1、返回總目錄,第13章膨脹土地基上的建筑物裂縫分析實(shí)例,教學(xué)提示：關(guān)于膨脹土地基，雖然已有了較完整的規(guī)范，但對(duì)膨脹土災(zāi)害的認(rèn)識(shí)深度還很不夠。本章從規(guī)范到實(shí)踐，從理論到實(shí)際對(duì)膨脹土地基進(jìn)行了較全面地論述。 教學(xué)要求：建議引導(dǎo)學(xué)生用批判的精神來閱讀這一章。重點(diǎn)要引導(dǎo)學(xué)生尋求可靠性高、經(jīng)濟(jì)代價(jià)低的關(guān)于防治農(nóng)村低標(biāo)準(zhǔn)建筑膨脹土災(zāi)害的技術(shù)手段。,如果對(duì)膨脹土的特性缺乏充分了解，在設(shè)計(jì)和施工過程中沒有采取必要的措施，就利用膨脹土作為建筑物地基，則會(huì)給建筑物的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與安全造成危害，尤其對(duì)三至四層以下的低層輕型建筑，膨脹土地基可能給建筑帶來摧毀性的大災(zāi)難！ 我國自從20世紀(jì)60年代開始對(duì)膨脹土地基進(jìn)行了比較

2、系統(tǒng)的研究，在膨脹土災(zāi)害防治方面，取得了不少成果。其特點(diǎn)是各有關(guān)部門針對(duì)本部門建筑物的需要，各自進(jìn)行了防治方法的專門研究，創(chuàng)造了不少防治辦法。隨著對(duì)膨脹土脹縮災(zāi)害防治方法研究的進(jìn)一步深入，一次性投入進(jìn)行預(yù)防的成功率愈來愈高。應(yīng)該指出的是，對(duì)于膨脹土地基災(zāi)害防治來說，其主要防治對(duì)象是量大面廣、而建造標(biāo)準(zhǔn)卻偏低的農(nóng)村建筑。因此，簡(jiǎn)化防治措施、降低防治成本才是課題研究的重點(diǎn)。,膨脹土對(duì)建筑物的危害,膨脹土的特征,膨脹土的工程特性指標(biāo),膨脹土場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià),膨脹土地基計(jì)算,本章內(nèi)容,思考題與習(xí)題,工 程 實(shí) 例,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,膨脹土地基的工程處理措施,膨脹土對(duì)建筑物的危害,由于膨脹土

3、通常強(qiáng)度較高、壓縮性低，易被誤認(rèn)為是良好的地基。實(shí)際上膨脹土同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性。膨脹土地基的脹縮作用能造成基礎(chǔ)位移，建筑物和地坪開裂、變形而破壞。例如某地建造96幢建筑物，其中82幢因膨脹土的脹縮作用而變形，事故發(fā)生率占85.4%；另一地區(qū)200多幢建筑物，幾乎都發(fā)生了開裂事故，其中損壞嚴(yán)重?zé)o法使用的有40多幢，被迫拆除的10多幢。調(diào)查表明，膨脹土地基上建筑物的開裂，通常具有地區(qū)性成群出現(xiàn)的特點(diǎn)，其中以低層磚木結(jié)構(gòu)的民用房屋最為嚴(yán)重。 膨脹土地基對(duì)建筑的巨大危害，決不僅僅是我國獨(dú)有的現(xiàn)象。值得注意的是，美國在上世紀(jì)40年代，曾經(jīng)用于處理膨脹土對(duì)建筑物危害的費(fèi)用超過了當(dāng)

4、時(shí)處理地震災(zāi)害費(fèi)用若干倍。由此可見，膨脹土對(duì)建筑物的危害性應(yīng)給予足夠的重視。根據(jù)“負(fù)負(fù)得正”的減災(zāi)經(jīng)濟(jì)效益計(jì)算方法，對(duì)膨脹土地基進(jìn)行綜合治理，可以使膨脹土地區(qū)興建的房屋、公路、橋梁等建筑物的結(jié)構(gòu)安全性有極大的提高，建筑物的服役壽命得到延長，建筑物的維護(hù)費(fèi)用降低，從而產(chǎn)生積極的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。因此，加強(qiáng)對(duì)膨脹土地基危害性及其防治措施的研究是十分必要的。,膨脹土的特征,一. 野外特征 膨脹土一般分布在級(jí)以上的河谷階地、陡坎臺(tái)地、丘陵地區(qū)及山前緩坡地帶，旱季時(shí)地表常出現(xiàn)裂縫，雨季時(shí)裂縫閉合。我國膨脹土生成的地質(zhì)年代，大多數(shù)為第四紀(jì)晚更新世(Q3)及其以前，少量為全新世(Q4)。膨脹土的顏色呈黃色

