淺議膨脹土地基的工程設(shè)計與施工

王 團 結(jié)

(鄭州工業(yè)應(yīng)用技術(shù)學院，河南 鄭州　451150)

膨脹土是指同時具有顯著吸水膨脹和失水收縮變形特性的黏性土[1]，一般黏性土都具有該特性，但是其脹縮變形量不大，對工程影響程度較小，但膨脹土的脹縮變形量是顯著的。并且，在自然情況下，膨脹土常表現(xiàn)為土性堅硬、抗剪強度高、壓縮變形小的良好天然地基[2]，具有一定的迷惑性。在工程設(shè)計與施工時，若對膨脹土處理不當，建筑物易產(chǎn)生裂縫等病害，后期治理較為困難。

1　膨脹土的脹縮機理分析

工程中遇到的膨脹土的飽和度介于0與1之間，屬于非飽和土，從工程應(yīng)用角度考慮，膨脹土的脹縮性主要受到土的礦物成分及其聯(lián)結(jié)狀態(tài)和水分遷移的影響。

礦物成分及其聯(lián)結(jié)狀態(tài)方面，膨脹土含有大量蒙脫石和伊利石等活性黏土礦物[3]。蒙脫石的晶層結(jié)構(gòu)由三層組成，其中上下層為硅片(基本單元為硅—氧四面體)，中間層為鋁片(基本單元為鋁—氧八面體)，硅片與鋁片之間由O2-聯(lián)結(jié)，由于O2-離子結(jié)合力較弱，故水分很容易進入硅片與鋁片之間，導致蒙脫石具有顯著的脹縮特性。伊利石的晶層結(jié)構(gòu)同樣為三層，但晶層之間是由聯(lián)結(jié)強度高于O2-聯(lián)結(jié)的K+聯(lián)結(jié)的。

土是固體、水分和氣體三相組成的，含水率大小對一般土的物理性質(zhì)的影響最為顯著，但對膨脹土而言，不是含水率的大小而是含水率的變化梯度導致了膨脹土顯著的脹縮性。換言之，假如膨脹土中的含水率是均勻的，土體中沒有出現(xiàn)含水率梯度，那么土體便不會表現(xiàn)為顯著的脹縮性。只有當土中的含水率變化，引起土中的水分出現(xiàn)水分遷移的梯度，并且存在水分遷移的途徑時，土體才會表現(xiàn)為濕脹干縮特性。

2　膨脹土的判別

一般采用綜合判別法對膨脹土進行判別，即根據(jù)自由膨脹率并綜合工程地質(zhì)特征和房屋開裂形態(tài)進行多因素判定。需要注意的是，不能將自由膨脹率作為唯一指標，否則容易造成誤判；從實用角度出發(fā)，應(yīng)以是否造成工程的損害為最直接的標準，對于新建工程，未必存在已有工程經(jīng)驗可借鑒，此時可通過各種室內(nèi)試驗指標結(jié)合現(xiàn)場特征進行判定。

3　膨脹土工程設(shè)計

3.1　設(shè)計原則

膨脹土地基上的建筑物的設(shè)計應(yīng)遵循“預(yù)防為主，綜合治理”的原則。“預(yù)防為主”一方面是針對低層建筑，因為低層建筑的附加應(yīng)力較小，設(shè)計時應(yīng)采取必要的建筑結(jié)構(gòu)措施；另一方面是指，盡量避免選取膨脹土作為建筑物地基?！熬C合治理”是指在工程設(shè)計、施工和后期維護管理時，應(yīng)采取必要措施，以減小膨脹土中的含水量變化。

3.2　地基埋置深度

一般而言，地表以下1 m范圍內(nèi)土層長期受到濕脹干縮循環(huán)變形的影響，土中裂縫發(fā)育，土的強度指標特別是凝聚力嚴重降低，因此應(yīng)將基礎(chǔ)底面設(shè)置于該土層深度以下。

