第十三章膨胀土地基上的建筑物裂缝分析实例

第十三章膨胀土地基上的建筑物裂缝分析实例

返回总目录 第 13 章膨胀土地基上的建筑物裂缝分析实例 教学提示：关于膨胀土地基，虽然已有了较完整的规范，但对膨胀土灾害的认识深度还很不够。本章从规范到实践，从理论到实际对膨胀土地基进行了较全面地论述。 教学要求：建议引导学生用批判的精神来阅读这一章。重点要引导学生寻求可靠性高、经济代价低的关于防治农村低标准建筑膨胀土灾害的技术手段。 如果对膨胀土的特性缺乏充分了解，在设计和施工过程中没有采取必要的措施，就利用膨胀土作为建筑物地基，则会给建筑物的结构稳定性与安全造成危害，尤其对三至四层以下的低层轻型建筑，膨胀土地基可能给建筑带来摧毁性的大灾难！ 我国自从 20 世纪 60 年代开始对膨胀土地基进行了比较系统的研究，在膨胀土灾害防治方面，取得了不少成果。其特点是各有关部门针对本部门建筑物的需要，各自进行了防治方法的专门研究，创造了不少防治办法。随着对膨胀土胀缩灾害防治方法研究的进一步深入，一次性投入进行预防的成功率愈来愈高。应该指出的是，对于膨胀土地基灾害防治来说，其主要防治对象是量大面广、而建造标准却偏低的农村建筑。因此，简化防治措施、降低防治成本才是课题研究的重点。 膨胀土对建筑物的危害 膨胀土的特征 膨胀土的工程特性指标 膨胀土场地与地基评价 膨胀土地基计算 本章内容 思考题与习题 工 程 实 例 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 膨胀土地基的工程处理措施 膨胀土对建筑物的危害 由于膨胀土通常强度较高、压缩性低，易被误认为是良好的地基。实际上膨胀土同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性。膨胀土地基的胀缩作用能造成基础位移，建筑物和地坪开裂、变形而破坏。例如某地建造 96 幢建筑物，其中 82 幢因膨胀土的胀缩作用而变形，事故发生率占 85.4% ；另一地区 200 多幢建筑物，几乎都发生了开裂事故，其中损坏严重无法使用的有 40 多幢，被迫拆除的 10 多幢。调查表明，膨胀土地基上建筑物的开裂，通常具有地区性成群出现的特点，其中以低层砖木结构的民用房屋最为严重。 膨胀土地基对建筑的巨大危害，决不仅仅是我国独有的现象。值得注意的是，美国在上世纪 40 年代，曾经用于处理膨胀土对建筑物危害的费用超过了当时处理地震灾害费用若干倍。由此可见，膨胀土对建筑物的危害性应给予足够的重视。根据“负负得正”的减灾经济效益计算方法，对膨胀土地基进行综合治理，可以使膨胀土地区兴建的房屋、公路、桥梁等建筑物的结构安全性有极大的提高，建筑物的服役寿命得到延长，建筑物的维护费用降低，从而产生积极的经济效益和社会效益。因此，加强对膨胀土地基危害性及其防治措施的研究是十分必要的。 膨胀土的特征 一 . 野外特征 膨胀土一般分布在 Ⅱ 级以上的河谷阶地、陡坎台地、丘陵地区及山前缓坡地带，旱季时地表常出现裂缝，雨季时裂缝闭合。我国膨胀土生成的地质年代，大多数为第四纪晚更新世 (Q3) 及其以前，少量为全新世 (Q4) 。膨胀土的颜色呈黄色、黄褐色、红褐色、灰白色或花斑色等。膨胀土结构致密，呈坚硬或硬塑状态，一般液性指数，塑性指数。这种土距地表 1m ～ 2m 内常见竖向张开裂隙，向下逐渐尖灭，并有倾斜和水平方向裂缝。膨胀土地区的地下水多为上层滞水，随季节变化，水位变化也大，从而引起地基不均匀胀缩变形。 二 . 矿物成分 膨胀土的矿物成分主要是次生黏土矿物蒙特土和伊利土。蒙特土矿物晶格极不稳定，亲水性强，浸湿时发生强烈膨胀。伊利土的亲水性仅次于蒙特土。当地基土中含较多的蒙特土和伊利土时，遇水膨胀隆起，会产生强大的膨胀压力，对建筑物的危害很大。 膨胀土的特征 三 . 物理力学特性 根据一些地区膨胀土的试验资料整理结果如下。 (1) 天然含水量接近塑限，，一般饱和度。 (2) 天然孔隙比中等偏小。 (3) 液限 w L =30 ％～ 55% ，塑限 w p =20 ％～ 35% ，塑性指数 I p =18 ～ 35 ，多数 I p =22 ～ 35 之间。 (4) 黏粒和胶体含量高粒径 d ＜ 0.005mm 的颗粒占 24 ％～ 40 ％。 (5) 液性指数小， I L= － 0.14 ～ 0.00 ，呈坚硬或硬塑状态。 (6) 自由体积膨胀率 σeI =40% ～ 58% ，最高 >70 ％，相对线性膨胀率 δep =1% ～ 4% ，一般膨胀压力 pe =10kPa ～ 110kPa ，最高达 500kPa 以上。 (7) 缩限 ws =11% ～ 18% ，红黏土类型的膨胀土 ws 偏大。 (8) 抗剪强度指标 c 、 φ 值浸水前后相差大，尤其 c 值可差 2 倍～ 3 倍以上。 (9) 压缩性小，多属于低压缩性土。 膨胀土的特征 四 . 胀缩变形的因素 1. 主要内因 1) 矿物及化学成分 膨胀土含大量蒙特土和伊利土，亲水性强，胀缩变形大，化学成分以氧化硅、氧化铝和氧化铁为主。如氧化硅含量越大，则胀缩量越大。 2) 黏粒和胶体粒径，比表面积大，电分子吸引力大。因此黏粒和胶体含量高时，胀缩变形大。 3) 土的密度 如土的密度大、孔隙比小则浸水膨胀强烈，失水收缩小。反之，如土的密度小、孔隙比大，则浸水膨胀小，失水收缩大。 4) 含水量 当初始含水量与胀后含水量愈接近，则土的膨胀就愈小，收缩就愈大。反之，膨胀大，收缩小。 5) 土的结构 土的结构强度愈大，则限制胀缩变形的作用也愈大，当土的结构受到破坏后，膨胀性增大。 膨胀土的特征 2. 主要外因 1) 气候环境 包括降雨量、蒸发量、气温、相对湿度和地温等，雨季土中水分增加，土体发生膨胀；旱季水分减少，土体收缩。 2) 地形地貌 同类膨胀土地基，地势低处土层含水量比较稳定，胀缩变形比地势高处小。例如：云南地区某小学有三排教室，上部结构和地基土性质相同，分别建在三个台阶形地段的膨胀土上，结果地势高的教室严重破坏，地势低的教室完好无损。 3) 植被条件 建筑物周围如有灌木、花草等良好植被时，表层土体内含水量稳定，不易引发膨胀土胀缩灾害，但扎根较深的阔叶乔木对稳定土中含水量不利，反而容易导致灾害。 4) 朝向坡向 调查资料表明，膨胀土地区建筑，房屋向阳且逆坡面开裂较多。背阴且顺坡面开裂较少。如图 13.1 所示。 图 13.1 朝向与坡向 膨胀土的特征 五 . 工程地质分类 我国膨胀土的工程地质分类，按地貌、地层、岩性与矿物成分等分为三类，详见表 13-1 。 表 13-1 膨胀土工程地质分类 类别 地貌 地层 岩性 矿物 成分 物理性指标 分布的典型地区 w (%) e w L (%) l p 一类 分布在盆地的边缘与丘陵地 晚第三纪至第四纪湖相沉积及第四纪风化层 以灰白、灰绿的杂色黏土为主 ( 包括半成岩的岩石 ) ，裂隙特别发育，常有光滑面或擦痕 以蒙 脱石 为主 20 ～ 37 0.6 ～ 1.1 45 ～ 90 21 ～ 48 云南蒙自、鸡街，广西宁明，河北邯郸，河南平顶山，湖北襄樊 二类 分布在河流的阶地 第四纪冲积、洪积坡洪积层 ( 包括少量冰川沉积 ) 以灰褐、褐黄、红黄色黏土为主，裂隙很发育，有光滑面与擦痕 以伊 利石 为主 18 ～ 23 0.5 ～ 0.8 36 ～ 54 18 ～ 30 安徽合肥，四川成都，湖北拔江，郧县，山东临沂 三类 分布在岩溶地区平原谷地 碳酸盐类岩石的残积、坡积及其冲积层 以红棕、棕黄色高塑性黏土为主，裂隙发育，有光滑面和擦痕 27 ～ 38 0.9 ～ 1.4 50 ～ 110 20 ～ 45 广西贵县、来宾、武宣 膨胀土的工程特性指标 一 . 自由体积膨胀率 自由膨胀率 为人工制备的烘干土，在水中增加的体积与原体积的比，按下式计算 (13-1) 式中： —— 自由膨胀率， % ； —— 土样在水中膨胀稳定后的体积， mL ； —— 土样原有体积， mL 。 二 . 相对线性膨胀率 膨胀率为试样在一定压力下浸水膨胀稳定后试样增加的高度与原高度之比，按下式 计算： (13-2) 式中： —— 膨胀率； —— 土样浸水膨胀稳定后的高度， mm ； —— 土样的原始高度， mm 。 膨胀土的工程特性指标 三 . 收缩系数 收缩系数为原状土样在直线收缩阶段，含水量减少 1% 时的竖向线缩率，按下式计算 (13-3) 式中： —— 收缩系数； —— 收缩过程中与两点含水量之差对应的竖向线缩率之差， % ； —— 收缩过程中直线变化阶段两点含水量之差， % 。 