膨脹土的工程性質(zhì)及膨脹性的研究進(jìn)展

膨脹土的工程性質(zhì)及膨脹性的研究進(jìn)展

膨脹土是一種結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的高彈性粘土，也是典型的非脂肪和土壤。它在世界廣泛分布，具有斷裂、收縮和過度固結(jié)，對氣候變化特別敏感。主要原因是膨脹土的組成中含有超過30%的粘土，并由蒙脫石、伊利石和蒙-伊等強(qiáng)親水性礦物主導(dǎo)。由于土壤含水量的變化，膨脹土基的土壤變形，最終導(dǎo)致建筑物變形和破壞。此外，它對土木工程的破壞往往是多發(fā)性的、反復(fù)性的、長期的，對建筑物的破壞往往是巨大的、隨機(jī)的和長期的。1膨脹土的特性我國是世界上膨脹土分布最廣、面積最大的國家之一,先后發(fā)現(xiàn)有膨脹土危害的地區(qū)已達(dá)20多個(gè)省、市、自治區(qū).如圖1所示,膨脹土又稱裂隙粘土或裂土,是粘土的一種,因而具有粘性土的一般性質(zhì).但它作為一類特殊的粘土,又具有一般粘土所沒有的三種基本特性,即干縮濕脹性、多裂隙性和超固結(jié)性.在膨脹土地區(qū)修建的廠房、住宅、水利設(shè)施、機(jī)場、公路、鐵路等無不反映出因各種各樣膨脹土不良工程性質(zhì)而造成的危害,如圖2所示為因膨脹土地基引起的房屋開裂.1.1抗風(fēng)固裂機(jī)理從外貌特征看,裂土表面布滿了不規(guī)則的多邊形裂隙或網(wǎng)狀裂縫,多呈張開的楔形,將裂土分割成各種幾何形態(tài)的塊體.裂隙有原生及次生之分.原生裂隙多為閉合狀,裂隙面光滑,常呈臘狀光澤.當(dāng)暴露地表,受風(fēng)化作用影響裂隙面常張開,并有次生的灰白粘土充填.次生裂隙以風(fēng)化型為主,在半干旱地區(qū),尤其是年蒸發(fā)量大于年降水量的地區(qū),裂土的干縮濕脹效應(yīng)非常顯著,使裂土表層風(fēng)化作用強(qiáng)烈.由于裂隙密布,土體不連續(xù),大量雨水乘虛而入,濕脹干縮,循環(huán)反復(fù),使土體強(qiáng)度大大降低,惡化了土體的工程性質(zhì),在重力作用下,常產(chǎn)生邊坡土體剝落、坍塌滑坡等病害.1.2抗剪作用我國的裂土多沉積于更新世第三紀(jì),系陸相沉積土,在漫長的地質(zhì)年代中承受了上覆地層壓力,處于超固結(jié)狀態(tài),卸荷后土的抗剪和抗壓強(qiáng)度均有降低,風(fēng)化破碎后強(qiáng)度更低.當(dāng)開挖地下洞室使土體具有臨空面時(shí),超固結(jié)力得以釋放而表現(xiàn)為洞室的頂部、邊墻、底部的過大變形,使工程結(jié)構(gòu)物破壞.1.3膨脹土體作用膨脹土的膨脹性與組成它的粘土礦物成分有關(guān),我國的膨脹土主要是蒙脫石及伊利石粘土礦物組成.此兩種強(qiáng)親水性粘土礦物遇水后產(chǎn)生的膨脹效應(yīng)比普通粘土顯著得多,對建筑物具有相當(dāng)強(qiáng)的破壞作用.膨脹性大小還與水的作用直接有關(guān),水分在土粒中的遷移是產(chǎn)生土體膨脹與收縮的直接原因.由于裂土的裂隙發(fā)育,水的滲入使土體產(chǎn)生膨脹,邊坡開挖后因卸載引起的應(yīng)力釋放均使邊坡土體變形鼓出,甚至使已有的圬工防護(hù)建筑開裂.