膨胀土对建筑物的危害和预防方法

膨胀土对建筑物的危害和预防方法
摘要：因工程地质存在膨胀土等不良地质情况，基础设计具有一定难度。

膨胀土：土中黏粒成分主要由亲水性矿物组成，同时具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的黏性土。

关键词：膨胀土；膨胀变形；砂石垫层
由于膨胀土只在极少数的地区存在，在实际设计中能接触到膨胀土的机会并不多，导致对膨胀土的危害性认识不足，对膨胀土问题没有引起高度的重视，造成工程的返工和经济损失，并且给业主方带来不良的影响，有的甚至危及房屋的使用安全。

本文针对因膨胀土问题而引发的工程病害从膨胀土特性、危害、裂缝产生的原因及预防方法等方面进行了系统的总结分析。

1、膨胀土的特性
1.1膨胀土微观结构
膨胀土是土中颗粒成分，主要由亲水性较强的矿物蒙脱石、多水高岭石、伊利石( 水云母)、硫化铁、蛭石等组成，具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特征的黏土。

膨胀土的膨胀—收缩—再膨胀的周期性变形特征非常显著，并给工程带来危害。

这类土干时土质坚硬，易脆裂；具有明显的垂直、水平、斜向裂隙，裂隙面开张较光滑，有的有光泽。

裂隙中常充填灰绿、灰白色黏土。

裂隙随深度的增加其数量和开张宽度逐渐减少以至消失；土浸湿后，裂隙回缩变窄或闭合。

1.2膨胀土工程特性
膨胀土在自然条件下，土的结构致密，多呈硬塑或坚硬状态；其自由膨胀率在40%~65%之间的为弱膨胀；65%~90%为中膨胀，不小于90%为强膨胀，天然含水率接近塑限，塑性指数大于17，多在22~35之间；液限指数小于零，天然空隙比在0.5~0.8之间。

多出现在二级及三级以上河谷阶地、龙岗、山梁、斜坡、山前丘陵和盆地边缘，地形坡度平缓，无明显自然陡坎。

1.3膨胀土工程特性的影响因素
1.3.1内因
1) 矿物及化学成分。

膨胀土主要由蒙脱石、伊利石等矿物组成，亲水性强，胀缩变形大；2) 黏土颗粒的含量。

由于黏土颗粒细小，比表面积大，因而具有较强的表面能，对水分子的吸附能力强，因此，土中黏土颗粒含量越多，则土的胀缩性越强；3) 土的密度。

如果土的密度大即空隙比小，则浸水膨胀强烈，失
水收缩小，反之，密度小即空隙比大，则浸水膨胀小，失水收缩大；4) 土的含水率。

若初始含水率与膨胀后含水率接近，则膨胀小，收缩大；反之，则膨胀大，收缩小；5) 土的结构强度。

结构强度愈大，则土体限制胀缩的能力愈大，而当土的结构被破坏后，土的胀缩性也增大。

1.3.2外因
1) 气候条件是主要因素。

降雨量、蒸发量、相对湿度、气温和地温，雨季土体吸水膨胀，旱季失水收缩；2) 地形、地貌也是重要因素。

实质是土中水分的变化，同类膨胀地基，地势低处比高处胀缩变形小，边坡地带、坡角地段比肩坡地段胀缩变形小；3) 建筑物周围的树木，尤其是阔叶乔木，旱季树根吸水，加剧地基土的干缩变形；4) 日照时间和强度。

2、膨胀土对建筑物的危害
（1）纵墙竖向裂缝。

这种裂缝易出现在平面长度较大的建筑物的纵墙中间部位，在整个墙体高度内呈上宽下窄的贯通性状态。

建筑物长高比越大，裂缝的数量越多，宽度也越大。

（2）纵墙水平裂缝。

这种裂缝出现在墙体高度的中、下层，由数条大小不同的裂缝组成，部分裂缝贯通，呈外宽内窄状态。

（3）横墙裂缝。

①在与外纵墙交接处、楼面板板底部位，横墙出现枝状裂缝，裂缝呈上宽下窄贯通性状态，其长度一般不会延伸到该层楼、地面，开裂程度从顶层到底层依次减弱，造成纵横墙局部脱离。

