浅议膨胀土地基稳定性分析

中国地质大学（武汉）远程与继续教育学院毕业设计（论文）PAGEPAGE2题目：浅议膨胀土地基稳定性分析中国地质大学网络教育学院本科毕业论文试析混凝土的施工温度与裂缝目录一、膨胀土的基本特性 5（一）超固结性 6（二）强膨胀性 6（三）多裂隙性 6二、膨胀土地基 6（一）膨胀土的工程特性 7（二）膨胀土的鉴别 7（二）建筑物变形计算 7（三）地基设计 8三、膨胀性土地基处理的有效措施 9（一）压实控制法 9（二）垫层法 9（三）湿度控制法 9（四）换土法 9（五）土质改良法 10四、工程实例 11五、结论 12致谢 13参考文献 14摘要1938年发现轻型砖砌房屋大量破坏以后，这种现象才引起岩土工程界的注意。到目前为止，对膨胀土的物质构造、变形特征、房屋破坏机理、工程设计与处理等已经有了基本认识，并逐渐发展成为土力学的一个分支学科。正确认识和掌握膨胀性土的特性规律，是确保工程建筑物安全和满足使用要求的关键。本文介绍了膨胀土的基本特性，提出了膨胀性土地基处理的有效措施。膨胀土边坡稳定性的工程实例关键词：膨胀土膨胀土地基稳定性有效措施一、膨胀土的基本特性膨胀土是指土的粒径为0.002mm的颗粒成分主要由强亲水性矿物(如蒙脱石、伊利石)组成且具有显著的胀缩可逆特性的粘性土。在世界范围内,膨胀土的分布十分广泛,根据已有的资料,6大洲40多个国家已发现有这种特殊土。我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一,且先后发现有膨胀土危害的地区已达20多个省、市、自治区。膨胀土又称裂隙粘土或裂土,是粘土的一种,因而具有粘性土的一般性质。但它作为一类特殊的粘土,又具有一般粘土所没有的3种基本特性,即超固结性、干缩湿胀性和多裂隙性。（一）超固结性我国的裂土多沉积于更新世第三纪,系陆相沉积土,在漫长的地质年代中承受了上覆地层压力,处于超固结状态,卸荷后土的抗剪和抗压强度均有降低,风化破碎后强度更低。当开挖地下洞室使土体具有临空面时,超固结力得以释放而表现为洞室的顶部、边墙、底部的过大变形,使工程结构物破坏。（二）强膨胀性膨胀土的膨胀性与组成它的粘土的矿物成分有关。我国的膨胀土主要是蒙脱石及伊利石粘土矿物组成。此两种强亲水性粘土矿物遇水后产生的膨胀效应比普通粘土显著得多,对建筑物具有相当强的破坏作用。膨胀土的膨胀性除与组成它的粘土的矿物成分有关外,还与水的作用直接有关,水分在土粒中的迁移是产生土体膨胀与收缩的直接原因。由于裂土的裂隙发育,水的渗入使土体产生膨胀,边坡开挖后因卸载引起的应力释放均使边坡土体变形鼓出,甚至使已有的圬工防护建筑开裂。膨胀产生的应力还能使房屋建筑上部开裂破坏,不能正常使用,干缩湿胀的循环反复,使膨胀土地基土强度降低,变形增大,地基出现不均匀沉降。（三）多裂隙性从外貌特征看,裂土表面布满了不规则的多边形裂隙或网状裂缝,多呈张开的楔形将裂土分割成各种几何形态的块体。裂隙有原生及次生之分。原生裂隙多为闭合状,裂隙面光滑,常呈腊状光泽。当暴露地表,受风化作用影响裂隙面常张开,并有次生的灰白粘土充填。次生裂隙以风化型为主,在半干旱地区,尤其是年蒸发量大于年降水量的地区,裂土的干缩湿胀效应非常显著,使裂土表层风化作用强烈。由于裂隙密布,土体不连续,大量雨水乘虚而入,湿胀干缩,循环反复,使土体强度大大降低,恶化了土体的工程性质,在重力作用下,常产生边坡土体剥落、坍塌滑坡等病害。二、膨胀土地基1938年发现轻型砖砌房屋大量破坏以后，这种现象才引起岩土工程界的注意。到目前为止，对膨胀土的物质构造、变形特征、房屋破坏机理、工程设计与处理等已经有了基本认识，并逐渐发展成为土力学的一个分支学科。（一）膨胀土的工程特性引起膨胀的主要物质是蒙脱石，它具有较大的比表面及阳离子交换量，在与水相互作用过程中，能吸水引起粒间膨胀及矿物晶体膨胀。膨胀后的土体强度急骤降低、膨胀势能减弱。遇有蒸发可能时，土的含水量也减少，体积随之收缩，吸附能力增加。膨胀-收缩-再膨胀的反复可逆变形特性是膨胀土与其他土的基本区别。土中的水因外界环境条件的改变而不断转移称为水分转移，它是引起膨胀收缩的重要原因。没有水的补给，膨胀变形不可能产生；没有失水条件，收缩也不会发生。促使水分转移的环境因素有三：1、气候的变化，包括季节性降雨、蒸发、气温及湿度等。它直接影响接近地表的一定深度内的土层的含水量。离地表愈近，含水量的变化幅度愈大;到一定深度时，气候的影响很小,含水量也比较稳定。这个深度称为气候影响深度，一般为1～3米。如基础位于此深度以内，则可观测到它随着降雨和蒸发作周期升降运动。2、由于建筑物、地坪、散水、路面等覆盖了原有地面，覆盖面以下的含水量将因水的气态和液态的热转移而增高，使建筑物上升，地坪、地面隆起。3、施工期大挖大填和平整场地破坏了原有的水分平衡，局部曝晒及浸水引起局部含水量发生变化，都能促使水分转移。