① 膨脹土處理技術
膨脹土是一類結構性不穩定的高塑性粘土,也是典型的非飽和土,它在世界范圍內分布極廣,迄今發現存在膨脹土的國家達40多個。我國是膨脹土分布最廣的國家之一,先後有20多個省、市和自治區發現有膨脹土,總面積在10×104 km2以上,成因以殘積或坡積為主。
膨脹土的典型特徵是具有裂隙性、膨脹性和超固結性,對氣候變化特別敏感。它們對其強度都有強烈的衰減影響,使得膨脹土的工程性能極差,病害十分嚴重。
膨脹土的災害防治處理,按工程對象劃分,可劃分成建築物地基的變形、邊坡穩定性、堤壩建築和硐室穩定性問題。引起膨脹土災害的內因主要為親水性礦物和以SiO2、Al2O3、Fe2O3為主的化學成分、粘粒含量、孔隙比、含水量及其微結構和結構強度;外因是氣候條件,如降雨及蒸發、作用壓力、地形地貌及綠化、日照和室溫。其中膨脹土的水分轉移與含水量變化是誘發其危害的關鍵因素,對其地基處理主要控制其脹縮性。
膨脹土地基的處理,應從上部結構與地基基礎兩方面著手,設缺畝計中除著重抓住控制膨脹土脹縮性這一主要矛盾,選擇合理的地基處理方法外,還需考慮上部結構的措施,加強構築物的整體性與抗變形能力。基於上述考慮,膨脹土地基處理的基本原則如下:
1)在膨脹土地基設計及處理時,首先應考慮場地地形的復雜程度及其對工程的影響,根據地形地貌條件可將場地分為平坦場地與斜坡場地兩種。針對前者,膨脹土地基按變形控制設計,並考慮氣候條件;後者除按變形控制設計外,還需驗算地基的穩定性,防止外部水分侵入與水平變形給邊坡帶來的嚴重危害,結合排水系統、坡面防護和設置支擋結構物綜合防治。
2)按照建築物對地基不均勻脹縮變形的適應能力和使用要求進行分類並區別對待,膨脹土地基處理應根據不同類型採取相應措施,使可能發生伏纖森的變形量控制到容許變形值范圍內。同一建築物不宜跨越不同的地貌單元、土層和工程地質分區,力求規劃簡單,不要局部突出或拐彎過多。必要時,應設置沉降縫斷開。
3)根據場地膨脹豎橘土的特性與脹縮等級、當地材料、工程類型與施工條件,並結合膨脹土埋深、厚度、大氣影響、上部荷載等因素,迴避或減緩膨脹土的不良特性、保持膨脹土工程特性的相對穩定性、改良膨脹土的本身性質以克服其濕熱敏感性,以及改變基礎形式與埋深,以提高地基的適應性,可選用有針對性的單一或綜合方法處理膨脹土地基。
目前國內外有關膨脹土地基處理的方法較多,加固技術也在逐漸發展,下面介紹膨脹土地基的幾種常用處理方法。
1.濕度控製法
濕度控製法是通過控制膨脹土含水量的變化,保持地基中的水分不受蒸發及降雨入滲的影響,從而抑制地基的脹縮變形。目前比較成功的保濕方法有:預浸水法、暗溝保濕法、帷幕保濕法和全封閉法。
(1)預浸水法
預浸水法是在施工前用人工方法增加土的含水量,使膨脹土層全部或部分膨脹,並維持高含水量,從而消除或減少膨脹變形量。
預浸水法只有在基底壓力不大且能保持地基土現有含水量的少數建築物施工時可以採用,如蓄水池、冷卻塔等。其最常用的施工方法是在場地上挖一系列80cm深的明溝,設置幾排調整含水量的豎井,溝底鋪25cm厚的熟石灰,再填滿石子,使溝內充水約1個月,直到周圍的土都已濕潤為止。
(2)暗溝保濕法
暗溝保濕法的原理與預浸水法相近,主要是利用膨脹土的脹縮性與含水量密切相關的原理,讓膨脹土地基充分浸水至膨脹穩定含水量,並保證該含水量不發生變化,則地基既不會產生膨脹變形,也不會產生收縮變形,從而保證建築物不因地基脹縮變形而引起破壞。保濕暗溝適用於有經常水源的3層以下房屋的處理,對無經常水源的房屋、強膨脹土地基和長期乾旱地區不得採用。
暗溝保濕法的具體做法:施工前預先在基槽中浸水,使地基在整個過程中不產生脹縮變形,建築施工結束後在地基兩側修建干砌磚石暗溝或接頭不密封的水泥管保濕暗溝,土溝底用0.5%的坡度,干砌磚暗溝溝底用1∶3水泥砂漿抹平,溝外側用砂填實,溝頂鋪砂25cm,上部回填素土,應分層夯實,定期向暗溝內供水。由於暗溝中的水向地基土滲透,故建築物使用過程中地基不產生膨脹變形。
(3)帷幕保濕法
帷幕保濕法是在建築物兩側設置用不透水材料做成的帷幕,用來截斷地基中水分向外轉移或地基外的水分進入,保證地基中水分的相對穩定,防止地基土脹縮變形。帷幕形式有砂帷幕、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。