5、、黃褐色、紅褐色、灰白色或花斑色等。膨脹土結(jié)構(gòu)致密，呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)，一般液性指數(shù)，塑性指數(shù)。這種土距地表1m2m內(nèi)常見豎向張開裂隙，向下逐漸尖滅，并有傾斜和水平方向裂縫。膨脹土地區(qū)的地下水多為上層滯水，隨季節(jié)變化，水位變化也大，從而引起地基不均勻脹縮變形。 二. 礦物成分 膨脹土的礦物成分主要是次生黏土礦物蒙特土和伊利土。蒙特土礦物晶格極不穩(wěn)定，親水性強(qiáng)，浸濕時(shí)發(fā)生強(qiáng)烈膨脹。伊利土的親水性僅次于蒙特土。當(dāng)?shù)鼗林泻^多的蒙特土和伊利土?xí)r，遇水膨脹隆起，會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的膨脹壓力，對(duì)建筑物的危害很大。,膨脹土的特征,三. 物理力學(xué)特性 根據(jù)一些地區(qū)膨脹土的試驗(yàn)資料整理結(jié)果如下。 (1) 天然含水量接

6、近塑限，一般飽和度。 (2) 天然孔隙比中等偏小。 (3) 液限wL=3055%，塑限wp=2035%，塑性指數(shù)Ip=1835，多數(shù)Ip=2235之間。 (4) 黏粒和膠體含量高粒徑d0.005mm的顆粒占2440。 (5) 液性指數(shù)小，IL=0.140.00，呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)。 (6) 自由體積膨脹率eI=40%58%，最高70，相對(duì)線性膨脹率ep=1%4%，一般膨脹壓力pe=10kPa110kPa，最高達(dá)500kPa以上。 (7) 縮限ws=11%18%，紅黏土類型的膨脹土ws偏大。 (8) 抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c、值浸水前后相差大，尤其c值可差2倍3倍以上。 (9) 壓縮性小，多屬于低壓縮性土。

7、,膨脹土的特征,四.脹縮變形的因素 1. 主要內(nèi)因 1) 礦物及化學(xué)成分 膨脹土含大量蒙特土和伊利土，親水性強(qiáng)，脹縮變形大，化學(xué)成分以氧化硅、氧化鋁和氧化鐵為主。如氧化硅含量越大，則脹縮量越大。 2) 黏粒和膠體粒徑，比表面積大，電分子吸引力大。因此黏粒和膠體含量高時(shí)，脹縮變形大。 3) 土的密度 如土的密度大、孔隙比小則浸水膨脹強(qiáng)烈，失水收縮小。反之，如土的密度小、孔隙比大，則浸水膨脹小，失水收縮大。 4) 含水量 當(dāng)初始含水量與脹后含水量愈接近，則土的膨脹就愈小，收縮就愈大。反之，膨脹大，收縮小。 5) 土的結(jié)構(gòu) 土的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度愈大，則限制脹縮變形的作用也愈大，當(dāng)土的結(jié)構(gòu)受到破壞后，膨脹性增

8、大。,膨脹土的特征,2. 主要外因 1) 氣候環(huán)境 包括降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、相對(duì)濕度和地溫等，雨季土中水分增加，土體發(fā)生膨脹；旱季水分減少，土體收縮。 2) 地形地貌 同類膨脹土地基，地勢(shì)低處土層含水量比較穩(wěn)定，脹縮變形比地勢(shì)高處小。例如：云南地區(qū)某小學(xué)有三排教室，上部結(jié)構(gòu)和地基土性質(zhì)相同，分別建在三個(gè)臺(tái)階形地段的膨脹土上，結(jié)果地勢(shì)高的教室嚴(yán)重破壞，地勢(shì)低的教室完好無損。,3) 植被條件 建筑物周圍如有灌木、花草等良好植被時(shí)，表層土體內(nèi)含水量穩(wěn)定，不易引發(fā)膨脹土脹縮災(zāi)害，但扎根較深的闊葉喬木對(duì)穩(wěn)定土中含水量不利，反而容易導(dǎo)致災(zāi)害。 4) 朝向坡向 調(diào)查資料表明，膨脹土地區(qū)建筑，房屋向陽且逆坡

9、面開裂較多。背陰且順坡面開裂較少。如圖13.1所示。,圖13.1 朝向與坡向,膨脹土的特征,五. 工程地質(zhì)分類 我國膨脹土的工程地質(zhì)分類，按地貌、地層、巖性與礦物成分等分為三類，詳見表13-1。 表13-1 膨脹土工程地質(zhì)分類,膨脹土的工程特性指標(biāo),一.自由體積膨脹率 自由膨脹率 為人工制備的烘干土，在水中增加的體積與原體積的比，按下式計(jì)算 (13-1) 式中： 自由膨脹率，%； 土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積，mL； 土樣原有體積，mL。 二. 相對(duì)線性膨脹率 膨脹率為試樣在一定壓力下浸水膨脹穩(wěn)定后試樣增加的高度與原高度之比，按下式 計(jì)算： (13-2) 式中： 膨脹率； 土樣浸水膨脹穩(wěn)定后的高