四 . 膨胀力 膨胀力为原状土样在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力，由试验测定。 膨胀土场地与地基评价 一 . 膨胀土判别 膨胀土中的黏粒和胶体成分主要由强亲水性矿物组成。具有下列工程地质特征的场 地、且自由膨胀率 的土，应判定为膨胀土。 (1) 裂隙发育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填着灰白、灰绿色黏土。在自然条件下呈坚硬或硬塑状态。 (2) 多出露于二级或二级以上阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形坡降较大或濒临陡坡的台地。 (3) 常见于浅层塑性滑坡、地裂、新开挖坑 ( 槽 ) 壁等易发生坍塌处。 (4) 建筑物裂缝随气候变化而张开或闭合。 膨胀土场地与地基评价 二 . 膨胀土的膨胀潜势 根据自由膨胀率的大小，膨胀土的膨胀潜势可分为弱、中、强三类，见表 13-2 。 表 13-2 膨胀土的膨胀潜势分类 ( ％ ) 膨胀潜势 40≤ δ ef <65 弱 65≤ δ ef <90 中 δ ef ≥90 强 膨胀土场地与地基评价 三 . 膨胀土的建筑场地 根据地形地貌条件，膨胀土的建筑场地可分为下列两类。 1. 平坦场地 平坦场地为地形坡度小于 5° ，或地形坡度大于 5° 小于 14° ，距坡肩水平距离大于 10m 的坡顶地带。 2. 复杂台地 场地为地形坡度大于或等于 5° ，或地形坡度虽然小于 5° ，各建筑物之间存在高差或同一座建筑物范围内局部地形高差大于 1m 。这类场地对建筑物更为不利。 膨胀土场地与地基评价 四 . 膨胀土地基的胀缩等级 根据地基的膨胀、收缩变形对低层砖混结构房屋的影响程度，膨胀土地基的胀缩等级按表 13-3 分为 I 、 II 、 III 级，等级越高其胀缩性越大，以此作为膨胀土地基的评价。 表 13-3 膨胀土地基的胀缩等级 地基分级变形量 s c (mm ) 胀缩等级 15≤ s c <35 I 35≤ s c <70 II s c ≥70 III 注：地基分级变形 s c 按公式 (13-9) 计算，式中膨胀率采用的压力应力为 50kPa 。 膨胀土地基计算 一 . 地基土的膨胀变形量 地基土的膨胀变形量 应按下式计算 (13.4) 式中： —— 地基土的膨胀变形量， mm ； —— 计算膨胀变形量的经验系数，宜根据当地经验确定，若无可依据经验时，三层及三层以下建筑物，可采用 0.6 ； —— 基础底面下第 i 层土在该层土的平均自重压力与平均附加压力之和作用下的膨胀率，由室内试验确定； —— 第 i 层土的计算厚度， mm ； n —— 自基础底面至计算深度内所划分的土层数，计算深度应根据大气影响深度确定；有浸水可能时，可按浸水影响深度确定。 膨胀土地基计算 二 . 地基土的收缩变形量 地基土的收缩变形量 应按下式计算 (13-5) 式中： —— 地基土的收缩变形量， mm ； —— 计算收缩变形量的经验系数，宜根据当地经验确定，若无可依据经验时，三层及三层以下建筑物，可采用 0.8 ； —— 地基土收缩过程中，第 i 层土可能发生的含水量变化的平均值，以小数表示，按公式 (13-6) 计算。 n —— 自基础底面至计算深度内所划分的土层数。计算深度可取大气影响深度，应由各气候区土的深层变形观测或含水量观测及地温观测资料确定；无此资料时，可按表 13-4 采用。 膨胀土地基计算 在计算深度内，各土层的含水量变化值 应按下式计算 (13-6) 式中： —— 第 i 层土的深度， mm ； —— 计算深度，可取大气影响深度， m ； —— 按下式计算 (13-7) 式中： 、 —— 地表下 1.0m 处土的天然含水量和塑限含水量，以小数表示； —— 土的湿度系数，应根据当地 10 年以上的含水量变化及有关气象资料统计求出。