安哥拉Cacuaco地區(qū)膨脹土工程性質初探

唐立軍，程泳祥，邵兵廠

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司， 陜西 西安 710043； 2.陜西省特殊土工程性質與處理技術重點實驗室， 陜西 西安 710043)

安哥拉Cacuaco地區(qū)膨脹土工程性質初探

唐立軍1,2，程泳祥1,2，邵兵廠1

(1.機械工業(yè)勘察設計研究院有限公司， 陜西 西安 710043； 2.陜西省特殊土工程性質與處理技術重點實驗室， 陜西 西安 710043)

安哥拉Cacuaco地區(qū)殘坡積的黏土、粉質黏土為典型的膨脹土，由于缺乏相關資料和工程經(jīng)驗，在該地區(qū)進行工程建設具有較大的風險和技術難度。通過對區(qū)內某水泥廠的巖土工程詳細勘察，采取室內土工試驗，現(xiàn)場原位測試等方法得出了Cacuaco地區(qū)膨脹土的膨脹率、剪切強度、固結、滲透系數(shù)等基本工程性質指標，揭示了該膨脹土含大量親水礦物、增濕強度大幅衰減、無荷膨脹率較高等主要特點。同時，基于對擬建工程的變形監(jiān)測，分析和評價了膨脹土地基對建筑物產(chǎn)生的影響，并進一步闡述了該地區(qū)地基基礎方案的選擇。

Cacuaco；膨脹土；黏土；工程性質；基礎方案

Cacuaco市位于安哥拉首都羅安達市郊，西瀕大西洋，是羅安達省的七個直轄市之一，人口約60萬。位于本戈河(Rio Bengo)以南，寬扎河(Rio Kwanza)以北的羅安達平原，地勢較為平坦，在羅安達省內高程從沿海向內陸逐漸抬高，最高高程約160 m，區(qū)域地貌為典型的構造剝蝕平原。

與羅安達地區(qū)普遍分布的濕陷性紅砂(Quelo砂)不同的是，Cacuaco地區(qū)地表分布有較大面積的膨脹性黏土、粉質黏土，且與Quelo砂的分布界線十分明顯。區(qū)內還發(fā)育有Cacuaco-Vidrol水泥灰?guī)r礦床，其總資源量達1.5億t[1]，依托該礦床的水泥廠即建于該地區(qū)。水泥廠在興建過程中，曾進行了詳細勘察及施工勘察，基礎施工期間還進行了長期的沉降觀測工作，獲得大量數(shù)據(jù)。本文結合兩次勘察的結果及沉降觀測數(shù)據(jù)，對該地區(qū)膨脹土的工程性質進行了初步研究，為該地區(qū)今后的工程建設提供可供借鑒的工程經(jīng)驗。

1 廠區(qū)地層結構

根據(jù)安哥拉地質圖[2]，廠區(qū)地層為第三紀漸新世—中新世的Quifangondo組(P3-N1qf)，在羅安達省的Viana市、Cacuaco市，本戈省的Catete市、Bom Jesus市及寬扎河下游南岸地區(qū)均有分布(見圖1)。

圖1羅安達地區(qū)1∶1 000 000地質圖

廠區(qū)位于兩座丘陵之間的緩坡地段，地層為第三紀粉質黏土、黏土和泥巖。地勢總體北高南低，略有起伏；中間高，東西兩側低，雨季向東西兩側小沖溝內排水。場地屬剝蝕殘丘地貌單元，按膨脹巖土場地劃分屬平坦場地，鉆孔地面標高介于77.60 m～86.70 m之間。根據(jù)安哥拉地質圖及周邊踏勘調查，廠區(qū)位于一個相對穩(wěn)定的區(qū)域，場地地層整體分布穩(wěn)定，除普遍分布的膨脹性黏土、粉質黏土外，未發(fā)現(xiàn)影響建廠的地質災害和不良地質現(xiàn)象(崩塌、滑坡、泥石流、巖溶和斷裂帶等)。根據(jù)2013年的詳勘結果，勘探深度內的地基土可分為4大層(其中第③層分2個亞層)，地層結構見表1。

表1 廠區(qū)地層結構

其中在黏土③層含全風化—強風化塊石透鏡體，母巖為泥灰?guī)r，透鏡體最大揭露厚度1.90 m；在泥巖④層含泥灰?guī)r或砂質泥巖透鏡體，透鏡體最大揭露厚度1.90 m。

廠區(qū)在最大60.5 m的勘探深度內未見地下水，附近沒有大的河流，東西兩側的小型沖溝平時無水，只在雨后會有少量短暫地表積水。

2 室內試驗

2.1 界限含水率試驗

詳勘期間進行的界限含水率試驗表明，該場地地基土的一大特征是液限(76 g錐，入土深度10 mm)[3]基本高于40%，呈硬塑狀態(tài)。各巖土層界限含水率統(tǒng)計結果見表2，液限與深度的關系見圖2。

