機械增益

[拼音]：pengzhangtu diji

[英文]：expansive soil

指土的粘粒成分中含有較多的強親水性礦物，並具有一定膨脹勢能的地基。膨脹土主要分佈在北美西部、亞洲南部、澳洲及非洲等半乾旱地區；在中國黃河流域及西南諸省也有程度不同的分佈。膨脹土裂隙發育，呈半堅硬狀態，易給人以良好地基的假象。1938年發現輕型磚砌房屋大量破壞以後，這種現象才引起岩土工程界的注意。到目前為止，對膨脹土的物質構造、變形特徵、房屋破壞機理、工程設計與處理等已經有了基本認識，並逐漸發展成為土力學的一個分支學科。

膨脹土的工程特性

引起膨脹的主要物質是蒙脫石，它具有較大的比表面及陽離子交換量，在與水相互作用過程中，能吸水引起粒間膨脹及礦物晶體膨脹。膨脹後的土體強度急驟降低、膨脹勢能減弱。遇有蒸發可能時，土的含水量也減少，體積隨之收縮，吸附能力增加。膨脹-收縮-再膨脹的反覆可逆變形特性是膨脹土與其他土的基本區別。

土中的水因外界環境條件的改變而不斷轉移稱為水分轉移，它是引起膨脹收縮的重要原因。沒有水的補給，膨脹變形不可能產生；沒有失水條件，收縮也不會發生。促使水分轉移的環境因素有三：

（1）氣候的變化，包括季節性降雨、蒸發、氣溫及溼度等。它直接影響接近地表的一定深度內的土層的含水量。離地表愈近，含水量的變化幅度愈大;到一定深度時，氣候的影響很小，含水量也比較穩定。這個深度稱為氣候影響深度，一般為1～3米。如基礎位於此深度以內，則可觀測到它隨著降雨和蒸發作週期升降運動。

（2）由於建築物、地坪、散水、路面等覆蓋了原有地面，覆蓋面以下的含水量將因水的氣態和液態的熱轉移而增高，使建築物上升，地坪、地面隆起。

（3）施工期大挖大填和平整場地破壞了原有的水分平衡，區域性曝晒及浸水引起區域性含水量發生變化，都能促使水分轉移。

膨脹土的鑑別

識別膨脹土有三種方法：

（1）礦物鑑定法。如:X射線折射法、差熱法、電鏡辨別法、化學分析法等。目的是直接測定礦物成分及其結構。蒙脫石含量超過10％並處於膠凝狀態時，就足以引起較大膨脹。

（2）物理指標判別法。如：自由膨脹率法、縮限法、活性法等。這些方法是通過物理指標與膨脹效能相關的統計得出的，優點是簡單易行。

（3）力學測定法。直接用膨脹儀和收縮儀測定原狀土的膨脹力、膨脹係數和收縮係數等指標，並計算變形量。中國目前採用綜合法，即：根據土的自由膨脹率及現場調查結果（包括地形地貌、野外地質特徵、土的裂隙與結構形態等）綜合考慮，待初步判別為膨脹土後，再進行力學測定和計算變形量，作為地基評價及設計的依據。

建築物變形計算

膨脹土地基上的建築物變形可大致分為上升型、升降型、下降型三類。各類變形都與外界因素及起始含水量有關。在半乾旱地區，土的起始含水量很低，一般出現上升型；在溫帶半溼潤氣候下，土的起始含水量在塑限附近波動，多出現升降型；當含水量達1.2倍塑限以上時，或由於生產裝置的熱力作用導致地基土乾燥時，則出現下降型。實際上變形頗為複雜，有時，同一棟房屋南面下沉、北面上升，或者中部上升、四角下沉。因此，預估建築物各點的升降值是極為困難的，目前僅能反映若干年內變形的最大幅值。

膨脹上升變形值SH與收縮下沉值SS分別由下兩式表達：

式中h為某層土的計算厚度；ep為某層土在壓力p（附加壓力與自重壓力之和）作用下的膨脹率；eS為某層土的豎向收縮係數，即減少1％含水量時的線收縮率；Δw為某層土天然含水量與最小含水量之差; K1、K2為工作條件係數。

計算深度由實際情況確定，一般小於5米。對於升降型變形幅度可取膨脹上升值變形與收縮下沉值之和。

基礎埋深一般宜大於1米，以避開氣候急驟影響層。

地基設計

設計時主要考慮：

（1）坡體的穩定性；

（2）不同結構可能承受的變形。

膨脹土屬於易產生淺層滑動的特殊土，因此，治坡是保證建築安全的首要措施。膨脹土邊坡穩定角較低，一般為11°～14°，層狀土質邊坡穩定角還需由層面與坡面的變角確定。過去對該特性缺乏認識，由坡體蠕動引起的房屋損壞事故很多。因此，在處理時應先做好整體規劃，防止大挖大填；施工時做好場區排水及抗滑擋牆，擋牆背後宜填非膨脹土，以減少膨脹壓力。

根據膨脹土地基已建房屋調查，排架結構、高聳結構和三層以上的砌體結構都比較完好，變形幅度亦小;在三層及三層以下的磚石結構中，以一層房屋損壞較嚴重，二層次之，三層又次之；坡地上的房屋損壞又比平坦地形上的重。針對這種情況，目前，所採取的主要措施偏重於減少變形幅度及其差異變形。具體做法為：

（1）適當增加基礎埋深和增大基底壓力，以限制其膨脹變形幅度，如：獨立基礎（見基礎）、樁基礎、換土墊層（見換土法）等。

（2）穩定地基土含水量，減少蒸發量，控制下沉。各種保溼措施都屬此類，其中常用的有：用鬆散材料做墊層的寬散水，在緩坡地帶採用低擋牆以減少坡面蒸發，以及在房屋四周種草植樹等。

（3）增加牆體強度，如增設圈樑或牆體配筋等。

這些措施只有根據各地的實際情況選用，才能收到較好的技術和經濟效益。

對於有熱源的裝置基礎如隧道窯和均熱爐等，要防止熱量傳入地下以減少收縮下沉，常用的有效方法是在基礎中增設通風層，用通風裝置及時排出熱空氣。地坪隆起與開裂是普通存在的現象，解決的方法是大量換土或做架空地板。但由於費用較大，這種方法目前僅在修建工業廠房時採用。

使用期間的維護對延長建築物的使用期限是至關重要的。經常檢修管道，排除積水，可避免區域性地基浸水膨脹而引起的房屋損壞。