无此资料时，可按下式计算 膨胀土地基计算 (13-8) 式中： —— 膨胀土湿度系数，在自然气候影响下，地表下 1m 处土层的含水量可能达到的最小值与其塑限值之比； —— 当地 9 月至次年 2 月的蒸发力之和与全年蒸发力之比值； c —— 全年中干燥度大于 1.00 的月份的蒸发力与降水量之总和， mm ；干燥度为蒸发力与降水量之比值。 表 13-4 大气影响深度 (m) 土的湿度系数 大气影响深度 d s 大气影响急剧层深度 0.6 5.0 2.25 0.7 4.0 1.80 0.8 3.5 1.88 0.9 3.0 1.35 注：①大气影响深度是自然气候作用下，由降水、蒸发、地温等因素引起土的升降变形的有效深度。 ②大气影响急剧层深度是指大气影响特别显著的深度，采用 0.45 d s 。 膨胀土地基计算 三 . 地基土的胀缩变形量 s c 地基土的胀缩变形量 s c ，应按下式计算 (13-9) 式中： s c—— 地基土的胀缩变形量， mm ； —— 计算胀缩变形量的经验系数，可取 0.7 。 四 . 膨胀土地基承载力 1. 现场浸水载荷试验方法确定 对荷载较大的建筑物，用现场浸水载荷试验方法确定地基承载力，载荷试验方法要求方形承压板宽度 b 不小于 0.707m ，在离压板中心 2 b 距离的两侧应钻孔各一排或挖砂沟，充填中、粗砂，深度不小于当地大气影响深度。载荷试验分级加荷至设计荷载后由钻孔或砂沟两面浸水，使土体膨胀稳定后，再分级加载荷至破坏荷载。取破坏荷载的一半为地基承载力基本值 f 0 。 膨胀土地基计算 2. 根据土的抗剪强度指标计算 按公式计算地基承载力设计值 f ，应采用饱和土三轴不固结不排水试验，确定抗剪强度指标 、 值。 3. 经验法 当地已有大量试验资料的地区，可制订承载力表，供一般工程采用。无资料地区，可按表 13-5 数据采用。 表 13-5 膨胀土地基承载力基本值 f 0(kPa) 孔隙比 e α w = w/w L 0.6 0.9 1.1 备　注 α w ＜ 0.5 350 280 200 此表适用于基坑开挖时土的含水量等于或小于勘察取土试验时土的天然含水量。 0.5≤ α w ＜ 0.6 300 220 170 0.6≤ α w ≤0.7 250 200 150 膨胀土地基计算 五 . 胀土地基变形量 (1) 膨胀土地基计算变形量，应符合下式要求 　　　　　　　　　　　　　　　　　 (13-10) 式中：　　为天然地基或人工地基及采用其他处理措施后的地基变形量计算值， mm ； 　　为建筑物的地基容许变形值， mm ；可按表 13-6 采用。 (2) 膨胀土地基变形量取值，应符合下列规定。 ① 膨胀变形量，应取基础某点的最大膨胀上升量。 ② 收缩变形量，应取基础某点的最大收缩下沉量。 ③ 胀缩变形量，应取基础某点的最大膨胀上升量与最大收缩下沉量之和。 ④ 变形差应取相邻两基础的变形量之差。 膨胀土地基计算 表 13-6 建筑物的膨胀土地基容许变形值 结构类型 地基相对变形 地基变形量 (mm) 种类 数值 砖混结构 局部倾斜 0.001 15 房屋长度三到四开间及四角有构造中配筋砖混承重结构 局部倾斜 0.0015 30 工业与民用建筑相邻柱基 框架结构无填充墙时 框架结构有填充墙时 当基础不均匀沉降时不产生附加应力的结构 变形差 变形差 变形差 0.001 l 0.0005 l 0.003 l 30 20 40 注： l 为相邻柱基的中心距离， m 。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 从理论上说，只要严格遵循技术标准和规范提供的各种计算方法，进行理论计算，或通过一定的室内测试手段进行验证，就可以完全掌握膨胀土地基的各项特性指标，包括自由体积膨胀率 S ef ，相对线性膨胀率 S ep ，膨胀压力 P e ，对其胀缩变形量进行准确计算，就可以对膨胀土地基上的建筑结构设计与施工完全驾驭了，但实际上并非如此简单，难度还很大。这一点，可以从膨胀土地基极为复杂的胀缩破坏机理和对上部结构极为严重的裂损机理的分析中得到验证。 一 . 地基膨胀破坏机理的复杂性 1. 破坏力的多向性 由于膨胀土的膨胀是体积膨胀，膨胀压力指向四面八方，就像气体爆炸压力一样，其破坏作用是惊人的。 2. 