膨胀土的成因及处理措施

膨胀土的成因及处理措施

胀土的地理位置膨胀土是一种结构不稳定的高弹性粘土，也是典型的非脂肪和土壤。它在世界范围内广泛分布。目前，已有40多个国家发现了膨胀土，并覆盖了六条河流。其地理位置大致为北纬60和南纬50之间。我国是膨胀土分布最广的国家之一,先后有20多个省、市和自治区发现有膨胀土,主要分布在广东、湖北、陕西、云南、安徽、贵州、广西、四川、河南、河北、山西等省和自治区,总面积约在10万km2以上,成因以残积或残坡积为主。1膨胀土对工程建设的危害具有裂隙性、胀缩性和超固结性,对气候变化特别敏感,主要原因是膨胀土颗粒组成中粘粒含量超过30%,且蒙脱石、伊利石或蒙—伊混成等强亲水性矿物占主导地位。其“三性”(裂隙性、胀缩性和超固结性)对其强度都有强烈的衰减影响,使得膨胀土的工程性能极差,病害十分严重。在膨胀土地区修建的厂房、住宅、水利设施、机场、公路、铁路无不反映出因各种各样膨胀土不良工程性质而造成的危害。地基土体含水量变化导致土体不均匀的胀缩变形极易引起建筑物变形和破坏。膨胀土边坡的失稳更是世界性的共同难题,当水通过裂隙渗人土体,土体遇水膨胀,当其膨胀受阻时,就会对支挡结构、衬砌或地下结构产生膨胀力,致使结构物发生破坏,尤其对铁路、公路、水渠的破坏作用更加突出,有“逢堑必崩、无堤不塌”之说,常常出现路面开裂、隆起或沉陷,路堤和路堑滑塌、边坡失稳等,且其对工程建设的危害往往具有多发性、反复性及长期潜在性,对其灾害防治十分困难,长期以来国内外均十分重视膨胀土问题的研究。随着我国当前全面建设小康社会步伐的加快,兴起了基础设施建设的新高潮,很多铁路、公路、航空港、水利工程、城镇化以及跨流域调水工程等在膨胀土地区营运和修建,对膨胀土的研究已成为当前岩土工程的重要研究方向之一。2对地基的变形治理启示膨胀土地基的处理总体原则应根据当地的气候条件、土质特性与胀缩等级、场地的工程地质及水文地质情况和建筑物(构筑物)结构类型等,结合当地经验和施工条件,通过综合技术经济比较,确定适宜的处理措施,尽量做到技术先进、经济合理。膨胀土地基的处理措施原则,应从上部结构与地基基础两方面着手,设计中除着重抓住控制膨胀土胀缩性这一主要矛盾选择合理的地基处理方法外,还需考虑上部结构的措施加强构筑物的整体性与抗变形能力。根据上述指导思想,膨胀土地基处理的基本原则如下:(1)在膨胀土地基设计及处理中,首先应考虑场地地形的复杂程度及其对工程的影响,根据地形地貌条件可将场地分为平坦与斜坡场地两类,针对前者,膨胀土地基按变形控制设计,并考虑气候条件,充分估计季节循环中地基在很长时间,如10年以上可能发生的最大变形量及变形特征;后者除按变形控制设计外,还需验算地基的稳定性,防止外部水分侵入与水平变形给边坡带来的严重危害,结合排水系统、坡面防护和设置支挡结构物综合防治。(2)按照建筑物(构筑物)对地基不均匀胀缩变形的适应能力和使用要求进行分类并区别对待,膨胀土地基处理应根据不同类型采取相应措施,使可能发生的变形量减少到容许变形值范围内,同一建筑物尽量不跨越不同的地貌单元、不同土层和不同的工程地质分区之上,力求规划简单,而不局部突出或拐弯过多,必要时,宜设置沉降缝断开。