10、度，mm； 土樣的原始高度，mm。,膨脹土的工程特性指標(biāo),三. 收縮系數(shù) 收縮系數(shù)為原狀土樣在直線收縮階段，含水量減少1%時(shí)的豎向線縮率，按下式計(jì)算 (13-3) 式中： 收縮系數(shù)； 收縮過程中與兩點(diǎn)含水量之差對(duì)應(yīng)的豎向線縮率之差，%； 收縮過程中直線變化階段兩點(diǎn)含水量之差，%。 四. 膨脹力 膨脹力為原狀土樣在體積不變時(shí)，由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，由試驗(yàn)測(cè)定。,膨脹土場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià),一. 膨脹土判別 膨脹土中的黏粒和膠體成分主要由強(qiáng)親水性礦物組成。具有下列工程地質(zhì)特征的場(chǎng) 地、且自由膨脹率 的土，應(yīng)判定為膨脹土。 (1) 裂隙發(fā)育，常有光滑面和擦痕，有的裂隙中充填著灰白、灰綠色黏土。在自

11、然條件下呈堅(jiān)硬或硬塑狀態(tài)。 (2) 多出露于二級(jí)或二級(jí)以上階地、山前和盆地邊緣丘陵地帶，地形坡降較大或?yàn)l臨陡坡的臺(tái)地。 (3) 常見于淺層塑性滑坡、地裂、新開挖坑(槽)壁等易發(fā)生坍塌處。 (4) 建筑物裂縫隨氣候變化而張開或閉合。,膨脹土場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià),二. 膨脹土的膨脹潛勢(shì) 根據(jù)自由膨脹率的大小，膨脹土的膨脹潛勢(shì)可分為弱、中、強(qiáng)三類，見表13-2。 表13-2 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類,膨脹土場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià),三. 膨脹土的建筑場(chǎng)地 根據(jù)地形地貌條件，膨脹土的建筑場(chǎng)地可分為下列兩類。 1. 平坦場(chǎng)地 平坦場(chǎng)地為地形坡度小于5，或地形坡度大于5小于14，距坡肩水平距離大于10m的坡頂?shù)貛А?2. 復(fù)

12、雜臺(tái)地 場(chǎng)地為地形坡度大于或等于5，或地形坡度雖然小于5，各建筑物之間存在高差或同一座建筑物范圍內(nèi)局部地形高差大于1m。這類場(chǎng)地對(duì)建筑物更為不利。,膨脹土場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià),四. 膨脹土地基的脹縮等級(jí) 根據(jù)地基的膨脹、收縮變形對(duì)低層磚混結(jié)構(gòu)房屋的影響程度，膨脹土地基的脹縮等級(jí)按表13-3分為I、II、III級(jí)，等級(jí)越高其脹縮性越大，以此作為膨脹土地基的評(píng)價(jià)。 表13-3 膨脹土地基的脹縮等級(jí),注：地基分級(jí)變形sc按公式(13-9)計(jì)算，式中膨脹率采用的壓力應(yīng)力為50kPa。,膨脹土地基計(jì)算,一. 地基土的膨脹變形量 地基土的膨脹變形量 應(yīng)按下式計(jì)算 (13.4) 式中： 地基土的膨脹變形量，mm；

13、 計(jì)算膨脹變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，宜根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定，若無可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，三層及三層以下建筑物，可采用0.6； 基礎(chǔ)底面下第i層土在該層土的平均自重壓力與平均附加壓力之和作用下的膨脹率，由室內(nèi)試驗(yàn)確定； 第i層土的計(jì)算厚度，mm； n自基礎(chǔ)底面至計(jì)算深度內(nèi)所劃分的土層數(shù)，計(jì)算深度應(yīng)根據(jù)大氣影響深度確定；有浸水可能時(shí)，可按浸水影響深度確定。,膨脹土地基計(jì)算,二.地基土的收縮變形量 地基土的收縮變形量 應(yīng)按下式計(jì)算 (13-5) 式中： 地基土的收縮變形量，mm； 計(jì)算收縮變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，宜根據(jù)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)確定，若無可依據(jù)經(jīng)驗(yàn)時(shí)，三層及三層以下建筑物，可采用0.8； 地基土收縮過程中，第i層土可能發(fā)生的含水

14、量變化的平均值，以小數(shù)表示，按公式(13-6)計(jì)算。 n自基礎(chǔ)底面至計(jì)算深度內(nèi)所劃分的土層數(shù)。計(jì)算深度可取大氣影響深度，應(yīng)由各氣候區(qū)土的深層變形觀測(cè)或含水量觀測(cè)及地溫觀測(cè)資料確定；無此資料時(shí)，可按表13-4采用。,膨脹土地基計(jì)算,在計(jì)算深度內(nèi)，各土層的含水量變化值 應(yīng)按下式計(jì)算 (13-6) 式中： 第i層土的深度，mm； 計(jì)算深度，可取大氣影響深度，m； 按下式計(jì)算 (13-7) 式中： 、 地表下1.0m處土的天然含水量和塑限含水量，以小數(shù)表示； 土的濕度系數(shù)，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)?0年以上的含水量變化及有關(guān)氣象資料統(tǒng)計(jì)求出。無此資料時(shí)，可按下式計(jì)算,膨脹土地基計(jì)算,(13-8) 式中： 膨脹土濕度