破坏力的各向异性 在膨胀土体周围的约束压力大于其膨胀压力的条件下，膨胀压力将被约束压力制服，破坏现象就不会形成。对于直接受到上部荷载和基础自重制约的膨胀土地基来说，由于不能有效地向上产生膨胀，引起顶升破坏，因而膨胀压力集中向抵抗力弱的侧向突破，地基土将向侧面挤出，引起基础沉降与位移。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 3. 破坏力的时间性 由于膨胀土的颗粒细、密度高、吸水速度慢，水分在土体中转移需要一个较长的时间过程。各点的含水量及其膨胀压力的发展也随时间在变化，因此其破坏作用有很强的时 间性。 4. 破坏力的空间性 膨胀土破坏作用的导火线是外来水体的偶然侵入，例如室外地表水渗入地基，室内地面水渗入地基，上下水管道渗漏水体渗入地基，区域性地下水位变化逼近地基，都是最直接的引发膨胀土地基破坏作用的导火线。随导火线 ( 水源点 ) 所在空间坐标位置的不同，基础离水源点距离的不同，其所承受的破坏力也就截然不同。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 二 . 结构裂损机理的复杂性 随着建筑物基础受到地基膨胀压力着力点的不同，作用方向的不一，作用强度的变化和作用时间的差异，基础产生的位移量、变形量与损坏情况也就千差万别。导致上部结构的裂损机理极为复杂。 1. 外墙带型基础的破坏和上部墙面的裂损 (1) 水平裂缝形成机理。如图 13.2 所示。 当侵入的水源来自室外散水坡裂缝且浸水深度较浅时，可能导致散水坡下方的膨胀土膨胀，在外墙基础的侧面上产生向内推挤的膨胀压力，引起墙基内移或内倾，在勒脚以上出现水平裂缝。 图 13.2 外墙勒脚水平裂缝 注： 1. 散水坡裂缝渗水通道； 2. 水平膨胀挤推压力； 3. 外墙勒脚水平裂缝； 4. 向上顶升膨胀压力。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 (2) 八字型倾斜裂缝形成机理。如图 13.3 所示。 当外墙带型基础从散水坡裂隙中下渗的水量较大，渗入深度深及基底面以下时，对于低层轻型建筑来说，基底面受到的附加压力有限，膨胀土吸水膨胀后产生向上顶升的压力将使带型基础产生上凸变形曲线，勒脚及底层墙面上除了出现水平裂缝以外，还将产生倒八字型倾斜裂缝。 图 13.3 外墙面上的水平裂缝和倒八字型裂缝 注： 1. 水平裂缝； 2. 向上顶升膨胀力； 3. 倒八字型裂缝。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 (3) 交叉倾斜裂缝形成机理。如图 13.4 所示。 在久旱不雨的情况下，散水坡及外墙基础底板下的土体失水干缩，膨胀压力消失，基础底板下落恢复水平位置，甚至产生下凹变形，使勒脚以及外墙面上出现正八字型裂缝。正、倒八字型裂缝交叉出现形成相对倾斜，十字交叉的复合型裂缝。 图 13.4 外墙面上的相对倾斜交叉裂缝 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 (4) 墙面之字型或树枝型裂缝形成机理 填充墙面上的之字形或树枝型裂缝的形成是与填充墙边界上的受力条件，也就是上下框架梁和左右框架柱的变形趋势密切相关的。如上所述，在膨胀土压力作用下，框架柱发生向一侧倾斜，下部地基梁发生上凸形变形。上部框架梁则在荷载条件下发生正常的跨中部下凹而支座附上凸的变形曲线。这些变形特征正是使墙面形成之字型裂缝和树枝型裂缝的必要条件。如图 13.5 所示。 图 13.5 墙面之字形裂缝与树枝状裂缝合成图 注： 1. 地基梁变形曲线； 2. 框架柱变形曲线与墙侧压力分布线； 3. 上框架梁变形曲线； 4. 墙底 部边沿随基础梁变形引起的裂缝； 5. 墙顶随框架梁变形引起的内力； 6. 墙顶角处力 2 与力 5 合成的主应力； 7. 墙中部力 2 与力 5′ 合成的主拉应力； 8. 墙顶角主拉应力 6 引起的裂 缝； 9. 墙中部主拉应力 7 引起的裂缝。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 2. 