（二）膨胀土的鉴别识别膨胀土有三种方法：1、矿物鉴定法。如:X射线折射法、差热法、电镜辨别法、化学分析法等。目的是直接测定矿物成分及其结构。蒙脱石含量超过10％并处于胶凝状态时，就足以引起较大膨胀。2、物理指标判别法。如：自由膨胀率法、缩限法、活性法等。这些方法是通过物理指标与膨胀性能相关的统计得出的，优点是简单易行。3、力学测定法。直接用膨胀仪和收缩仪测定原状土的膨胀力、膨胀系数和收缩系数等指标，并计算变形量。中国目前采用综合法，即：根据土的自由膨胀率及现场调查结果（包括地形地貌、野外地质特征、土的裂隙与结构形态等）综合考虑，待初步判别为膨胀土后，再进行力学测定和计算变形量，作为地基评价及设计的依据。（三）建筑物变形计算膨胀土地基上的建筑物变形可大致分为上升型、升降型、下降型三类。各类变形都与外界因素及起始含水量有关。在半干旱地区，土的起始含水量很低，一般出现上升型；在温带半湿润气候下，土的起始含水量在塑限附近波动，多出现升降型；当含水量达1.2倍塑限以上时,或由于生产设备的热力作用导致地基土干燥时,则出现下降型。实际上变形颇为复杂,有时,同一栋房屋南面下沉、北面上升,或者中部上升、四角下沉。因此，预估建筑物各点的升降值是极为困难的，目前仅能反映若干年内变形的最大幅值。膨胀上升变形值SH与收缩下沉值SS分别由下两式表达：式中h为某层土的计算厚度；ep为某层土在压力p（附加压力与自重压力之和）作用下的膨胀率；eS为某层土的竖向收缩系数,即减少1％含水量时的线收缩率；Δw为某层土天然含水量与最小含水量之差;K1、K2为工作条件系数。计算深度由实际情况确定,一般小于5米。对于升降型变形幅度可取膨胀上升值变形与收缩下沉值之和。基础埋深一般宜大于1米,以避开气候急骤影响层。地基设计设计时主要考虑:①坡体的稳定性;②不同结构可能承受的变形。膨胀土属于易产生浅层滑动的特殊土,因此,治坡是保证建筑安全的首要措施。膨胀土边坡稳定角较低，一般为11°～14°，层状土质边坡稳定角还需由层面与坡面的变角确定。过去对该特性缺乏认识，由坡体蠕动引起的房屋损坏事故很多。因此，在处理时应先做好整体规划,防止大挖大填；施工时做好场区排水及抗滑挡墙,挡墙背后宜填非膨胀土，以减少膨胀压力。根据膨胀土地基已建房屋调查，排架结构、高耸结构和三层以上的砌体结构都比较完好,变形幅度亦小;在三层及三层以下的砖石结构中，以一层房屋损坏较严重，二层次之，三层又次之；坡地上的房屋损坏又比平坦地形上的重。针对这种情况，目前，所采取的主要措施偏重于减少变形幅度及其差异变形。具体做法为：1、适当增加基础埋深和增大基底压力，以限制其膨胀变形幅度，如：独立基础（见基础）、桩基础、换土垫层（见换土法）等。2、稳定地基土含水量，减少蒸发量，控制下沉。各种保湿措施都属此类，其中常用的有：用松散材料做垫层的宽散水，在缓坡地带采用低挡墙以减少坡面蒸发，以及在房屋四周种草植树等。3、增加墙体强度，如增设圈梁或墙体配筋等。这些措施只有根据各地的实际情况选用，才能收到较好的技术和经济效益。对于有热源的设备基础如隧道窑和均热炉等，要防止热量传入地下以减少收缩下沉，常用的有效方法是在基础中增设通风层，用通风装置及时排出热空气。地坪隆起与开裂是普通存在的现象，解决的方法是大量换土或做架空地板。但由于费用较大，这种方法目前仅在修建工业厂房时采用。使用期间的维护对延长建筑物的使用期限是至关重要的。经常检修管道，排除积水，可避免局部地基浸水膨胀而引起的房屋损坏。三、膨胀性土地基处理的有效措施（一）压实控制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。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始强度、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,击实膨胀土才可能兼顾到较高的强度和较低的胀缩性。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,只要压实度控制得好,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的科学控制是压实控制法处理弱膨胀土的关键。（二）垫层法垫层法与换土法施工过程基本相同,主要应用于较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,铺设砂垫层、碎石垫层抑制膨胀土的升降变形引起的危害,其作用主要是减小地基胀缩变形和调节膨胀土地基沉降量,具有补偿功能。此外,砂土层还可防止地下水毛细作用上升使地基不受膨胀作用的影响。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。