膨脹產(chǎn)生的應(yīng)力還能使房屋建筑上部開裂破壞,不能正常使用,干縮濕脹的循環(huán)反復(fù),使膨脹土地基土強(qiáng)度降低,變形增大,地基出現(xiàn)不均勻沉降.2膨脹土地基的處理方法目前國內(nèi)外有關(guān)膨脹土地基處理的方法較多,加固技術(shù)也在逐漸發(fā)展,以下主要從加固機(jī)理、適用范圍與施工技術(shù)幾方面,結(jié)合膨脹土工程性質(zhì)的多年研究成果與我國大量工程實(shí)踐的應(yīng)用效果,介紹膨脹土地基的幾種主要處理方法:2.1不同地基膨脹土換土厚度的確定換土法是將膨脹土全部或部分挖掉,換填非膨脹粘性土、砂土、砂礫土或灰土,以消除或減少地基脹縮變形,其本質(zhì)是回避膨脹土的不良工程特性,從源頭上改善地基,是膨脹土地基處理方法中最簡單而且有效的方法.膨脹土地基的換土厚度由脹縮變形計(jì)算確定,使剩余部分土的脹縮變形量在允許范圍內(nèi).由于各地區(qū)的氣候不同,在一定深度以下膨脹土含水量基本不受外界氣候影響的臨界深度和臨界含水量有所不同,換土厚度應(yīng)根據(jù)膨脹土的強(qiáng)弱和當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c(diǎn)確定,一般可采用1.0～2.0m,強(qiáng)膨脹土換土厚度可用2.0m,中膨脹土用1.0～1.5m,但具體換土厚度要根據(jù)調(diào)查后的臨界深度來確定,最大厚度不宜超過3.0m.在地基膨脹土層較薄情況下,該法比較可靠,且能徹底根治膨脹土的危害.主要適用于路床基底、渠道、膨脹性土層出露較淺的建筑場地或?qū)Σ痪鶆蜃冃斡袊?yán)格要求的建筑物地基,但對于大面積的膨脹土分布地區(qū)顯得不經(jīng)濟(jì),生態(tài)環(huán)境效益較差.2.2砂石石層治療膨脹土變形的作用墊層法與換土法施工過程基本相同,也主要應(yīng)用于薄的膨脹土層及主要脹縮變形層不厚的情況,但對膨脹土層較厚的地基可采用部分挖除,鋪設(shè)砂、碎石墊層抑制膨脹土的升降變形引起的危害,其作用主要是減少地基脹縮變形和調(diào)節(jié)膨脹土地基不均勻沉降量,具有補(bǔ)償功能.此外,砂石層還可防止地下水毛細(xì)作用上升使地基不受凍脹作用的影響,施工簡單,就地取材還能節(jié)約投資,是處理膨脹土地基的一種較為適用和經(jīng)濟(jì)的方法.在平坦場地上I、Ⅱ級膨脹土地基處理中,可用于輕型建筑物地基處理外,還廣泛用于道路、堆場等,但在長期干旱地區(qū)而又有可能浸水的房屋中不宜采用.2.3保水性的測定濕度控制法是通過控制膨脹土含水量的變化,保持地基中的水分少受蒸發(fā)及降雨入滲的影響,從而抑制地基的脹縮變形.目前比較成功的保濕方法有:預(yù)浸水法、暗溝保濕法、帷幕保濕法和全封閉法.2.3.1預(yù)浸水系統(tǒng)對于建設(shè)膨脹土的影響預(yù)浸水法是在施工前用人工方法增加地基土的含水量,使膨脹土層全部或部分膨脹,并維持高含水量,從而消除或減少膨脹變形量.我國幅員遼闊,氣候差異大,膨脹土預(yù)浸水后難以保持土中的高含水量使土體積不發(fā)生變化.常在干旱季節(jié)產(chǎn)生更大的收縮變形.另外,由于浸水后膨脹土的強(qiáng)度和變形指標(biāo)急劇降低,承載力一般在100kpa左右,在路基工程中,也無法保證路基所要求的足夠強(qiáng)度和剛度,還會(huì)使路基在中后期會(huì)因失水產(chǎn)生收縮變形,出現(xiàn)干裂縫.