内墙带型基础的破坏和上部墙面的裂损 室内地面水渗漏或室内上下水管道渗漏引起的室内地基土膨胀导致的内墙带型基础破坏和上部墙体裂损的机理与外墙裂损机理相似。所不同的是上下水管道变形裂损渗漏与地基浸水膨胀现象两者是互为因果、恶性循环的一对矛盾，如果不采取措施，恶性将永无终止的一天。由于存在以上两个现象也就不可能有地基土失水干缩的机会，不会出现墙面相对倾斜的交叉裂缝。但是随着时间的推进，浸水膨胀的范围会日渐扩大，浸水软化的深度会日渐扩大，有可能导致较大范围的整体沉降破坏现象。 3. 墩式基础的破坏和上部结构的裂损 墩式基础的埋置深度一般较带型基础大，其基底面承受的压力强度也比带型基础大。因此基底面以下膨胀土地基因浸水膨胀引起墩基向上顶升破坏的可能性较小。但墩基侧面和承墙地基梁底面与侧面承受挤胀压力的机会则较多，容易引起墙面出现水平裂缝和倾斜裂缝。最危险的是当墩身侧面受到强大水平挤胀压力时，将导致墩身倾斜，严重时，可能引起建筑物坍塌。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 4. 桩基础的破坏和上部结构的裂损 桩基础在膨胀压力的作用下其破坏机理与墩基础相似，但其形势却要严峻得多。因为桩基础要求桩身穿透膨胀土地层进入非膨胀性的持力层，埋置深度大，也必然穿透以膨胀土为隔水层的上下两个含水层，给两个含水层的水体打开一条上下贯通的通道。客观上起了引“狼”入室的作用，会将水流引进膨胀土层，膨胀土中产生的各向异性的强大膨胀压力将使桩身水平失稳，承台倾斜，承台连梁复杂变形，引起上部结构严重裂损。 膨胀土吸水膨胀产生的水平挤胀压力虽然导致了桩身倾斜、承台倾斜及框架柱、梁倾斜的一系列上部结构变形，但裂缝不一定直接出现在框架梁柱上，而是出现在与框架梁方向平行的楼板面边沿地带。因为框架柱、梁倾斜方向的一侧梁板有下抑变形的趋势，负弯矩值将有所衰减。而另一侧梁板面则有上翘变形的趋势，负弯矩值将激增，因此板面裂缝就出现在负弯矩激增的板带上。如图 13.6 所示。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 图 13.6 桩身倾斜引起的板面裂缝 在这里，还必须回答一个问题：膨胀土不透水，混凝土桩身亦不透水，膨胀土吸水膨胀后将与桩身紧密结合，形成很好的密封止水圈，为什么说膨胀土层与桩身的接触带还能成为输水通道，起着引“狼”入室的作用呢？试从以下三个方面作初步理论分析并结合实际考察，就可得到答案。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 (1) 打入式挤土桩的输水通道，如图 13.7(a) 所示。 各种打入式挤土桩，包括各种预制桩和沉管灌注桩是依靠重力强行将桩身锲进土中的，会在桩周土体中挤出大小不等的放射形裂缝，因此形成理想的输水通道，在桩周膨胀土中产生各向异性、强度不一的膨胀压力。 (2) 护壁式人工挖孔桩的输水通道。如图 13.7(b) 所示。 人工挖孔桩是分层下挖，分层护壁的，护壁套筒的厚度薄、施工难度大、施工缝多，混凝土护壁本身的密实度就不高，吸水能力强，加上壁后与土层的接触面不紧密，护壁套筒显然是一个理想的渗水通道。 (3) 钻孔灌注桩桩周接触带的输水通道。如图 13.7(c) 所示。 钻孔灌注桩是通过泥浆护壁的施工工艺完成的，桩周形成的一层厚度不等的泥皮由细颗粒胶泥与粗颗粒砂石混合组成，除了有很大的干缩性外，还有很强的透水性。在泥皮干缩阶段，膨胀性粘土层之间形成了一个空隙带，这就是理想的输水通道。在泥皮干缩阶段，膨胀土中吸收混凝土和泥浆中的些许水分还不足以形成强大的膨胀压力，只有等待泥浆干缩形成裂隙以后，上面或下面含水层中丰富的水源通过输水通道输入膨胀性黏土层中，巨大的而且是各向异性的膨胀压力就会将桩身挤歪。所以一般说来，钻孔桩基础引发的膨胀土地基上的建筑物裂缝事故比打入式挤土桩或人工挖土桩引发的裂缝事故在时间上较滞后。 膨胀土地基上的建筑结构裂损机理 图 13.7 桩周输水通道形成图 注： 1. 挤出径向裂缝； 2. 挖孔桩护壁； 3. 钻孔桩泥皮。 膨胀土地基的工程处理措施 自 20 世纪 40 年代膨胀土地基灾害在美国西部地区开始泛滥以来，国际工程学术界为防治此灾害已经做过很多努力。