15、系數(shù)，在自然氣候影響下，地表下1m處土層的含水量可能達(dá)到的最小值與其塑限值之比； 當(dāng)?shù)?月至次年2月的蒸發(fā)力之和與全年蒸發(fā)力之比值； c全年中干燥度大于1.00的月份的蒸發(fā)力與降水量之總和，mm；干燥度為蒸發(fā)力與降水量之比值。 表13-4 大氣影響深度(m),注：大氣影響深度是自然氣候作用下，由降水、蒸發(fā)、地溫等因素引起土的升降變形的有效深度。 大氣影響急劇層深度是指大氣影響特別顯著的深度，采用0.45ds。,膨脹土地基計(jì)算,三. 地基土的脹縮變形量sc 地基土的脹縮變形量sc，應(yīng)按下式計(jì)算 (13-9) 式中： sc地基土的脹縮變形量，mm； 計(jì)算脹縮變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可取0.7。 四. 膨

16、脹土地基承載力 1. 現(xiàn)場(chǎng)浸水載荷試驗(yàn)方法確定 對(duì)荷載較大的建筑物，用現(xiàn)場(chǎng)浸水載荷試驗(yàn)方法確定地基承載力，載荷試驗(yàn)方法要求方形承壓板寬度b不小于0.707m，在離壓板中心2b距離的兩側(cè)應(yīng)鉆孔各一排或挖砂溝，充填中、粗砂，深度不小于當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃?。載荷試驗(yàn)分級(jí)加荷至設(shè)計(jì)荷載后由鉆孔或砂溝兩面浸水，使土體膨脹穩(wěn)定后，再分級(jí)加載荷至破壞荷載。取破壞荷載的一半為地基承載力基本值f0。,膨脹土地基計(jì)算,2. 根據(jù)土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)計(jì)算 按公式計(jì)算地基承載力設(shè)計(jì)值f，應(yīng)采用飽和土三軸不固結(jié)不排水試驗(yàn)，確定抗剪強(qiáng)度指標(biāo) 、 值。 3. 經(jīng)驗(yàn)法 當(dāng)?shù)匾延写罅吭囼?yàn)資料的地區(qū)，可制訂承載力表，供一般工程采用。無資

17、料地區(qū)，可按表13-5數(shù)據(jù)采用。 表13-5 膨脹土地基承載力基本值f0(kPa),膨脹土地基計(jì)算,五.脹土地基變形量 (1) 膨脹土地基計(jì)算變形量，應(yīng)符合下式要求 (13-10) 式中：為天然地基或人工地基及采用其他處理措施后的地基變形量計(jì)算值，mm； 為建筑物的地基容許變形值，mm；可按表13-6采用。 (2) 膨脹土地基變形量取值，應(yīng)符合下列規(guī)定。 膨脹變形量，應(yīng)取基礎(chǔ)某點(diǎn)的最大膨脹上升量。 收縮變形量，應(yīng)取基礎(chǔ)某點(diǎn)的最大收縮下沉量。 脹縮變形量，應(yīng)取基礎(chǔ)某點(diǎn)的最大膨脹上升量與最大收縮下沉量之和。 變形差應(yīng)取相鄰兩基礎(chǔ)的變形量之差。,膨脹土地基計(jì)算,表13-6 建筑物的膨脹土地基容許變形

18、值,注：l為相鄰柱基的中心距離，m。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,從理論上說，只要嚴(yán)格遵循技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范提供的各種計(jì)算方法，進(jìn)行理論計(jì)算，或通過一定的室內(nèi)測(cè)試手段進(jìn)行驗(yàn)證，就可以完全掌握膨脹土地基的各項(xiàng)特性指標(biāo)，包括自由體積膨脹率Sef，相對(duì)線性膨脹率Sep，膨脹壓力Pe，對(duì)其脹縮變形量進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算，就可以對(duì)膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工完全駕馭了，但實(shí)際上并非如此簡(jiǎn)單，難度還很大。這一點(diǎn)，可以從膨脹土地基極為復(fù)雜的脹縮破壞機(jī)理和對(duì)上部結(jié)構(gòu)極為嚴(yán)重的裂損機(jī)理的分析中得到驗(yàn)證。 一. 地基膨脹破壞機(jī)理的復(fù)雜性 1. 破壞力的多向性 由于膨脹土的膨脹是體積膨脹，膨脹壓力指向四面八方，就像氣體

19、爆炸壓力一樣，其破壞作用是驚人的。 2. 破壞力的各向異性 在膨脹土體周圍的約束壓力大于其膨脹壓力的條件下，膨脹壓力將被約束壓力制服，破壞現(xiàn)象就不會(huì)形成。對(duì)于直接受到上部荷載和基礎(chǔ)自重制約的膨脹土地基來說，由于不能有效地向上產(chǎn)生膨脹，引起頂升破壞，因而膨脹壓力集中向抵抗力弱的側(cè)向突破，地基土將向側(cè)面擠出，引起基礎(chǔ)沉降與位移。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,3. 破壞力的時(shí)間性 由于膨脹土的顆粒細(xì)、密度高、吸水速度慢，水分在土體中轉(zhuǎn)移需要一個(gè)較長的時(shí)間過程。各點(diǎn)的含水量及其膨脹壓力的發(fā)展也隨時(shí)間在變化，因此其破壞作用有很強(qiáng)的時(shí) 間性。 4. 破壞力的空間性 膨脹土破壞作用的導(dǎo)火線是外來水體的偶