对地基不均匀变形适应性较强的建筑物(排架结构、高耸构筑物等),排架结构只需注意在基础梁底与地面间预留100-150mm的膨胀间隙或回填松软材料、填充围护墙砌于基础梁之上即可,高耸构筑物一般可不作特殊处理;对地基不均匀变形具有一定适应性的建筑物(如钢筋混凝土框架结构、砖石排架结构、4层以上的砌体结构),应采用必要的加强整体性结构措施,如设置地梁、圈梁,设置水平钢筋加强角端和内外墙壁交接联结等;对地基不均匀胀缩变形适应力较差的建筑物(层数较少的砖石承重结构、无砂大孔混凝土和无筋中型砌块建筑物等),必须通过地基处理以减轻地基不均匀变形对建筑物的破坏,并辅以必要的结构措施巩固其整体性。(3)根据场地膨胀土的特性与胀缩等级、当地材料、工况类型与施工条件,并结合膨胀土埋深、厚度、大气影响和上部荷载等因素,从回避或减缓膨胀土的不良特性、保持膨胀土工程特性的相对稳定性、改良膨胀土的本身性质以克服其湿热敏感性,以及改变基础形式与埋深以提高地基的适应性四种可行途径,选用有针对性的单一或综合方法处理膨胀土地基。3膨胀土地基的处理方法目前国内外有关膨胀土地基处理的方法较多,加固技术也在逐渐发展,以下主要从加固机理、适用范围与施工技术几方面,结合膨胀土工程性质的多年研究成果与我国大量工程实践的应用效果,介绍膨胀土地基的几种主要处理方法:3.1膨胀土换土研究换土法是将膨胀土全部或部分挖掉,换填非膨胀粘性土、砂土、砂砾土或灰土,以消除或减少地基胀缩变形,其本质是回避膨胀土的不良工程特性,从源头上改善地基,是膨胀土地基处理方法中最简单而且有效的方法。膨胀土地基的换土厚度由胀缩变形计算确定,使剩余部分土的胀缩变形量在允许范围内。由于各地区的气候不同,在一定深度以下膨胀土含水量基本不受外界气候影响的临界深度和临界含水量有所不同,换土厚度应根据膨胀土的强弱和当地的气候特点确定,一般可采用1.0～2.0m,强膨胀土换土厚度可用2.0m,中膨胀土用1.0～1.5m,但具体换土厚度要根据调查后的临界深度来确定,最大厚度不宜超过3.0m。在地基下膨胀土层较薄情况下,该法比较可靠,且能彻底根治膨胀土的危害,主要适用于路床基底、渠道、膨胀性土层出露较浅的建筑场地或对不均匀变形有严格要求的建筑物地基,但对于大面积的膨胀土分布地区显得不经济,生态环境效益较差。换土施工工艺简单,采用人工或机械挖除基底下一定深度的膨胀土,分层铺设非膨胀土或粗粒土,分层碾压,其换土效果与填料的含水量和干重度、土料土块尺寸、铺土厚度与碾压的质量等因素密切相关,如换土质量符合各项技术指标要求,并采取一些诸如排水辅助措施,能从根本上消除膨胀土的灾害。如湖北省襄十高速公路弱膨胀土路基,其填方基床与挖方路床均超挖30～60cm,采用6%石灰土换填,松铺厚度在25cm左右,含水量控制在大于最佳含水量3%～4%的范围内,路拌次数2遍,采用重型碾压机械碾压4～5遍,平均承载力与压实度分别达179kPa和91.3%,均超过125kPa的承载力设计值与85%的压实度规范要求。膨胀土换土处理目前尚需针对地区气候条件,进一步精确确定不同胀缩等级的膨胀土临界深度,以及分析对比该法与其他人工浅地基的综合效果。3.2砂垫层的作用与种类垫层法与换土法施工过程基本相同,也主要应用于薄的膨胀土层及主要胀缩变形层不厚的情况,但对膨胀土层较厚的地基可采用部分挖除,铺设砂、碎石垫层抑制膨胀土的升降变形引起的危害,其作用主要是减少地基胀缩变形和调节膨胀土地基异沉降量,具有补偿功能。