近 20 年来国内工程学术界也在关注此事。但是国内外关于灾害的各种处理措施的可靠性与经济性却存在很大差别，人们对其认识与评价并不一致，在处理措施选择中宜持慎重态度，现试作如下综合评述。 一 . 针对性最强的处理措施 从一开始，美国工程界就提出过关注建筑物四周散水坡的设计与施工质量，防止室外地表水渗入地下引起灾害的措施，也提出过提高地面工程质量，用钢筋混凝土防渗地面或钢筋混凝土架空地面取代普通素混凝土地面的措施。这些措施都有很强的针对性，但是其效果并不显著，付出的代价并不低，因此几十年来，并没有引起工程学术界的过多关注。 膨胀土地基的工程处理措施 二 . 基于“对抗”理念的防治措施 有一种被赞为“争取主动”的积极措施称得上最受推崇的主流措施，其主要内容就是强化建筑结构的自我抵抗能力，提高设计安全水准，增加结构安全储备。其具体手法是在轻型砖混结构中增加钢筋混凝土构造柱和统圈梁，放大轻型框架的梁柱构件断面，扩大基底的承压面积，限制各种低强、轻质、廉价材料在工程中的使用。其实际后果无异于要求在非地震区建造的轻型民用房屋一律要按八度抗震甚至九度抗震的高标准去设防。对于量大面广低水平的农村建设来说，这显然是不现实的。何况实践已经充分证明，地基膨胀压力的实际破坏作用比九度地震还要严峻，根本无法与它正面对抗作战，一切付出都是徒劳。因此认为，基于“对抗”理念所采取的种种措施的可靠性与经济性是值得怀疑的。 膨胀土地基的工程处理措施 三 . 基于“逃避”思想的防治措施 富裕了的美国人曾经不惜花大代价，广泛采用桩基穿透法、筏板覆盖法、深基重压法等措施去治理膨胀土地基灾害。也曾尝试过用廉价的黏土垫层法、砂石垫层法等措施去处理膨胀土地基。其实这是一种掩耳盗铃的逃跑主义。认为用深桩穿透了膨胀土层，或用筏板覆盖了膨胀土层，或用垫层隔离膨胀土层，就可以躲避侵害，其实际效果却起了引 “狼”入室的作用、尤其是穿透了隔水层的桩身和渗透能力最强的砂石垫层是膨胀土地基的最大克星。筏板基础虽可以隔水，减少室内地面水渗入地基为害的几率，却也大大削减了基底面的压力强度。一旦有水渗入基底，膨胀压力就可以轻易克服基底压力，将筏板顶起，进而将整个基础和上部结构破坏。因此认为，基于“逃避”思想指导下的一系列防治措施，具有很大的危害性，应该慎用。 膨胀土地基的工程处理措施 四 . 基于“驯服”理念的防治措施 膨胀土只要不受水的侵犯，它是非常驯服的。治土先治水，这也是一种传统理念，来自实践经验。因此认为只要从严格治水着眼，对膨胀土进行控制与驯服，就容易收到技术上可靠、经济上合理的良好效果。其具体措施包括了以下几个方面。 (1) 关注室外散水坡的设计与施工质量。 (2) 关注建设场地或建筑总平面图的径流方向和雨、污水排放措施。 (3) 关注建设场地的植被情况，以广种花木保持场地表土层含水量稳定为宜。建筑物周围不可种阔叶深根的乔木，粗根扎入地下对地层的隔水、保水均不利。 (4) 切实关注室内上下水管道工程的设计与施工质量。上水道系统应按上行下给方式进行设计配管，输水干管沿外墙上升至屋顶再往下配水，上水管基本上不与地面接触，更不埋置地下。下水管道敷设在不渗漏的管子沟内送往室外，统一排放。杜绝上下水管道系统渗漏现象。 (5) 切实加强用水管理和节水、防漏的宣传教育工作。 显然，以上措施实际上并不用额外支付昂贵的经济代价，却能收到可靠的技术效果。因此认为是一种值得推荐的好措施。 工 程 实 例 下面介绍的四个工程实例可以充分证明：用“驯服”理念来防治膨胀土地基灾害是正确的。 一 . 膨胀土地基上的建筑群裂损灾害 于 20 世纪 80 年代末 90 年代初建于某膨胀土地区的 33 栋 3 ～ 7 层砖混结构住宅楼，总 建筑面积 51 300m2 ，按常规设计与施工，其中 28 栋于建成后一年内即陆续开始出现裂缝，被迫拆除了 3 栋，遭到严重损坏的有 7 栋，其余 18 栋的墙面裂缝有如下特征。 (1) 山墙上普遍出现倒八字型裂缝； (2) 前后外纵墙上以水平裂缝为主，墙身外倾，基础转动； (3) 内外墙上均有交叉倾斜的复合型裂缝出现； (4) 独立柱基有位移与倾斜迹象； (5) 独立柱身上有水平裂缝和倾斜趋势； (6) 地坪有普遍隆起与裂损迹象。 