膨胀性土地基处理的有效措施分析
关键词：膨胀性土,地基处理,有效措施
膨胀性土的特殊物质成分构成在土体结构及其应力、变形和强度方面一系列极为复杂的内在因素，在许多外界条件的作用和影响下，土体会产生反复无常的胀缩变形，这种变形终于转化为正反两个方向的应力，直接作用在建筑物的地下结构部分，从而导致建筑物部分地或整体地破坏或者作为一种内力破坏着土的结构，而导致土体本身的失稳。因此，正确认识和掌握膨胀性土的特性规律，就成为确保工程建筑物安全和满足使用要求的关键。
膨胀土指的是具有较大的吸水后显著膨胀、 失水后显著收缩特性的高液限粘土。膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石,为一种高塑性粘土, 一般承载力较高, 具有吸水膨胀、 失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性, 性质极不稳定。常使建筑物产生不均匀的竖向或水平的胀缩变形,造成位移、开裂、倾斜甚至破坏, 且往往成群出现, 尤以低层平房严重, 危害性很大。裂缝具有外墙垂直裂缝, 端部斜向裂缝和窗台下水平裂缝, 内、 外山墙对称或不对称的倒八字形裂缝等特征; 地坪则出现纵向长条和网格状的裂缝。治理膨胀土, 确保工程安全与质量一直困扰着工程界, 是世界公认的技术难题。
一、膨胀土的基本特性
膨胀土是指土的粒径为0. 002 mm 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。
1、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。
2、 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。
3、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、膨胀性土地基处理的有效措施
1、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。
2、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。
3、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。
4、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。
5、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
a、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。
b、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%。
c、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。
d、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。
膨胀土是影响建筑物地基建设的一种特殊土质, 在实际工程中, 其破坏力是巨大的。 解决膨胀土的问题, 应着重从影响其物理、 力学性质变化的内在因素和外在因素上考虑, 从而通过改变土的力学性质达到处理的目的。
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