此外,砂石层还可防止地下水毛细作用上升使地基不受冻胀作用的影响,施工简单,就地取材还能节约投资,是处理膨胀土地基的一种较为适用和经济的方法。在平坦场地上Ⅰ、Ⅱ级膨胀土地基处理中,除可用于轻型建筑物地基处理外,还广泛用于道路、堆场等,但在长期干旱地区而又有可能浸水的房屋中不宜采用。我国对砂垫层的作用进行过室内模型试验和现场试验,认为砂垫层能够提高膨胀土地基的承载力,减小浸水湿化变形,垫层厚度为0.5～0.8m,可以降低膨胀力25%～30%,且对差异沉降量的调节作用大小随外荷载大小而变化,荷载小于地基的极限承载力时,调节作用随荷载增大而增大;补偿作用则在外荷载作用下形成压密核的过程中产生的,砂垫层的调节和补偿作用与垫层的厚度及宽度关系密切。要想减少膨胀土地基不均匀胀缩变形量,显著发挥其调节及补偿作用,采用垫层应满足以下条件:(1)垫层厚度hn和宽度bn与基础宽度b的关系采用下列值:弱膨胀土:hn≥0.75b,bn≥1.5b中膨胀土:hn≥1.0b,bn≥1.6b(2)当土膨胀压力大于250kPa时,垫层宜用中、细砂;膨胀压力较小时,可用粗砂。垫层干容重应不小于16kN/m3。(3)基底压力宜选用100～250kPa,基槽两边回填区的附加压力不能大于0.25P(P为基底压力)。垫层材料宜采用级配良好且质地坚硬的粒料,砂子以中粗砂为好,碎石最大粒径不宜大于50mm,砂石含泥量不应超过5%。其夯压效果关键是将砂石夯实加密至设计要求密实度,施工时应控制在最优含水量时分层铺设,逐层振实或夯实,垫层厚度不应小于300mm,分层厚度一般为150～200m,一般在基底两侧各拓宽20cm,基础两侧宜用与垫层相同的材料回填夯实,并做好防水处理使雨水不灌进砂石层内。值得注意的是,膨胀土地基用砂石垫层置换基础下部分膨胀土,对地基的胀缩变形起到缓冲作用,以减少地基胀缩变形量,但这种垫层置换法一般需配合上部结构整体加强,使上部结构适应地基变形,以保证建筑物的结构安全,对于这种地基、基础与上部结构的共同空间整体协同作用的研究还有待于深化。3.3少受蒸发及降雨入渗的影响湿度控制法是通过控制膨胀土含水量的变化,保持地基中的水分少受蒸发及降雨入渗的影响,从而抑制地基的胀缩变形。目前比较成功的保湿方法有:预浸水法、暗沟保湿法、帷幕保湿法和全封闭法。3.3.1降低路基强度和刚度预浸水法是在施工前用人工方法增加地基土的含水量,使膨胀土层全部或部分膨胀,并维持高含水量,从而消除或减少膨胀变形量。我国幅员辽阔,气候差异大,膨胀土预浸水后难以保持土中的高含水量使土体积不发生变化,常在干旱季节产生更大的收缩变形,从而导致建筑物破坏。由于浸水后膨胀土的强度和变形指标急剧降低,承载力一般在100kPa左右,在路基工程中,也无法保证路基所要求的足够强度和刚度,还会使路基会因失水产生收缩变形,出现干裂缝。因此,虽然预浸水在建造地板时,可以起到重要作用,但在膨胀土上建造房屋基础时,预浸水法只作为一种重要的地基处理技术。预浸水只有在基底压力不大且能保持地基土现有含水量的少数建建筑物可以采用,如蓄水池、冷却塔等。其最常用的施工方法是在场地上挖一系列深80cm深的明沟,设置几排调整含水量的竖井,沟底铺25cm厚的熟石灰再填满石子,沟内充水约1个月,直到周围的土都已湿润为止。