因此,雖然預(yù)浸水在建造初期時(shí),可以起到重要作用,但在膨脹土上建造房屋基礎(chǔ)時(shí),預(yù)浸水法作為一種獨(dú)立應(yīng)有的地基處理技術(shù)應(yīng)慎重.2.3.2保濕暗溝處理暗溝保濕法的原理與預(yù)浸水法相近,主要是利用膨脹土的脹縮性與含水量密切相關(guān)的原理,讓膨脹土地基充分浸水至膨脹穩(wěn)定含水量,并保持該含水量不發(fā)生變化,則地基既不會(huì)產(chǎn)生膨脹變形,也不會(huì)產(chǎn)生收縮變形,從而保證建筑物受地基脹縮變形而引起破壞.保濕暗溝適用于有經(jīng)常水源的三層以下房屋的處理,對于無經(jīng)常水源的房屋、強(qiáng)膨脹土地基和長期干旱地區(qū)不得采用.2.3.3背景材料的背景和背景帷幕保濕法是用不透水材料做成的帳幕設(shè)置于建筑物兩側(cè),用以截?cái)嗟鼗兴窒蛲廪D(zhuǎn)移或地基外的水分進(jìn)入地基,保證地基中水分的相對穩(wěn)定,從而達(dá)到消除地基土脹縮變形目的.帷幕形式有填砂的塑料薄膜帷幕、填土的塑料薄膜帷幕、瀝青油氈帷幕以及塑料薄膜灰土帷幕等.帷幕埋深由建筑場地條件和當(dāng)?shù)卮髿庥绊懠眲由疃葋泶_定,根據(jù)地基土層水分變化情況,在房屋四周分別采取不同帷幕深度以截?cái)鄠?cè)向土層水分的轉(zhuǎn)移,帷幕配合1.5m寬散水進(jìn)行地基處理,效果明顯,尤其當(dāng)膨脹土地基上部覆蓋層為卵石、砂質(zhì)土等透水層時(shí),采用該法防止側(cè)向滲水浸入地基,效果良好.帷幕保濕法既可用于新建房屋,也可用于已損壞房屋的修繕處理,前者通常情況下是在建房的同時(shí)建造帷幕.2.3.4膨脹土干燥法由于全封閉法一般在膨脹土路堤中應(yīng)用,又稱為包蓋法或包邊路堤,主要在膨脹土廣泛分布的地區(qū),出于經(jīng)濟(jì)上的考慮和受填料條件所限,不得不采用弱膨脹土和中膨脹土填筑路堤時(shí),直接用接近最佳含水量的中、弱膨脹土填筑路堤堤心部位,用普通粘土或改性土作為路堤兩邊邊坡與基底及頂面的封層,從而形成包心城方,讓膨脹土永久地封存在非膨脹土之中,避免膨脹土與外界大氣直接接觸,保持膨脹土濕度的穩(wěn)定,使其失去脹縮性,從而成為良好的路基填料.在通常情況下,全封閉法僅適用于非浸水路堤.為了能確保封閉效果,有效地限制堤內(nèi)膨脹土濕度變化,封層應(yīng)有相當(dāng)?shù)暮穸?其中,邊坡處往往是施工碾壓的薄弱部位,如果封閉土與路堤土一道分層填筑壓實(shí),并達(dá)到同樣的壓實(shí)度,則處理效果會(huì)更好.綜上所述,濕度控制法是處治膨脹土的一種好方法,應(yīng)視當(dāng)?shù)貧夂虺睗癯潭扰c膨脹土厚度而定,對于強(qiáng)膨脹土很厚的情況,具有較好的經(jīng)濟(jì)可行性.但迄今為止,對蒸發(fā)與降雨條件下膨脹土的濕度遷移規(guī)律與力學(xué)效應(yīng)還未取得足夠清晰的認(rèn)識,因此,濕度控制法處理膨脹土的設(shè)計(jì)理論還需作大量的研究,并在工程實(shí)踐中不斷完善.2.4膨脹土的特性壓實(shí)控制法的實(shí)質(zhì)是用機(jī)械方法將膨脹土壓實(shí)到所需要的狀態(tài),充分利用膨脹土的強(qiáng)度與脹縮特性隨含水量、干密度及荷載應(yīng)力水平的變化規(guī)律,盡量增大擊實(shí)膨脹土的強(qiáng)度指標(biāo),提高地基承載力與減小脹縮性,以達(dá)到工程建設(shè)的需求.