膨胀土的工程性质及膨胀性的研究进展

膨胀土的工程性质及膨胀性的研究进展

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。它在世界广泛分布，具有断裂、收缩和过度固结，对气候变化特别敏感。主要原因是膨胀土的组成中含有超过30%的粘土，并由蒙脱石、伊利石和蒙-伊等强亲水性矿物主导。由于土壤含水量的变化，膨胀土基的土壤变形，最终导致建筑物变形和破坏。此外，它对土木工程的破坏往往是多发性的、反复性的、长期的，对建筑物的破坏往往是巨大的、随机的和长期的。1膨胀土的特性我国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一,先后发现有膨胀土危害的地区已达20多个省、市、自治区.如图1所示,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三种基本特性,即干缩湿胀性、多裂隙性和超固结性.在膨胀土地区修建的厂房、住宅、水利设施、机场、公路、铁路等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,如图2所示为因膨胀土地基引起的房屋开裂.1.1抗风固裂机理从外貌特征看,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.1.2抗剪作用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.1.3膨胀土体作用膨胀土的膨胀性与组成它的粘土矿物成分有关,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.膨胀性大小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.2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:2.1不同地基膨胀土换土厚度的确定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.2.2砂石石层治疗膨胀土变形的作用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不均匀沉降量,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,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.2.3保水性的测定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.2.3.1预浸水系统对于建设膨胀土的影响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.另外,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,还会使路基在中后期会因失水产生收缩变形,出现干裂缝.因此,虽然预浸水在建造初期时,可以起到重要作用,但在膨胀土上建造房屋基础时,预浸水法作为一种独立应有的地基处理技术应慎重.2.3.2保湿暗沟处理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.2.3.3背景材料的背景和背景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、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.2.3.4膨胀土干燥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,从而形成包心城方,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.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.2.4膨胀土的特性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,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.实际应用较多的情况是通过合理控制压实标准,利用弱膨胀土作为路基填料来修建路堤.2.5国内法律探讨土质改良法顾名思义就是在膨胀土中掺人其他材料,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要求.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.人们采用的改良处理方法,总的来说可以分为物理改良法、化学改良法和生物改良法.2.5.1膨胀土的分类物理改良法就是在膨胀土中加入按一定比例的无机料(如石灰、粉煤灰、矿渣等)或其混合料改变其物理性状的方法.其中可以分为夯实法、桩基法.夯实法又称为击实法或压实法,即用机械方法将膨胀土压实到所需的性状.击实膨胀土地基以增大土的干密度和减小土的含水量,从而使其凝聚力和内摩擦角增大,地基承载力增加.但是膨胀土的胀缩性并没有得到抑制,这种改良法只适用于弱膨胀性土.桩基法是利用桩加固膨胀土地基使其达到要求,按照桩型可以分为砂桩、预制方桩、粉喷桩、树根桩等.2.5.2化学改性剂的应用化学改良法是利用有机或无机改良剂抑制膨胀土的胀缩性,改善膨胀土的工程性质.化学改良法从理论上讲可以根本解决膨胀土的胀缩性,可以起到一劳永逸的效果.依据化学改性剂的物状可以分为无机改性法、有机改性法两种.无机改性法依据无机改性添加剂的种类可以分为石灰改性法、生石灰改性法、混合料改性法、矿碴改性法、沥青改性法、NCS改性法、高强高耐水土体改性、SSS型改性法以及其它改性法.有机改性法根据改性剂的不同可以分为H24改性法、ISS改性法、尿素改性法.2.5.3土工织物改性法.一般意义根据不同的材料可以分为植物改性法和土工织物改性法.植物改性法是对膨胀土地段的公路边坡采用种植植物的生物技术进行治理和防护的方法.经过试验,发现一般情况下生长3～4个月刺槐、香根草等可以形成绿篱带,可以拦截泥沙防止水土流失,生长6～8个月后其长而密的根系可以起到稳定土的作用.土工织物是一种应用于工程的新材料,它具有耐腐蚀、强度高等特点,同时具有排水反滤性能,用它