3.3.2建筑物不受热缩变形暗沟保湿法的原理与预浸水法相近,主要是利用膨胀土的胀缩性与含水量密切相关的原理,让膨胀土地基充分浸水至膨胀稳定含水量,并保持该含水量不发生变化,则地基既不会产生膨胀变形,也不会产生收缩变形,从而保证建筑物不遭受地基胀缩变形而引起破坏。保湿暗沟适用于有经常水源的三层以下房屋的处理,对于无经常水源的房屋、强膨胀土地基和长期干旱地区不得采用。暗沟保湿法的具体做法为,施工前预先在基槽中浸水,使地基在整个过程中不产生胀缩变形,建筑物施工结束后在地基两侧修建干砌砖石沟或接头不密封的水泥管保湿暗沟,土沟底有0.5%的坡度,干砌砖暗沟沟底用1:3水泥砂浆抹平,沟外侧应用砂填实,沟顶铺砂25cm拍实,上部回填素土应分层夯实,定期向暗沟内供水。由于暗沟中的水向地基土渗透,建筑物使用过程中地基不产生膨胀变形。3.3.3背景材料的铺设帷幕保湿法是用不透水材料做成的帐幕设置于建筑物两侧,用以截断地基中水分向外转移或地基外的水分进入地基,保证地基中水分的相对稳定,从而达到消除地基土胀缩变形。帷幕型式有砂帷幕、填砂的塑料薄膜帷幕、填土的塑料薄膜帷幕、沥青油毡帷幕以及塑料薄膜灰土帷幕等。帷幕埋深由建筑场地条件和当地大气影响急剧层深度来确定,根据地基土层水分变化情况,在房屋四周分别采取不同帷幕深度以截断侧向土层水分的转移,帷幕配合1.5m宽散水进行地基处理,效果明显,尤其当膨胀土地基上部覆盖层为卵石、砂质土等透水层时,采用该法防止侧向渗水浸入地基,效果良好。帷幕保湿法既可用于新建房屋,也可用于已损坏房屋的修缮处理,前者通常情况下是在建房的同时建造帷幕。建造帷幕时,帷幕深度应不小于基础的最小埋深;不透水材料可用油毡,但一般应选用较厚的聚乙烯薄膜,一般宜用两层,铺设时搭接部分不应少于10cm,并应用热合处理;塑料薄膜如有撕裂等疵病时,应按搭接处理;隔水壁宜采用2:8或3:7灰土回填,在塑料薄膜失效时,灰土仍可起防水作用,散水宽度一般不小于1.5m,但必须覆盖帷幕,做法严格遵守规范规定。3.3.4膨胀土的覆盖方法由于全封闭法一般在膨胀土路堤中应用,又称为包盖法或包边路堤,主要在膨胀土广泛分布的地区,出于经济上的考虑和受填料条件所限,不得不采用弱膨胀土和中膨胀土填筑路堤时,直接用接近最佳含水量的中、弱膨胀土填筑路堤堤心部位,用普通粘土或改性土作为路堤两边边坡与基底及顶面的封层,从而形成包心填方,让膨胀土永久地封存在非膨胀土之中,避免膨胀土与外界大气直接接触,保持膨胀土湿度的稳定,使其失去胀缩性,从而成为良好的路基填料。在通常情况下,全封闭法仅适用于非浸水路堤。为了能确保封闭效果,有效地限制堤内膨胀土湿度变化,封层应有相当的厚度。其中,边坡处往往是施工碾压的薄弱部位,如果封闭土层与路堤土一道分层填筑压实,并达到同样的压实度,则处理效果会更好。为此,在用膨胀土填筑路基时,每一层松铺厚度宜控制在30cm以内,先用普通粘土填包边层,之后再填筑膨胀土夹心层,包边层和夹心层同时碾压,压实后必须形成4%的人字形路拱,形成平整坡面。封顶层用普通粘土填筑,厚度一般不应小于1.5m,表面用光碾压路机碾压平整。边坡包边宽度不小于2.0m,并按设计要求做好梯形路拱,每一段路堤按标准施工完毕后,人工刷好边坡,并拍打光实、平整。施工应选在非雨水季节与旱季时间进行。