显然，这是典型的膨胀土地基胀害现象，它对于按正规设计、正常施工的住宅群竟破坏严重。那么对于按低标准建造的农村建筑来说，其威胁就可想而知了。 这里只是向人们敲响了警钟！严峻的事实已向工程学术界提出了该如何防治膨胀土地基灾害问题。但从理论研究到标准规范中还很难找到答案。 工 程 实 例 二 . 难于治理的高干住宅群裂缝与渗漏现象 某低层框架高干住宅群建于一红黏土台地上。工程人员出于对工程安全的特殊关注，从设计图纸检查中发现，作为主体结构的框架与基础设计按 8 度抗震设防，实际安全水准满足 9 度设防要求还绰绰有余；施工过程工作人员也是按高标准、严要求去完成的，但自建成交付使用以后，即陆续出现了梁、柱、墙板等结构构件的普遍裂缝和严重渗漏现象。虽然机关事务管理部门不遗余力，自始至终在进行管理与维修，病害却只见加重，没有减轻，甚至出现了上、下水管道扭损断裂的现象。经专家会诊，认定这些属于中等膨胀土胀害症状。该住宅群结构设计虽然过于保守，安全储备虽然高，但没有关注“治水”问题。在基底承压力偏低的条件下，膨胀压力更容易导致独立柱基的位移与倾斜，引起一系列的上部结构变形与裂缝。也正因为地基土的膨胀与上部结构的变形，导致了上下水管道系统的扭损与断裂，引起了管道渗漏，加剧了地基土的膨胀破坏灾害，恶性循环，难于抑制。 本案例足以充分说明：用“对抗”理念去防治膨胀土地基灾害是徒劳无益的。 工 程 实 例 三 . 罕见的高级公寓楼结构裂缝与墙、板渗漏灾害 建于海南岛某滨海二级台地上的 4 栋高级住宅楼，楼高 7 层，地基为紫红色夹彩色条斑状硬黏土。除地表浅层杂填土滞水外，探明 20m 的影响深度范围内无地下含水层；采用素混凝土带型基础，设计地耐力取 110kPa ，底层用 370mm 厚砖墙，二层以上用 240mm 厚砖墙，按 8 级抗震设防，每层楼面设钢筋混凝土圈梁，每个纵横墙交接节点设钢筋混凝土构造柱加强，形成了整体性较好的混合结构体系。施工质量水平一般。建成后即有用户纷纷投诉到处出现墙面、屋面、楼面与地面裂缝和渗漏现象。尤其是厨房间和卫生间，往往是上面滴水，下面积水，无法下足。虽然维修工作从未间断，但裂缝渗漏症状却日见严重。从裂缝的产状机理分析，显然属于典型的膨胀土地基灾害。但是由于设计上违反了 8 度抗 震设防地区砖混结构建造高度极限为 6 层的规范要求，人们多把视线集中在设计安全水准偏低这一问题上。实际上，裂缝是发生在非地震条件下，杂乱无章的墙面、板面裂缝现象与抗震设防标准之间并没有直接关系。这就是膨胀土地基灾害的显著特点。 工 程 实 例 四 . 强化设计的高级公寓群框架结构裂缝现象 多栋 8 层钢筋混凝土框架结构的高级公寓楼是上述 4 栋 7 层砖混结构高级公寓楼建造园区的后续工程。为了总结前期 4 栋砖混结构楼失败的经验与教训，在设计安全水准方面，不仅工程人员所参考的规范已从“ 89 规范”晋级到“ 02 规范”，还不惜工本，特意放大了安全储备，将浅埋的素混凝土带型基础一律改为深埋的钢筋混凝土独立基础；并放大了基底承压面积，还按标准与规范要求，在基底增加了黏土垫层和碎石垫层，放大了梁、柱断面和钢筋含量。这样一来实际的抗震设防水准显然超过了 8 度设防的规范要求。此外还特别关注了室外散水坡与室内地坪的设计与施工质量。他们以为可以高枕无忧了。遗憾的是工程建成不到一年，结构裂缝现象就逐渐出现，最初出现的是楼板面裂缝。裂缝产生在板支座附近，走向与框架梁平行。显然是因为独立柱基由于膨胀土压力引起水平位移导致了框架柱倾斜，楼板受扭折的结果。 这一案例进一步说明，不论是用对抗理念还是逃避理念采取的种种防治措施，都不足以保证膨胀土地基上的工程安全。如果从“先治水”着眼，根据“驯服”理念去采取相应措施，则可收到事半功倍的效果。 思考题与习题 1. 膨胀土有哪些显著的特征？ 2. 什么是膨胀土的自由体积膨胀率？ 3. 什么是膨胀土的相对线性膨胀率？ 4. 如何评价膨胀土的膨胀潜势？ 5. 如何划分膨胀土的胀缩等级？ 6. 试谈谈膨胀土地基的破坏机理。 7. 试谈谈膨胀土地基上建筑结构的裂缝机理。 8. 试谈谈当前流行处理膨胀土地基的工程措施有哪几类，各有何优缺点？