（三）湿度控制法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、帐幕保湿法和全封闭法。（四）换土法换土法是将膨胀土全部或部分挖掉,换填非膨胀黏性土、砂土、砂砾土或灰土,消除或减小地基胀缩变形,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。换土法施工工艺简单,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,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,并采取一些如排水辅助措施,能从根本上消除膨胀土的灾害。（五）土质改良法1、物理改良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。2、化学改良法（1）石灰土。石灰改良膨胀土的主要作用是使膨胀土的液限、膨胀性与粘粒含量降低,显著提高土的塑限与强度,增大最佳含水量与降低最大干密度,从本质上改变膨胀土的工程特性。由于石灰能有效抑制膨胀土的胀缩趋势,又具有经济与实施方便的优点,在工程界应用十分普遍。（2）水泥土。是用土料、水泥和水经过拌和的混合物,应用于膨胀土地区的衬砌尤其广泛。水泥土与石灰土的不同之处在于,前者的早期效应比后者明显,且水泥可产生更大的凝聚作用,引起的凝聚反应使黏土层之间的胶结力增大,从而使土处于更加稳定的状态,其强度和耐久性比石灰土提高幅度更大,但就膨胀而言,石灰是更好的稳定掺合剂,水泥用于加固膨胀土的掺入量一般为4%~6%。（3）NCS固化剂。施工实践表明,NCS固化剂具有较强的吸水性和显著提高土体强度的作用,以及固化土具有较好的水稳定性和冻融稳定性,在天然含水量较高的地区,采用6%~10%的NCS固化剂处理膨胀土,其收缩性小于石灰土,与采用石灰土处理土基及用石灰土作底基层相比,提高了路基、路面的整体强度,且在工程的管理、运输使用和配制混合料等方面都比常用的消石灰或生石灰方法简便,可以明显提高工程质量和加快施工进度,并易于控制密实度及均匀性,对施工操作人员与周围环境污染影响甚微,值得推广应用。（4）压力喷注灌浆。压力喷注灌浆加固膨胀土是通过灌浆压力作用,充分利用膨胀土中存在的大量裂隙,将化学改良剂或胶凝材料配制成一定浓度的浆液注入土体的裂隙和孔隙中,使浆液与土发生一系列的物理化学反应,达到土体改性、加固、抑制膨胀性的目的。3、综合改良法综合改良法是利用物理改良与化学改良加固机理,既改变膨胀土的物质组成结构,又改变其物理力学性质,集成化学改良土水稳定性较好、有较大的凝聚力和物理改良材料有较高内摩擦角及无胀缩性的优势,达到强化膨胀土的土质改良效果。出于该法常充分利用一些固体废弃物与价格低廉的材料,如粉煤灰、矿渣与砂砾石等,有利于环境保护,且改良质量良好,得到了工程界的普遍重视。四、工程实例南阳某地区中膨胀土边坡，颇高17米，膨胀土干容重为16.4kN/m³，天然含水量为23%，饱和含水量为38%。根据实勘资料得到当地膨胀土地温，含水量沿深度变化范围值见表1.再结合地区资料（南阳膨胀土分布地区大区影响深度多在3～5m）以及当地湿度系数为0.767，进行综合考虑，取风化4.0m。表1年地温、含水量沿深度变化范围值垂直坡面深度/米年地温变化范围值/℃坡腰年含水量变化范围值/%0.519.865.941.014.585.431.511.324.792.08.814.182.57.173.973.05.734.183.54.463.884.02.962.484.52.682.125.02.142.02边坡膨胀土的击实土样在不同含水量下的三轴慢剪实验结果见表2所列按照滑体的下滑力公式c=c0-α（w-w0）φ=φ0-b(w-w0)式中c0，φ0分别为初始含水量w0下的粘聚力和内摩擦：a，b分别回归系数：w为土体某一状态下的含水量。对于表2中总粘聚力、总内摩擦角随含水量变化的关系进行似合，得到的相关关系式如下：Ctotal=-134.88w+51.26φtotal=-35.49w+26.01考虑的现场的实际情况、大气剧烈影响层深度及地下水位深度等，取地表张拉裂缝密布区深度为1.6米，得到边坡稳定性。表2不同含水量膨胀土击实土样实验结果土样号W/%Ctotal/kPaΦtotal/(°)12022.021.8220.726.018.032217.016.042320.217.8523.323.015.562718.019.37326.014.0五、结论基础的型式很多，设计中应根据上部结构特性、工程地质、施工条件、环境条件、施工工期、经济条件和材料市场价格等方面的因素进行综合评价，选择既适应上部结构使用要求，又经济可行的地基处理方案。地基处理的方法很多，但不管采用何种方法，处理后的建筑