综上所述,湿度控制法是处治膨胀土的一种好方法,应视当地气候潮湿程度与膨胀土厚度而定,对于强膨胀土很厚的情况,具有较好的经济可行性。但迄今为止,对蒸发与降雨条件下膨胀土的湿度迁移规律与力学效应还未取得足够清晰的认识,因此,湿度控制法处理膨胀土的设计理论还需作大量的研究,并在工程实践中不断完善。3.4膨胀土调湿法压实控制法的实质是用机械方法将膨胀土压实到所需要的状态,充分利用膨胀土的强度与胀缩特性随含水量、干密度及荷载应力水平的变化规律,尽量增大击实膨胀土的强度指标,提高地基承载力与减小胀缩性,以达到工程建设的需求。由于膨胀土的最大干密度随击实功的增大而增大,最优含水量随击实功的增大而减小。膨胀土的干密度增大同时含水量减小,导致其凝聚力和内摩擦角增大,地基承载力增加;但其击实后的胀缩性并没有受到抑制。因此,该法应用范围有限,只针对弱膨胀土,且造价很低,适用于地基承载力满足要求而附加荷载又大于其膨胀力的建筑物,对轻型建筑可能会造成一定的破坏。实际应用较多的是通过合理控制压实标准,利用弱膨胀工作为路基填料来修建路堤。国内外在确定膨胀土的压实标准时,综合考虑到膨胀土的初期强度、长期强度以及强度衰减、胀缩变形、施工工艺等因素的变化特征,认为只有选择控制合理的含水量和干密度指标,击实膨胀土才可能同时兼顾到较高的强度和较低胀缩性。最新的研究成果表明采用压实含水量较最佳含水量稍大而略低于塑限、干密度较最大干密度略低的控制原则只要压实功控制得好,弱膨胀土既可获得较高的压实度与初期强度,又具有较低的胀缩性以及较好的抗渗透性和较低的压缩性。因此,压实含水量与碾压或夯实功的科学控制是压实控制法处理弱膨胀土的关键。3.5国内未来对膨土加固技术的应用土质改良法顾名思义就是在膨胀土中掺入其他材料,使其物理、力学特性得到改善,克服其不良的湿热敏感性,而能满足工程的使用性能。目前对土质改良法子类归属尚不规范,不同部门行业与工程手册等还没有统一。从膨胀土的土质改良实质出发,宜按其加固机理不同而区分。为此,将膨胀土的土质改良法划分为物理改良法、化学改良法与综合改良法。3.5.1对膨胀土的土性改良方法物理改良法是在膨胀土中添加其他非膨胀性固体材料,通过改变膨胀土原有的土颗粒组成及级配,从而减弱膨胀土的胀缩能力,达到改善其工程特性的目的,常见的掺合料有风积土、砂砾石、粉煤灰与矿渣等。现有的研究表明,对于某中等膨胀土掺入40%的风积土,虽膨胀土的收缩性有明显的改善,但膨胀率仍很大;掺入粉煤灰和风积土各20%,膨胀土的收缩性有明显的改善,其无荷载膨胀率仍较大,而在一定荷载作用下,膨胀率就迅速下降;如选用砂子作添加剂,随着砂子含量百分率的增加,本质上是土中的粘粒含量减少了,对于给定的初始含水量和干密度砂粒改良土样,当土中砂的含量超过一定的界限时,由于土孔隙中大量的毛细管通道和相应的虹吸作用减小,土不再易膨胀,超过一定砂量将使重塑后土样对膨胀不再敏感,存在着对应的临界掺砂量,临界掺砂量大约为60%;如向膨胀土中掺入10%的石灰和30%的风积土后,无论是其膨胀性还是其收缩性都大大降低,改良后的膨胀土几乎可当成普通土看待,混合土的工程性质良好。这些都证实,如单纯用物理改良法处理膨胀土,其应用范围是有限的,实际效果并不十分理想。事实上,由于粉煤灰颗粒平均粒径大于膨胀土的平均