帷幕埋深由建築場地條件和當地大氣影響急劇層深度來確定,根據地基土層水分變化情況,在房屋四周分別採取不同帷幕深度,以截斷側向土層水分的轉移,帷幕配合1.5m寬散水進行地基處理,效果明顯,尤其當膨脹土地基上部覆蓋層為卵石、砂質土等透水層時,採用該法防止側向滲水進入地基,效果良好。帷幕保濕法既可用於新建房屋,也可用於已損壞房屋的處理,前者通常情況下是在建房的同時建造帷幕。
建造帷幕時,帷幕深度應不小於基礎的最小埋深;不透水材料可用油氈,但一般應選用較厚的聚乙烯薄膜,一般宜用兩層,鋪設時台階部分不應少於10cm,並採用熱合處理;隔水宜採用2∶8或3∶7灰土回填,在塑料薄膜失效時,灰土仍可起防水作用,散水寬度一般不小於1.5m,但必須覆蓋帷幕,做法嚴格遵守規范規定。
(4)全封閉法
全封閉法一般在膨脹土路堤中應用,也稱為包蓋法或包邊路堤,主要在膨脹土廣泛分布的地區,出於經濟上的考慮和受填料條件所限,不得不採用弱膨脹土和中膨脹土填築路堤時,可直接用接近最佳含水量的中、弱膨脹土填築路堤堤心部位,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,從而形成包心填方,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,使其失去脹縮性,從而成為良好的路基填料。在通常情況下,全封閉法僅適用於非浸水路堤。
為了能確保封閉效果,有效地限制堤內膨脹土濕度變化,封層應有相當的厚度。在用膨脹土填築路基時,每一層鋪設厚度宜控制在30cm以內,先用普通粘土填包邊層,之後再填築膨脹土夾心層,包邊層和夾心層可同時碾壓,壓實後必須形成人字形路拱,並平整坡面。封頂層可用普通粘土填築,厚度一般不應小於1.5m,表面用碾壓機碾壓平整。邊坡包邊寬度不小於2.0m,並按設計要求做好梯形路拱,每一段路堤按標准施工完畢後,人工刷好邊坡,並拍打密實、平整,施工應選在非雨水季節。
2.土質改良法
土質改良法顧名思義就是在膨脹土中摻入其他材料,使其物理、力學特性得到改善,克服其不良的濕熱敏感性,從而能滿足工程的使用性能。目前對土質改良法子類歸屬尚不規范,不同部門、不同行業與工程手冊等還沒有統一。從膨脹土的土質改良法實質出發,按其加固機理不同而區比較合適。為此,將膨脹土的土質改良法劃分為物理改良法、化學改良法與綜合改良法。
(1)物理改良法
物理改良法是在膨脹土中添加其他非膨脹性固體材料,通過改變膨脹土原有的土顆粒組成及級配,從而減弱膨脹土的脹縮能力,達到改善其工程性質的目的。廠家的摻和料有風積土、砂礫石、粉煤灰與礦渣等。
物理改良法並沒有改變膨脹土的本性,主要適用於弱膨脹土的改良。採用該法處理膨脹土,需摻和較高的添加材料,實際選用時,需慎重考慮。
(2)化學改良法
化學改良法是利用在膨脹土中加入某種其他物質,並添加材料使加入物質與膨脹土中的粘土顆粒發生某種化學反應或物質交換過程,以達到降低膨脹土膨脹潛勢、增加強度和提高水穩定性的目的。該種處理方法的最大優點在於能從本質上改善膨脹土的不良工程性質,理論上可以根本消除膨脹土的脹縮性,是國內外膨脹土工程處理技術中的熱點領域,應用廣泛。
當前,應用化學加固膨脹土的添加材料種類較多,按形態既有固體添加劑、也有液體添加劑,按其化學成分劃分還有無機添加劑和有機添加劑等。
(3)綜合改良法
綜合改良法是利用物理改良與化學改良加固機理,既改變膨脹土的物質組成結構,又改變其物理力學性質,集化學改良土水穩定性較好和較大的凝聚力及物理改良材料有較高內摩擦角和無脹縮性的優點,達到強化膨脹土的土質改良效果。由於該法充分利用了一些固體廢棄物與價格低廉的材料,如粉煤灰、礦渣與砂礫石等,有利於環保,且改良質量良好,得到了工程界的普遍重視。當前在膨脹土工程建設中應用較多的有二灰土、石灰砂礫料與礦渣復合料等。
需要說明的是,在膨脹土的各種土質改良法中,均普遍存在著如何能達到添加劑均勻有效地改良膨脹土的施工問題,以及如何科學合理地確定質量控制指標與快速准確地進行摻入料計量問題。因此,除需繼續研究各種改良新方法外,加強其施工工藝的研究也十分必要。
此外,還可採用換填法、壓實控製法、樁基等方法進行膨脹土的處理,其設計和施工方法可參考相關規范。