②横墙门洞内侧上角出现1~2条贯通性裂缝，钢筋混凝土过梁端部与墙体脱离。

③部分横墙呈内高外低、与地面成45 °贯通性裂缝，裂缝宽度较小。

（4）外墙八字形裂缝。

房层底层端部四角呈八字形裂缝。

（5）楼面裂缝.在房屋端部1~2开间内，或坡度较大场地上处于坡脚部位建筑物的端部楼面产生数条裂缝。

裂缝与横墙平行、通长贯通，上宽下窄，开裂程度从顶层到底层依次减弱。

3、裂缝产生的根本原因
土体膨胀力通过基础传到建筑物的上部结构时，大致受到以下几个方面的约束。

（1）外墙及圈梁的纵向水平约束。

纵墙墙体可近似看作深梁，产生弯曲应力，当建筑物两端沉降相对比中间部位大，或中间部位地基土的膨胀变形相对比两端大时，“梁”的上截面受拉，下截面受压。

当建筑物中间部位沉降相对比两端大时，或两端地基土的膨胀变形相对比中间部位大时，“梁”的上截面受压，下截面受拉。

受拉区的变形受到墙体本身及圈梁的纵向水平约束，当水平约束应力
超过砌体抗拉极限强度时，墙体便产生裂缝。

约束应力在深梁的顶部达最大值，自上而下渐次衰减裂缝呈上宽下窄形式：同理，深梁下部受拉，墙角产生八字形裂缝，基础开裂。

（2）楼、屋面板、横墙的侧向水平约束，当外墙两侧地基土变形不均匀（一般外侧变形大于内侧变形）时，基础连同上部墙体有向两侧转动的趋势，这个过程受到上部结构楼、屋面板、横墙的侧向水平约束。

当基础与墙体向内侧翻转时，上部结构的楼、屋面板、横墙受到了外墙传来的侧向压力。

一般来说，房屋的侧向刚度足以抵抗这种压力，对墙体变形完全可以取到约束作用，裂缝不会产生。

而当基础与墙体向外侧翻转时，楼、屋面板、横墙对外墙产生拉结约束应力，且楼、屋面板、横墙对外墙的约束力超过砌体的抗拉极限强度，在约束拉力最大部位即纵横墙交接处局部拉脱，外墙墙体外闪，并有外宽内窄的水平裂缝产生。

（3）楼、层面板、圈梁的竖向约束。

墙体的升降对上部结构的板端及圈梁产生拉（压）应力，与此同时，墙体也受到了板端及圈梁的竖向约束，特别是在同一建筑物多种基础混用，以及采用不同的结构承重的情况下，地基土变形对上部结构的影响存在很大差异，墙体受到的约束应力也极不平衡，使板端与圈梁对墙体的竖向约束应力局部集中，引起楼面板支承反力重分布，在板内产生新的附加内力，在新的附加内力作用下，斜截面受剪承载力不足而造成楼、屋面板的开裂、破坏。

总之，结构在约束状态下，首先要求有变形的余地，,如结构没有条件满足此要求，则必须产生约束应力，超过砌体或混凝土构件的抗拉、抗剪强度，导致结构开裂。

裂缝开展的过程就是地基土变形能量释放的过程，相应的，结构的约束力随着裂缝的开展越来越小直至消失。

4、裂缝预防方法
（1）建筑平面力求简单，竖向体型力求规则，结构刚度力求均衡，基础类型和上部结构承重方式力求单一，如不能满足这些要求，应适当提高结构刚度和延性，增强结构抗力。

在建筑平面的转折部位，竖向体形有显著变化部位以及基础类型及上部结构类型显著差异部位，设置沉降缝以释放地基变形能量。

（2）砂垫层置换局部膨胀土层。

砂石垫层置换建筑物基础下部分膨胀土地基。

建在膨胀土地基上的多层砌体房屋，为消除膨胀土的胀缩作用，多采用砂石垫层。

砂石垫层置换厚度视基础距膨胀土的距离和膨胀土的深浅确定。

例如，某地1~2层房屋基础下遇软弱土层，一般置换300mm砂垫层；3~4层房屋基础下遇软弱土层，一般置换300mm~500mm砂石垫层，5~7层房屋基础下遇软弱土层，一般置换500mm~600mm砂层垫层，具体工程置换厚度及宽度应通过计算并依据《膨胀土地区建筑技术规范》GB 50112确定。

参考文献:
[ 1 ]土力学及地基基础吴湘兴武汉大学出版社，1993
[ 2 ]膨胀土地区建筑技术规范GB 50112-2013 北京中国建筑工业出版社，2013。