20、然侵入，例如室外地表水滲入地基，室內(nèi)地面水滲入地基，上下水管道滲漏水體滲入地基，區(qū)域性地下水位變化逼近地基，都是最直接的引發(fā)膨脹土地基破壞作用的導(dǎo)火線。隨導(dǎo)火線(水源點(diǎn))所在空間坐標(biāo)位置的不同，基礎(chǔ)離水源點(diǎn)距離的不同，其所承受的破壞力也就截然不同。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,二. 結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理的復(fù)雜性 隨著建筑物基礎(chǔ)受到地基膨脹壓力著力點(diǎn)的不同，作用方向的不一，作用強(qiáng)度的變化和作用時(shí)間的差異，基礎(chǔ)產(chǎn)生的位移量、變形量與損壞情況也就千差萬別。導(dǎo)致上部結(jié)構(gòu)的裂損機(jī)理極為復(fù)雜。 1. 外墻帶型基礎(chǔ)的破壞和上部墻面的裂損 (1) 水平裂縫形成機(jī)理。如圖13.2所示。 當(dāng)侵入的水源來自室外散水坡裂

21、縫且浸水深度較淺時(shí)，可能導(dǎo)致散水坡下方的膨脹土膨脹，在外墻基礎(chǔ)的側(cè)面上產(chǎn)生向內(nèi)推擠的膨脹壓力，引起墻基內(nèi)移或內(nèi)傾，在勒腳以上出現(xiàn)水平裂縫。,圖13.2 外墻勒腳水平裂縫,注：1. 散水坡裂縫滲水通道；2. 水平膨脹擠推壓力；3. 外墻勒腳水平裂縫；4. 向上頂升膨脹壓力。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,(2) 八字型傾斜裂縫形成機(jī)理。如圖13.3所示。 當(dāng)外墻帶型基礎(chǔ)從散水坡裂隙中下滲的水量較大，滲入深度深及基底面以下時(shí)，對(duì)于低層輕型建筑來說，基底面受到的附加壓力有限，膨脹土吸水膨脹后產(chǎn)生向上頂升的壓力將使帶型基礎(chǔ)產(chǎn)生上凸變形曲線，勒腳及底層墻面上除了出現(xiàn)水平裂縫以外，還將產(chǎn)生倒八字型傾斜裂

22、縫。,圖13.3 外墻面上的水平裂縫和倒八字型裂縫 注：1. 水平裂縫；2. 向上頂升膨脹力；3. 倒八字型裂縫。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,(3) 交叉傾斜裂縫形成機(jī)理。如圖13.4所示。 在久旱不雨的情況下，散水坡及外墻基礎(chǔ)底板下的土體失水干縮，膨脹壓力消失，基礎(chǔ)底板下落恢復(fù)水平位置，甚至產(chǎn)生下凹變形，使勒腳以及外墻面上出現(xiàn)正八字型裂縫。正、倒八字型裂縫交叉出現(xiàn)形成相對(duì)傾斜，十字交叉的復(fù)合型裂縫。,圖13.4 外墻面上的相對(duì)傾斜交叉裂縫,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,(4) 墻面之字型或樹枝型裂縫形成機(jī)理 填充墻面上的之字形或樹枝型裂縫的形成是與填充墻邊界上的受力條件，也就是上下框

23、架梁和左右框架柱的變形趨勢(shì)密切相關(guān)的。如上所述，在膨脹土壓力作用下，框架柱發(fā)生向一側(cè)傾斜，下部地基梁發(fā)生上凸形變形。上部框架梁則在荷載條件下發(fā)生正常的跨中部下凹而支座附上凸的變形曲線。這些變形特征正是使墻面形成之字型裂縫和樹枝型裂縫的必要條件。如圖13.5所示。,圖13.5 墻面之字形裂縫與樹枝狀裂縫合成圖,注：1. 地基梁變形曲線；2. 框架柱變形曲線與墻側(cè)壓力分布線；3. 上框架梁變形曲線；4. 墻底 部邊沿隨基礎(chǔ)梁變形引起的裂縫；5. 墻頂隨框架梁變形引起的內(nèi)力；6. 墻頂角處力2與力 5合成的主應(yīng)力；7. 墻中部力2與力5合成的主拉應(yīng)力；8. 墻頂角主拉應(yīng)力6引起的裂 縫；9.墻中部主

