簡介
膨脹土是一種粘粒成分, 主要由親水性礦物質組成, 如蒙脫石、伊利石和高嶺石等, 具有較大的吸水膨脹、失水收縮性能和強度衰減性。由於膨脹土對建築物的危害, 人們稱膨脹土為“ 隱藏的災害” 。據不完全統計, 全世界每年因膨脹土造成的損失達50億美元以上, 我國由於膨脹土地基致害的建築面積達1000 ×104m2 左右。因此, 關於膨脹土的問題早已引起國際、國內工程界的極大重視。而在我國, 對膨脹土的研究, 僅僅只有20 餘年的歷史。通過對膨脹土特性的分析, 結合多年在十堰地區膨脹土地基上建築的工程設計實踐經驗, 提出一些實用的膨脹土地基處理方法 。
膨脹土地基特性
膨脹土的膨脹性可以用自由膨脹率指標來反映, 自由膨脹率>100 %為強膨脹性土, 若<40 %則為非膨脹土, 介於二者之間的為中等膨脹性土。膨脹土中水份減少, 土體將發生收縮變形,收縮性可用收縮係數表示。
膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮、再吸水再膨脹的變形特性,這種膨脹與收縮的可逆性, 是膨脹土的重要屬性, 而壓力和含水量的變化則是兩個主要的外在因素。在含水量固定的膨脹土上的建築物, 不會因受到地基升降變形而引起破壞。在同樣的條件下, 土的膨脹率在不同的壓力下是不同的, 基底壓力越大則土的膨脹率越低。在一般情況下, 膨脹土強度較高, 壓縮性較低, 容易被誤認為是建築性能良好的地基土。但當土中含水量變化時, 膨脹土有發生脹縮變形的特性, 對建築物具有相當大的破壞性。所以, 膨脹土是一種建築工程不可忽視的不良地基土。我國於1988 年8 月正式頒布國家標準《膨脹土地區建築技術規範》GBJ112 — 87 , 為膨脹土地基處理提供了依據。
十堰地區位於我國膨脹土分布區域內。根據工程地質勘察報告, 該地區廣泛分布著較厚的膨脹土, 類型多, 厚度和性質變化大, 既有弱膨脹土, 又有強膨脹土, 裂隙發育是膨脹土的重要特徵。從開挖的地基基槽面觀察, 常見的裂縫有豎向、斜交、水平3種。由於天然含水量隨季節變化而在塑限左右變動, 所以本地區膨脹土多呈堅硬或硬塑狀態, 在雨季則表土被水浸泡後出現軟塑狀態。所以當地有“ 晴天一把刀, 雨天一團糟” 的說法 。
膨脹土地基上建築物破壞特點
根據我們長期的觀察、研究、分析, 發現十堰地區膨脹土地基上建築物的破壞實例具有如下特點:
(1)膨脹土強度較高, 壓縮性低。易被認為是良好地基, 以致造成不應有的工程事故。
(2)膨脹土的工程危害常導致成片房屋嚴重破壞。
(3)膨脹土上建築物層數或建築物荷載越小, 破壞越嚴重。由於膨脹土的因素而裂損的房屋多在1 ～ 3 層的建築物, 這類建築物的重量輕, 整體性差, 基礎埋置較淺, 地基土由於上層滯水和裂隙水變化無常, 造成在極小範圍土層含水量及重力密度很不均勻, 建築地基易受外界因素影響而產生不均勻脹縮變形, 易開裂。所以在設計低層建築物地基基礎時, 必須根據勘察資料及現場情況分析弄清該場地上部地基土的特性, 以確定是否為膨脹土, 進而了解該地四季循環中上層含水量變化規律, 預估建造在這種地基上的低層建築將出現怎樣的變形, 從而採取相應的設計處理措施。
(4)膨脹土上建築物破壞的形式主要為膨脹土受水浸濕後膨脹, 產生很大的上舉力, 引起房屋上升, 造成建築物不均勻沉降, 使建築物開裂和破壞 。
膨脹土地基
目前國內外有關處理膨脹土地基的方法有很多, 我們在本地區工程設計中常用的有以下幾種:
(1)同一建築物儘量不要跨越不同的地貌單元、不同土層和不同的工程地質分區之上。建築體形應力求簡單, 不要局部突出或拐彎過多。
(2)採用對地基沉降不太敏感的結構, 加強上部結構剛度,如設定地梁、圈樑, 在角端和內外牆壁交接處設定水平鋼筋加強聯結等。
(3)適當增加基礎埋深。這是防止房屋產生過大不均勻沉降變形的一項極為有利的措施, 在美國、加拿大等國被普遍採用。影響基礎有效埋深的外界因素主要有2 個:地表大氣影響和地下水。由於地表1m 內土中含水量受人為活動和大氣影響最大, 規範規定, 膨脹土地基上建築物基礎埋深應≥1 ～ 1 .5m , 這適用於場地平坦且地下水位較深的情況。如果常年地下水位較高, 由於土壤中毛細管移動和水汽轉移, 可以使結構物下面的薄層膨脹土達到完全飽和, 將基礎埋置在地下穩定水位以上3m 內即可。對於本地區的建築, 一般情況下基礎可埋至地面2.0m 以下的土層上, 這樣可部分或全部消除大氣對膨脹土層的影響。實踐證明, 該種方法是長期有效的。
