了基本認識,並逐漸發展成為土力學的一個分支學科。膨脹土的工程特性 引起膨脹的主要物質是蒙脫石,它具有較大的比表面及陽離子交換量,在與水相互作用過程中,能吸水引起粒間膨脹及礦物晶體膨脹。膨脹後的土體強度急驟降低、膨脹勢能減弱。遇有蒸發可能時,土的含水量也減少,體積隨之收縮,吸附能力增加。膨脹-收縮-再膨脹的反覆可逆變形特性是膨脹土與其他土的基本區別。
土中的水因外界環境條件的改變而不斷轉移稱為水分轉移,它是引起膨脹收縮的重要原因。沒有水的補給,膨脹變形不可能產生;沒有失水條件,收縮也不會發生。促使水分轉移的環境因素有三:①氣候的變化,包括季節性降雨、蒸發、氣溫及濕度等。它直接影響接近地表的一定深度內的土層的含水量。離地表愈近,含水量的變化幅度愈大;到一定深度時,氣候的影響很小,含水量也比較穩定。這個深度稱為氣候影響深度,一般為1~3米。如基礎位於此深度以內,則可觀測到它隨著降雨和蒸發作周期升降運動。②由於建築物、地坪、散水、路面等覆蓋了原有地面,覆蓋面以下的含水量將因水的氣態和液態的熱轉移而增高,使建築物上升,地坪、地面隆起。③施工期大挖大填和平整場地破壞了原有的水分平衡,局部曝曬及浸水引起局部含水量發生變化,都能促使水分轉移。
膨脹土的鑑別 識別膨脹土有三種方法:①礦物鑑定法。如:X射線折射法、差熱法、電鏡辨別法、化學分析法等。目的是直接測定礦物成分及其結構。蒙脫石含量超過10%並處於膠凝狀態時,就足以引起較大膨脹。②物理指標判別法。如:自由膨脹率法、縮限法、活性法等。這些方法是通過物理指標與膨脹性能相關的統計得出的,優點是簡單易行。③力學測定法。直接用膨脹儀和收縮儀測定原狀土的膨脹力、膨脹係數和收縮係數等指標,並計算變形量。中國目前採用綜合法,即:根據土的自由膨脹率及現場調查結果(包括地形地貌、野外地質特徵、土的裂隙與結構形態等)綜合考慮,待初步判別為膨脹土後,再進行力學測定和計算變形量,作為地基評價及設計的依據。
建築物變形計算 膨脹土地基上的建築物變形可大致分為上升型、升降型、下降型三類。各類變形都與外界因素及起始含水量有關。在半乾旱地區,土的起始含水量很低,一般出現上升型;在溫帶半濕潤氣候下,土的起始含水量在塑限附近波動,多出現升降型;當含水量達1.2倍塑限以上時,或由於生產設備的熱力作用導致地基土乾燥時,則出現下降型。實際上變形頗為複雜,有時,同一棟房屋南面下沉、北面上升,或者中部上升、四角下沉。因此,預估建築物各點的升降值是極為困難的,目前僅能反映若干年內變形的最大幅值。
膨脹上升變形值SH與收縮下沉值SS分別由下兩式表達: 式中h為某層土的計算厚度;ep為某層土在壓力p(附加壓力與自重壓力之和)作用下的膨脹率;eS為某層土的豎向收縮係數,即減少1%含水量時的線收縮率;Δw為某層土天然含水量與最小含水量之差; K1、K2為工作條件係數。
計算深度由實際情況確定,一般小於5米。對於升降型變形幅度可取膨脹上升值變形與收縮下沉值之和。
基礎埋深一般宜大於1米,以避開氣候急驟影響層。
地基設計 設計時主要考慮:①坡體的穩定性;②不同結構可能承受的變形。
膨脹土屬於易產生淺層滑動的特殊土,因此,治坡是保證建築安全的首要措施。膨脹土邊坡穩定角較低,一般為11°~14°,層狀土質邊坡穩定角還需由層面與坡面的變角確定。過去對該特性缺乏認識,由坡體蠕動引起的房屋損壞事故很多。因此,在處理時應先做好整體規劃,防止大挖大填;施工時做好場區排水及抗滑擋牆,擋牆背後宜填非膨脹土,以減少膨脹壓力。
根據膨脹土地基已建房屋調查,排架結構、高聳結構和三層以上的砌體結構都比較完好,變形幅度亦小;在三層及三層以下的磚石結構中,以一層房屋損壞較嚴重,二層次之,三層又次之;坡地上的房屋損壞又比平坦地形上的重。針對這種情況,目前,所採取的主要措施偏重於減少變形幅度及其差異變形。具體做法為:①適當增加基礎埋深和增大基底壓力,以限制其膨脹變形幅度,如:獨立基礎(見基礎)、樁基礎、換土墊層(見換土法)等。②穩定地基土含水量,減少蒸發量,控制下沉。各種保濕措施都屬此類,其中常用的有:用鬆散材料做墊層的寬散水,在緩坡地帶採用低擋牆以減少坡面蒸發,以及在房屋四周種草植樹等。③增加牆體強度,如增設圈樑或牆體配筋等。
這些措施只有根據各地的實際情況選用,才能收到較好的技術和經濟效益。
對於有熱源的設備基礎如隧道窯和均熱爐等,要防止熱量傳入地下以減少收縮下沉,常用的有效方法是在基礎中增設通風層,用通風裝置及時排出熱空氣。地坪隆起與開裂是普通存在的現象,解決的方法是大量換土或做架空地板。但由於費用較大,這種方法目前僅在修建工業廠房時採用。
使用期間的維護對延長建築物的使用期限是至關重要的。經常檢修管道,排除積水,可避免局部地基浸水膨脹而引起的房屋損壞。