24、拉應(yīng)力7引起的裂縫。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,2. 內(nèi)墻帶型基礎(chǔ)的破壞和上部墻面的裂損 室內(nèi)地面水滲漏或室內(nèi)上下水管道滲漏引起的室內(nèi)地基土膨脹導(dǎo)致的內(nèi)墻帶型基礎(chǔ)破壞和上部墻體裂損的機(jī)理與外墻裂損機(jī)理相似。所不同的是上下水管道變形裂損滲漏與地基浸水膨脹現(xiàn)象兩者是互為因果、惡性循環(huán)的一對(duì)矛盾，如果不采取措施，惡性將永無終止的一天。由于存在以上兩個(gè)現(xiàn)象也就不可能有地基土失水干縮的機(jī)會(huì)，不會(huì)出現(xiàn)墻面相對(duì)傾斜的交叉裂縫。但是隨著時(shí)間的推進(jìn)，浸水膨脹的范圍會(huì)日漸擴(kuò)大，浸水軟化的深度會(huì)日漸擴(kuò)大，有可能導(dǎo)致較大范圍的整體沉降破壞現(xiàn)象。 3. 墩式基礎(chǔ)的破壞和上部結(jié)構(gòu)的裂損 墩式基礎(chǔ)的埋置深度一般較帶型

25、基礎(chǔ)大，其基底面承受的壓力強(qiáng)度也比帶型基礎(chǔ)大。因此基底面以下膨脹土地基因浸水膨脹引起墩基向上頂升破壞的可能性較小。但墩基側(cè)面和承墻地基梁底面與側(cè)面承受擠脹壓力的機(jī)會(huì)則較多，容易引起墻面出現(xiàn)水平裂縫和傾斜裂縫。最危險(xiǎn)的是當(dāng)墩身側(cè)面受到強(qiáng)大水平擠脹壓力時(shí)，將導(dǎo)致墩身傾斜，嚴(yán)重時(shí)，可能引起建筑物坍塌。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,4. 樁基礎(chǔ)的破壞和上部結(jié)構(gòu)的裂損 樁基礎(chǔ)在膨脹壓力的作用下其破壞機(jī)理與墩基礎(chǔ)相似，但其形勢(shì)卻要嚴(yán)峻得多。因?yàn)闃痘A(chǔ)要求樁身穿透膨脹土地層進(jìn)入非膨脹性的持力層，埋置深度大，也必然穿透以膨脹土為隔水層的上下兩個(gè)含水層，給兩個(gè)含水層的水體打開一條上下貫通的通道?？陀^上起了引

26、“狼”入室的作用，會(huì)將水流引進(jìn)膨脹土層，膨脹土中產(chǎn)生的各向異性的強(qiáng)大膨脹壓力將使樁身水平失穩(wěn)，承臺(tái)傾斜，承臺(tái)連梁復(fù)雜變形，引起上部結(jié)構(gòu)嚴(yán)重裂損。 膨脹土吸水膨脹產(chǎn)生的水平擠脹壓力雖然導(dǎo)致了樁身傾斜、承臺(tái)傾斜及框架柱、梁傾斜的一系列上部結(jié)構(gòu)變形，但裂縫不一定直接出現(xiàn)在框架梁柱上，而是出現(xiàn)在與框架梁方向平行的樓板面邊沿地帶。因?yàn)榭蚣苤?、梁傾斜方向的一側(cè)梁板有下抑變形的趨勢(shì)，負(fù)彎矩值將有所衰減。而另一側(cè)梁板面則有上翹變形的趨勢(shì)，負(fù)彎矩值將激增，因此板面裂縫就出現(xiàn)在負(fù)彎矩激增的板帶上。如圖13.6所示。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,圖13.6 樁身傾斜引起的板面裂縫,在這里，還必須回答一個(gè)問題：膨

27、脹土不透水，混凝土樁身亦不透水，膨脹土吸水膨脹后將與樁身緊密結(jié)合，形成很好的密封止水圈，為什么說膨脹土層與樁身的接觸帶還能成為輸水通道，起著引“狼”入室的作用呢？試從以下三個(gè)方面作初步理論分析并結(jié)合實(shí)際考察，就可得到答案。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,(1) 打入式擠土樁的輸水通道，如圖13.7(a)所示。 各種打入式擠土樁，包括各種預(yù)制樁和沉管灌注樁是依靠重力強(qiáng)行將樁身鍥進(jìn)土中的，會(huì)在樁周土體中擠出大小不等的放射形裂縫，因此形成理想的輸水通道，在樁周膨脹土中產(chǎn)生各向異性、強(qiáng)度不一的膨脹壓力。 (2) 護(hù)壁式人工挖孔樁的輸水通道。如圖13.7(b)所示。 人工挖孔樁是分層下挖，分層護(hù)壁的，

28、護(hù)壁套筒的厚度薄、施工難度大、施工縫多，混凝土護(hù)壁本身的密實(shí)度就不高，吸水能力強(qiáng)，加上壁后與土層的接觸面不緊密，護(hù)壁套筒顯然是一個(gè)理想的滲水通道。 (3) 鉆孔灌注樁樁周接觸帶的輸水通道。如圖13.7(c)所示。 鉆孔灌注樁是通過泥漿護(hù)壁的施工工藝完成的，樁周形成的一層厚度不等的泥皮由細(xì)顆粒膠泥與粗顆粒砂石混合組成，除了有很大的干縮性外，還有很強(qiáng)的透水性。在泥皮干縮階段，膨脹性粘土層之間形成了一個(gè)空隙帶，這就是理想的輸水通道。在泥皮干縮階段，膨脹土中吸收混凝土和泥漿中的些許水分還不足以形成強(qiáng)大的膨脹壓力，只有等待泥漿干縮形成裂隙以后，上面或下面含水層中豐富的水源通過輸水通道輸入膨脹性黏土層中，

