5.4 坡地和挡土结构

5.4.1、5.4.2 非膨胀土坡地只需验算坡体稳定性，但对膨胀土坡地上的建筑，仅满足坡体稳定要求还不足以保证房屋的正常使用。为此，提出了考虑坡体水平移动和坡体内土的含水量变化对建筑物的影响，这种影响主要来自下列方面：
1) 挖填方过大时，土体原来的含水量状态会发生变化，需经过一段时间后，地基土中的水分才能达到新的平衡；
2) 由于平整场地破坏了原有地貌、自然排水系统及植被，土的含水量将因蒸发而大量减少，如果降雨，局部土质又会发生膨胀；
3) 坡面附近土层受多向蒸发的作用，大气影响深度将大于坡肩较远的土层；
4) 坡比较陡时，旱季会出现裂缝、崩坍。遇雨后，雨水顺裂隙渗入坡体，又可能出现浅层滑动。久旱之后的降雨，往往造成坡体滑动，这是坡地建筑设计中至关重要的问题。
防治滑坡包括排水措施、设置支挡和设置护坡三个方面。护坡对膨胀土边坡的作用不仅是防止冲刷，更重要的是保持坡体内含水量的稳定。采用全封闭的面层只能防止蒸发，但将造成土体水分增加而有胀裂的可能，因此采用支撑盲沟间植草的办法可以收到调节坡内水分的作用。
5.4.3～5.4.5 建造在膨胀土中的挡土结构（包括挡土墙、地下室外墙以及基坑支护结构等）都要承受水平膨胀力的作用。水平膨胀变形和膨胀压力是土体三向膨胀的问题，它比单纯的竖向膨胀要复杂得多。“膨胀土地基设计”专题组曾在20世纪80年代在三轴仪上对原状膨胀土样进行试验研究工作，其结果是：在三轴仪测得的竖向膨胀率比固结仪上测得的数值小，有的竖向膨胀比横向膨胀大；有的却相反。土的成因类型和矿物组成不同是导致上述结果的主要原因。广西大学柯尊敬教授通过试验研究也得出了土中矿物颗粒片状水平排列时土的竖向膨胀潜势要大于横向的结论。中国建筑科学研究院研究人员在黄熙龄院士指导下，在改进的三轴仪上对黑棉土（非洲）和粉色膨胀土（安徽淮南）重塑土样的侧向变形性质进行试验研究表明：膨胀土的三向膨胀性能在土性和压力等条件不变时，线膨胀率和体膨胀率随土的密度增大和初始含水量减小而增大；压力是抑制膨胀变形的主要因素，图18是非洲黑棉土（ω＝35.0％，γ_d＝12. 4kN/m³）的试验结果。由图中曲线可知：保持径向变形为定值时，竖向压力σ₁小时侧向压力σ₃也小；竖向压力σ₁大时侧向压力σ₃亦大。当径向变形为零时，所需的侧向压力即为水平膨胀力。同样，竖向压力大时，其水平膨胀力亦大。这与现场在土自重压力下通过浸水试验测得的结果是一致的，即当土性和土的初始含水量一定时，土的水平膨胀力在一定深度范围内随深度（自重压力）的增加而增大。

图18 最大径向膨胀率与侧压力关系
1－σ₁=30kPa; 2－σ₁=50kPa; 3－σ₁ =80kPa

 膨胀土水平膨胀力的大小与竖向膨胀力一样，都应通过室内和现场的测试获得。湖北荆门在地表下2m深范围内经过四年的浸水试验，观测到的水平膨胀力为(10～16)kPa。原铁道部科学研究院西北研究所张颖钧采用安康、成都狮子山、云南蒙自等地的土样，在自制的三向膨胀仪上用边长40mm的立方体试样测得的原状土水平膨胀力为7.3kPa～21.6kPa，约为其竖向膨胀力的一半；而其击实土样的水平膨胀力为15.1kPa～50.4kPa，约为其竖向膨胀力的0.65倍；在初始含水量基本一致的前提下，重塑土样的水平膨胀力约为原状土样的2倍。
前苏联的索洛昌曾对萨尔马特黏土在现场通过浸水试验测试水平膨胀力，天然含水量为31.1％、干密度为13.8kN/m³的侧壁填土在1.0m～3.0m深度内的水平膨胀力是随深度增加而增大，最大值分别为49kPa、51kPa和53kPa，相应的稳定值分别为41kPa、41kPa和43kPa。土在浸水过程的初期水平膨胀力达到一峰值后，随着土体的膨胀其密度和强度降低，压力逐渐减小至稳定值。在工程应用时，索洛昌建议可不考虑水平膨胀力沿深度的变化，取0.8倍的最大值进行设计计算。
上述试验结果表明：作用于挡土结构上的水平膨胀力相当大，是导致膨胀土上挡土墙破坏失效的主要原因，设计时应考虑水平膨胀力的作用。在总结国内成功经验的基础上，本规范第5.4.3条对于高度小于3m的挡土墙提出构造要求。当墙背设置砂卵石等散体材料时，一方面可起到滤水的作用，另一方面还可起到一定的缓冲膨胀变形、减小膨胀力的作用。
因此，墙后最好选用非膨胀土作为填料。无非膨胀土时，可在一定范围内填膨胀土与石灰的混合料，离墙顶1m范围内，可填膨胀土，但砂石滤水层不得取消。高度小于等于3m的挡土墙，在满足本条构造要求的情况下，才可不考虑土的水平膨胀力。应当说明，挡土墙设计考虑膨胀土水平压力后，造价将成倍增加，从经济上看，填膨胀性材料是不合适的。
虽然在膨胀土地区的挡土结构中进行过一些水平力测试试验，但因膨胀土成因复杂、土质不均，所得结果离散性大。鉴于缺少试验及实测资料，对高度大于3m的挡土墙的膨胀土水平压力取值，设计者应根据地方经验或试验资料确定。
5.4.6 在膨胀土地基的坡地上建造房屋，除了与非膨胀土坡地建筑一样必须采取抗滑、排水等措施外，本条目的是为了减少房屋地基变形的不均匀程度，使房屋的损坏尽可能降到最低程度，指明设有挡土墙的建筑物的位置。如符合本条两条件时，坡地上建筑物的地基设计，实际上可转变为平坦场地上建筑物的地基设计，这样，本规范有关平坦场地上建筑物地基设计原则皆可按照执行了。除此之外，本规范第5.2.4条还规定了坡地上建筑物的基础埋深。
需要说明，87规范编制时，调查了坡上一百余栋设有挡土墙与未设挡土墙的房屋，两者相比，前者损坏较后者轻微。从理论上可以说明这个结论的合理性，前面已经介绍了影响坡上房屋地基变形很不均匀的因素，其中长期影响变形的因素是气候，靠近坡肩部分因受多面蒸发影响，大气影响深度最深，随着距坡肩距离的增加，影响深度逐渐接近于平坦地形条件下的影响深度。因此，建在坡地上的建筑物若不设挡土墙时最好将建筑物布置在离坡肩较远的地方。设挡土墙后蒸发条件改变为垂直向，与平坦地形条件下相近，变形的不均匀性将会减少，建筑物的损坏也将减轻。所以采用分级低挡土墙是坡地建筑的一个很有效的措施，它有节约用地、围护费用少的经济效益。
除设低挡土墙的措施外，还要考虑挖填方所造成的不均匀性，所以在本规范第5章第5、6节建筑措施和结构措施中还有相应的要求。