(4)樁基。如果大氣影響深度和地下水位均較深, 則可採用樁基, 即將樁穿過膨脹土層, 插入穩定的非膨脹土層作為樁尖持力層。單樁容許承載力應通過現場浸水靜載試驗, 在地面下3m範圍內, 樁周容許摩擦力需適當折減。如果膨脹土層較厚, 則應注意覆核由於膨脹土膨脹而對樁產生的向上拔力。
(5)換土處理。建造在膨脹土地基上的簡單解決辦法就是採用非膨脹性粘土、砂土、碎石土及灰土等轉換膨脹土, 以減少地基的脹縮量。將基底以下膨脹土挖除, 鋪設300 ～ 500mm 厚的中粗砂或2∶8 灰土墊層, 這樣可以減少地基脹縮變形和調整不均勻變形。對於建造在地面以下的敞口池等構築物, 在池壁外側0 .8m 寬、地面下1m 深的範圍內回填2∶8 灰土, 以減小膨脹土的膨脹變形對池壁產生的附加水平側向壓力。
(6)寬散水。寬散水適用於地下水位較深、基礎埋深較淺的情況。寬散水寬度一般為2～ 3m 左右。其作法為:80mm 厚砼面層、150mm 厚1∶3 石灰爐渣保溫層及150mm 厚3∶7 灰土墊層作為不透水層。散水沿縱向每隔3m 留一道變形縫, 變形縫和散水與外牆間隙內用柔性防水材料填嚴。變形縫應與雨水管的位置錯開。寬散水可以起到減少地表水滲入地基土中和阻止地基土中水份的蒸發, 從而減輕大氣對基礎持力層中含水量的影響。寬散水可與增加基礎埋深同時使用。
(7)砂包基礎。將基礎置於砂層包圍中, 砂層可選用砂、碎石、灰土等材料, 厚度宜採用基礎寬度的1 ～ 1.5 倍, 寬度宜採用基礎寬度的1.8～ 2 .5 倍。砂層不能採用水振, 此類處理如與加大地圈樑、設油氈滑動層以及加寬散水坡等結合處理則效果比較明顯。
(8)防水保濕。為了穩定地基土的含水量, 在建築物周圍應作好地表防水、排水設施, 建築物的室內地坪應採用100mm 厚的C10 素砼面層及150mm 厚3∶7 灰土作墊層。儘量避免採用明溝, 防止地表水向地基滲透, 對室內暖氣溝等採取隔熱措施, 防止地基水過分散失。
(9)增加基礎自重。當基礎底面壓力等於或大於膨脹力時,可以阻止土膨脹, 因此本地區宜建3 層以上建築以避免房屋開裂問題。
(10)施工措施。浸泡後的土層需清除掉, 基槽挖好後, 應立即施工基礎, 儘快回填夯實, 回填土可採用1∶9 或2∶8 灰土, 改善土的膨脹性和不透水性。應避免基槽泡水或曝曬, 防止地面水滲入, 做到快速施工。
膨脹土地基處理還有地基帷幕、保濕暗溝、預浸水、化學穩定法和滲透穩定等措施, 這類處理方法在本地區內還很少採用 。
不同建築物結構類型的處理措施
通過我們長期在本地區的設計實踐, 對於膨脹土地基的處理必須根據地基膨脹等級以及建築物的結構類型, 因地制宜地採取相應的處理措施, 儘量做到技術先進、經濟合理, 保證建築物的安全和正常使用。按照建築物結構類型對地基不均勻脹縮變形的適應能力和使用要求, 可將膨脹土地基上的建築分為以下幾類:
(1)對地基不均勻脹縮變形適應性較強的建築物, 如木結構、鋼結構和鋼筋砼排架結構及高聳構築物。其中排架結構和木結構容許較大的不均勻變形, 同時, 獨立柱基基底壓力較大, 從現有廠房和民用建築來看, 圍護牆宜採用填充牆, 並砌在基礎樑上,基礎梁底與地面之間預留100～ 150mm 的縫隙或回填鬆軟材料,以便預留地基土的膨脹空隙。高聳構築物如:煙囪、水塔和筒倉等, 占地面積小、剛度大、基底壓力大、基礎埋深比較深, 基礎持力層基本不受大氣影響, 可不需作特殊處理。
(2)對地基不均勻變形具有一定適應性的建築物, 如砼框架結構及4 層以上的砌體結構。基底壓力較大, 對這類建築物的結構應採取加強整體性的措施。
(3)對地基不均勻脹縮變形適應力較差的建築物, 如層數較少的砌體承重結構等, 基底壓力小, 容易產生較大的不均勻沉降,對此類建築必須通過地基處理以減輕膨脹土變形對建築物的破壞, 並將加強建築物的整體性作為輔助措施 。
總結
實踐表明, 膨脹土對建築物的危害很大, 但只要在工程勘察、設計、施工和使用各階段採取切實可行的措施, 以安全實用和經濟合理為原則, 認真分析膨脹土地基的特性, 設計中注意抓住控制膨脹土含水量這一主要矛盾並進行妥善地基處理, 同時輔以結構構造方面的措施加強整體性, 施工中嚴格按照設計要求操作, 膨脹土地基對建築物的危害是完全可以消除的 。