29、巨大的而且是各向異性的膨脹壓力就會(huì)將樁身擠歪。所以一般說來，鉆孔樁基礎(chǔ)引發(fā)的膨脹土地基上的建筑物裂縫事故比打入式擠土樁或人工挖土樁引發(fā)的裂縫事故在時(shí)間上較滯后。,膨脹土地基上的建筑結(jié)構(gòu)裂損機(jī)理,圖13.7 樁周輸水通道形成圖 注：1. 擠出徑向裂縫； 2. 挖孔樁護(hù)壁； 3. 鉆孔樁泥皮。,膨脹土地基的工程處理措施,自20世紀(jì)40年代膨脹土地基災(zāi)害在美國西部地區(qū)開始泛濫以來，國際工程學(xué)術(shù)界為防治此災(zāi)害已經(jīng)做過很多努力。近20年來國內(nèi)工程學(xué)術(shù)界也在關(guān)注此事。但是國內(nèi)外關(guān)于災(zāi)害的各種處理措施的可靠性與經(jīng)濟(jì)性卻存在很大差別，人們對(duì)其認(rèn)識(shí)與評(píng)價(jià)并不一致，在處理措施選擇中宜持慎重態(tài)度，現(xiàn)試作如下綜合評(píng)述

30、。 一.針對(duì)性最強(qiáng)的處理措施 從一開始，美國工程界就提出過關(guān)注建筑物四周散水坡的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量，防止室外地表水滲入地下引起災(zāi)害的措施，也提出過提高地面工程質(zhì)量，用鋼筋混凝土防滲地面或鋼筋混凝土架空地面取代普通素混凝土地面的措施。這些措施都有很強(qiáng)的針對(duì)性，但是其效果并不顯著，付出的代價(jià)并不低，因此幾十年來，并沒有引起工程學(xué)術(shù)界的過多關(guān)注。,膨脹土地基的工程處理措施,二. 基于“對(duì)抗”理念的防治措施 有一種被贊為“爭(zhēng)取主動(dòng)”的積極措施稱得上最受推崇的主流措施，其主要內(nèi)容就是強(qiáng)化建筑結(jié)構(gòu)的自我抵抗能力，提高設(shè)計(jì)安全水準(zhǔn)，增加結(jié)構(gòu)安全儲(chǔ)備。其具體手法是在輕型磚混結(jié)構(gòu)中增加鋼筋混凝土構(gòu)造柱和統(tǒng)圈梁，放大

31、輕型框架的梁柱構(gòu)件斷面，擴(kuò)大基底的承壓面積，限制各種低強(qiáng)、輕質(zhì)、廉價(jià)材料在工程中的使用。其實(shí)際后果無異于要求在非地震區(qū)建造的輕型民用房屋一律要按八度抗震甚至九度抗震的高標(biāo)準(zhǔn)去設(shè)防。對(duì)于量大面廣低水平的農(nóng)村建設(shè)來說，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。何況實(shí)踐已經(jīng)充分證明，地基膨脹壓力的實(shí)際破壞作用比九度地震還要嚴(yán)峻，根本無法與它正面對(duì)抗作戰(zhàn)，一切付出都是徒勞。因此認(rèn)為，基于“對(duì)抗”理念所采取的種種措施的可靠性與經(jīng)濟(jì)性是值得懷疑的。,膨脹土地基的工程處理措施,三. 基于“逃避”思想的防治措施 富裕了的美國人曾經(jīng)不惜花大代價(jià)，廣泛采用樁基穿透法、筏板覆蓋法、深基重壓法等措施去治理膨脹土地基災(zāi)害。也曾嘗試過用廉價(jià)的黏

32、土墊層法、砂石墊層法等措施去處理膨脹土地基。其實(shí)這是一種掩耳盜鈴的逃跑主義。認(rèn)為用深樁穿透了膨脹土層，或用筏板覆蓋了膨脹土層，或用墊層隔離膨脹土層，就可以躲避侵害，其實(shí)際效果卻起了引 “狼”入室的作用、尤其是穿透了隔水層的樁身和滲透能力最強(qiáng)的砂石墊層是膨脹土地基的最大克星。筏板基礎(chǔ)雖可以隔水，減少室內(nèi)地面水滲入地基為害的幾率，卻也大大削減了基底面的壓力強(qiáng)度。一旦有水滲入基底，膨脹壓力就可以輕易克服基底壓力，將筏板頂起，進(jìn)而將整個(gè)基礎(chǔ)和上部結(jié)構(gòu)破壞。因此認(rèn)為，基于“逃避”思想指導(dǎo)下的一系列防治措施，具有很大的危害性，應(yīng)該慎用。,膨脹土地基的工程處理措施,四. 基于“馴服”理念的防治措施 膨脹土只