由于膨脹土的最大干密度隨擊實(shí)功的增大而增大,含水量隨擊實(shí)功的增大而減小.膨脹土的干密度增大同時(shí)含水量減小,導(dǎo)致其凝聚力和內(nèi)摩擦角增大,地基承載力增加;但其擊實(shí)后的脹縮性并沒有受到抑制.因此,該法應(yīng)用范圍有限,只針對弱膨脹土,且造價(jià)很低,適用于地基承載力滿足要求而附加荷載又大于其膨脹力的建筑物,對輕型建筑可能會(huì)造成一定的破壞.實(shí)際應(yīng)用較多的情況是通過合理控制壓實(shí)標(biāo)準(zhǔn),利用弱膨脹土作為路基填料來修建路堤.2.5國內(nèi)法律探討土質(zhì)改良法顧名思義就是在膨脹土中摻人其他材料,使其物理、力學(xué)特性得到改善,克服其不良的濕熱敏感性,而能滿足工程的使用要求.目前對土質(zhì)改良法子類歸屬尚不規(guī)范,不同部門行業(yè)與工程手冊等還沒有統(tǒng)一.從膨脹土的土質(zhì)改良實(shí)質(zhì)出發(fā),宜按其加固機(jī)理不同而區(qū)分.人們采用的改良處理方法,總的來說可以分為物理改良法、化學(xué)改良法和生物改良法.2.5.1膨脹土的分類物理改良法就是在膨脹土中加入按一定比例的無機(jī)料(如石灰、粉煤灰、礦渣等)或其混合料改變其物理性狀的方法.其中可以分為夯實(shí)法、樁基法.夯實(shí)法又稱為擊實(shí)法或壓實(shí)法,即用機(jī)械方法將膨脹土壓實(shí)到所需的性狀.擊實(shí)膨脹土地基以增大土的干密度和減小土的含水量,從而使其凝聚力和內(nèi)摩擦角增大,地基承載力增加.但是膨脹土的脹縮性并沒有得到抑制,這種改良法只適用于弱膨脹性土.樁基法是利用樁加固膨脹土地基使其達(dá)到要求,按照樁型可以分為砂樁、預(yù)制方樁、粉噴樁、樹根樁等.2.5.2化學(xué)改性劑的應(yīng)用化學(xué)改良法是利用有機(jī)或無機(jī)改良劑抑制膨脹土的脹縮性,改善膨脹土的工程性質(zhì).化學(xué)改良法從理論上講可以根本解決膨脹土的脹縮性,可以起到一勞永逸的效果.依據(jù)化學(xué)改性劑的物狀可以分為無機(jī)改性法、有機(jī)改性法兩種.無機(jī)改性法依據(jù)無機(jī)改性添加劑的種類可以分為石灰改性法、生石灰改性法、混合料改性法、礦碴改性法、瀝青改性法、NCS改性法、高強(qiáng)高耐水土體改性、SSS型改性法以及其它改性法.有機(jī)改性法根據(jù)改性劑的不同可以分為H24改性法、ISS改性法、尿素改性法.2.5.3土工織物改性法.一般意義根據(jù)不同的材料可以分為植物改性法和土工織物改性法.植物改性法是對膨脹土地段的公路邊坡采用種植植物的生物技術(shù)進(jìn)行治理和防護(hù)的方法.經(jīng)過試驗(yàn),發(fā)現(xiàn)一般情況下生長3～4個(gè)月刺槐、香根草等可以形成綠籬帶,可以攔截泥沙防止水土流失,生長6～8個(gè)月后其長而密的根系可以起到穩(wěn)定土的作用.土工織物是一種應(yīng)用于工程的新材料,它具有耐腐蝕、強(qiáng)度高等特點(diǎn),同時(shí)具有排水反濾性能,用它