對于地形坡度不大于5°的平坦場地而言，可以采用控制基礎(chǔ)埋深深度大于大氣影響急劇層的深度的方法對膨脹土的危害進行防治。通常大氣影響急劇層深度取大氣影響深度的45%進行計算。

3.3　承載力修正

鑒于膨脹土中發(fā)育著不同方向的眾多裂隙，有時還存在薄的軟弱夾層，并且膨脹土在吸水膨脹后土的抗剪強度指標存在大幅降低的特征，根據(jù)太沙基地基承載力理論，基礎(chǔ)底面土層對抗剪承載力的影響可以忽略不計，即取基礎(chǔ)寬度的承載力修正系數(shù)為0，基礎(chǔ)深度承載力修正系數(shù)取1.0。

3.4　變形特征

根據(jù)膨脹土的場地、氣候和覆蓋等條件的不同，膨脹土地基的豎向變形特征可以分為上升型，下降型和升降循環(huán)波動型等三種。

上升型位移是由于房屋建成后地基吸水膨脹產(chǎn)生變形，導致房屋持續(xù)多年的上升。需要注意的是，房屋各處的上升是不均勻的，且隨季節(jié)波動，當這種不均勻變形達到一定程度，就會導致房屋開裂破壞。產(chǎn)生上升型位移的主要原因為：1)建房時氣候干旱，土中含水量偏低；2)基坑長期暴曬；3)建筑物使用期間長期受水浸潤。

波動型位移的特點是房屋位移隨季節(jié)性降雨、干旱等氣候變化而周期性的上升或下降，一個水文年基本上為一個循環(huán)周期。根據(jù)土中水分由高溫向低溫轉(zhuǎn)移的規(guī)律，水分由下部向上部轉(zhuǎn)移，使上部土中的含水量增大而導致地基土上升；在夏、秋季節(jié)，水分向下轉(zhuǎn)移并有大量的地面蒸發(fā)，使地基土失水而收縮下沉。

下降型變形常出現(xiàn)在土體天然含水率較大或者地基為邊坡的區(qū)域，隨著工程完工，土體天然含水率逐漸降低，膨脹土失水收縮，從而導致地基產(chǎn)生收縮變形。

4　膨脹土工程施工

通過對膨脹土的濕脹干縮機理進行分析可知含水率的變化梯度導致了膨脹土的顯著的脹縮性，因此，在地基和基礎(chǔ)施工時膨脹土的防治理念是降低土體的含水率的變化量。為完成該目標，可以在施工前進行截洪溝、排水溝等排水系統(tǒng)施工等場地整治工作；在基坑或邊坡開挖時，可采取土工織物覆蓋的措施以隔絕土體中水分與大氣的通道，并且避免將新開挖基坑或邊坡置于烈日，雨水環(huán)境中。分段開挖、及時封閉，同樣可以減小地基土的含水量變化幅度；預(yù)留部分土層厚度，到下一道工序開始前再清除，能夠同時達到防止持力層土的擾動和減小水分較大變化的目的。

5　結(jié)語

膨脹土在天然情況下在自然情況下液性指數(shù)常小于零，壓縮性較小，常表現(xiàn)為土性堅硬、抗剪強度高、壓縮性好的良好天然地基，具有一定的迷惑性。在環(huán)境條件導致膨脹土含水量變化時，土中水分遷移，導致膨脹土產(chǎn)生明顯的脹縮性，使得建筑物產(chǎn)生傾斜裂縫等病害。在工程建設(shè)時，需要謹記膨脹土產(chǎn)生顯著脹縮性的機理，并采取合適的設(shè)計與施工措施才能夠減輕膨脹土對建筑的不良影響。

參考文獻:

[1]李蕊.淺談膨脹土地區(qū)房屋建筑的勘察及地基處理[J].山西建筑,2011,37(29):76-77.

[2]周景星.基礎(chǔ)工程[M]．北京:清華大學出版社，2015:341-342.

[3]譚練武,李洪.談膨脹土工程特性及處治方法[J].山西建筑,2014，40(28):69-72.