33、要不受水的侵犯，它是非常馴服的。治土先治水，這也是一種傳統(tǒng)理念，來自實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。因此認(rèn)為只要從嚴(yán)格治水著眼，對(duì)膨脹土進(jìn)行控制與馴服，就容易收到技術(shù)上可靠、經(jīng)濟(jì)上合理的良好效果。其具體措施包括了以下幾個(gè)方面。 (1) 關(guān)注室外散水坡的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。 (2) 關(guān)注建設(shè)場(chǎng)地或建筑總平面圖的徑流方向和雨、污水排放措施。 (3) 關(guān)注建設(shè)場(chǎng)地的植被情況，以廣種花木保持場(chǎng)地表土層含水量穩(wěn)定為宜。建筑物周圍不可種闊葉深根的喬木，粗根扎入地下對(duì)地層的隔水、保水均不利。 (4) 切實(shí)關(guān)注室內(nèi)上下水管道工程的設(shè)計(jì)與施工質(zhì)量。上水道系統(tǒng)應(yīng)按上行下給方式進(jìn)行設(shè)計(jì)配管，輸水干管沿外墻上升至屋頂再往下配水，上水管基本上不

34、與地面接觸，更不埋置地下。下水管道敷設(shè)在不滲漏的管子溝內(nèi)送往室外，統(tǒng)一排放。杜絕上下水管道系統(tǒng)滲漏現(xiàn)象。 (5) 切實(shí)加強(qiáng)用水管理和節(jié)水、防漏的宣傳教育工作。 顯然，以上措施實(shí)際上并不用額外支付昂貴的經(jīng)濟(jì)代價(jià)，卻能收到可靠的技術(shù)效果。因此認(rèn)為是一種值得推薦的好措施。,工 程 實(shí) 例,下面介紹的四個(gè)工程實(shí)例可以充分證明：用“馴服”理念來防治膨脹土地基災(zāi)害是正確的。 一. 膨脹土地基上的建筑群裂損災(zāi)害 于20世紀(jì)80年代末90年代初建于某膨脹土地區(qū)的33棟37層磚混結(jié)構(gòu)住宅樓，總 建筑面積51 300m2，按常規(guī)設(shè)計(jì)與施工，其中28棟于建成后一年內(nèi)即陸續(xù)開始出現(xiàn)裂縫，被迫拆除了3棟，遭到嚴(yán)重?fù)p壞的

35、有7棟，其余18棟的墻面裂縫有如下特征。 (1) 山墻上普遍出現(xiàn)倒八字型裂縫； (2) 前后外縱墻上以水平裂縫為主，墻身外傾，基礎(chǔ)轉(zhuǎn)動(dòng)； (3) 內(nèi)外墻上均有交叉傾斜的復(fù)合型裂縫出現(xiàn)； (4) 獨(dú)立柱基有位移與傾斜跡象； (5) 獨(dú)立柱身上有水平裂縫和傾斜趨勢(shì)； (6) 地坪有普遍隆起與裂損跡象。 顯然，這是典型的膨脹土地基脹害現(xiàn)象，它對(duì)于按正規(guī)設(shè)計(jì)、正常施工的住宅群竟破壞嚴(yán)重。那么對(duì)于按低標(biāo)準(zhǔn)建造的農(nóng)村建筑來說，其威脅就可想而知了。 這里只是向人們敲響了警鐘！嚴(yán)峻的事實(shí)已向工程學(xué)術(shù)界提出了該如何防治膨脹土地基災(zāi)害問題。但從理論研究到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范中還很難找到答案。,工 程 實(shí) 例,二.難于治理的高

36、干住宅群裂縫與滲漏現(xiàn)象 某低層框架高干住宅群建于一紅黏土臺(tái)地上。工程人員出于對(duì)工程安全的特殊關(guān)注，從設(shè)計(jì)圖紙檢查中發(fā)現(xiàn)，作為主體結(jié)構(gòu)的框架與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)按8度抗震設(shè)防，實(shí)際安全水準(zhǔn)滿足9度設(shè)防要求還綽綽有余；施工過程工作人員也是按高標(biāo)準(zhǔn)、嚴(yán)要求去完成的，但自建成交付使用以后，即陸續(xù)出現(xiàn)了梁、柱、墻板等結(jié)構(gòu)構(gòu)件的普遍裂縫和嚴(yán)重滲漏現(xiàn)象。雖然機(jī)關(guān)事務(wù)管理部門不遺余力，自始至終在進(jìn)行管理與維修，病害卻只見加重，沒有減輕，甚至出現(xiàn)了上、下水管道扭損斷裂的現(xiàn)象。經(jīng)專家會(huì)診，認(rèn)定這些屬于中等膨脹土脹害癥狀。該住宅群結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)雖然過于保守，安全儲(chǔ)備雖然高，但沒有關(guān)注“治水”問題。在基底承壓力偏低的條件下，膨脹壓力更容易導(dǎo)致獨(dú)立柱基的位移與傾斜，引起一系列的上部結(jié)構(gòu)變形與裂縫。也正因?yàn)榈鼗恋呐蛎浥c上部結(jié)構(gòu)的變形，導(dǎo)致了