表2 各巖土層界限含水率平均值

圖2液限沿深度分布散點圖

2.2 剪切試驗

對詳勘期間固結快剪試驗及三軸剪切試驗(UU)進行統(tǒng)計，結果表明，固結快剪得出的內摩擦角指標基本是三軸剪的兩倍，而黏聚力指標在不同地層則出現(xiàn)分化，粉質黏土②層、黏土③1層由固結快剪得出的黏聚力指標只有三軸剪的一半，黏土③2層、泥巖④層由固結快剪得出的黏聚力指標則基本與三軸剪相當。究其原因，直剪的剪切面為人為設定，剪切面積隨剪切過程不斷減小，破壞面未必發(fā)生在土樣的最薄弱處，造成其內摩擦角指標較三軸剪大[4]。此外，土體中發(fā)育的不規(guī)則裂隙對不同試驗方法得出的剪切指標也有較大影響[5-6]。各巖土層抗剪強度指標標準值見表3。

表3 各巖土層抗剪強度指標標準值

注：標*為平均值。

2.3 固結試驗

詳勘期間進行的固結試驗結果表明，場地地基土絕大部分屬中壓縮性土，僅有7%左右具高壓縮性，且絕大多數(shù)分布于20 m以內。壓縮系數(shù)(a1-2)沿深度的分布見圖3。

圖3壓縮系數(shù)沿深度分布散點圖

2.4 滲透試驗

詳勘期間進行的室內變水頭滲透試驗結果表明，該場地地基土的滲透性由上到下逐漸減弱，根據(jù)《水利水電工程地質勘察規(guī)范》[7](GB 50487—2008)對地基土進行滲透性分級，分級結果見表4。需要說明的是，從基坑開挖情況來看，該場地粉質黏土②層及黏土③1層中縱向裂隙發(fā)育，且土體中析出的石膏晶體呈條帶狀(見圖4)，形成滲水通道，而室內滲透試驗由于試樣面積小，得出的滲透系數(shù)不能完全反映土體的滲透性。在進行滲透性評價時，宜結合現(xiàn)場情況綜合判定[8]。

表4 各巖土層滲透系數(shù)及滲透性分級

圖4土體中的條帶狀石膏礦脈及縱向裂隙

2.5 膨脹性試驗

詳勘期間對257件土樣進行了自由膨脹率試驗，對179件原狀土樣進行了50 kPa下有荷膨脹率、膨脹力及收縮系數(shù)試驗，試驗結果見表5。

表5 各巖土層膨脹性指標

按照自由膨脹率(δef)大于40%的標準進行判定，粉質黏土②層及黏土③1層具中等—強膨脹潛勢，黏土③2層具弱—中等膨脹潛勢，泥巖④層則不具膨脹性[9-10]。

按照塑形圖判別時，227個δef≥40%的土樣中，有58個落在A線(Ip=66(Wl-0.2)，見圖5)以下[11]，有5個落在B線(Wl=40%)以左，下降為非膨脹土的土樣占總數(shù)的27.8%，若將A線放寬至D線(Ip=60(Wl-0.2))，除5個B線以左的未包含進來以外，其余土樣仍判定為膨脹土，δef≥40%但判定為非膨脹土的僅占總數(shù)的2.2%。

對于30個δef≤40%的土樣，除1個落在B線以左，其余均落在D線以上，上升為膨脹土。這其中大部分屬于泥巖④層，因此在使用塑性圖對該場地地基土特別是深層土進行膨脹性判別時，應結合工程地質特征綜合判定。

圖5自由膨脹率指標在塑性圖上的分布

另外在使用塑性圖進行膨脹潛勢評價時，李生林等[11]提出可使用Wl=40%，Wl=60%和Wl=80%分出弱、中、強三個等級，但在該場地幾乎沒有Wl高于60%的土樣。從對廠區(qū)受浸水影響而抬升的基礎的沉降觀測結果來看，該場地淺層土的膨脹性符合由δef評價的中等—強膨脹潛勢的結果，上述分級方法在該場地并不適用。筆者認為，造成這一差異的原因可能是因為粗粒度礦物的含量偏大造成液限偏低，而對膨脹潛勢的強弱起決定性作用的親水性礦物含量卻不低。由于該膨脹土與中國甚至安哥拉其它地區(qū)的膨脹土在結構、成因、礦物成分、工程地質條件等諸多方面存在差異，因此不能一味照搬國內膨脹土方面的工程經(jīng)驗[12]。

2.6 礦物分析(X射線衍射)試驗

詳勘期間對不同深度土樣進行了礦物分析試驗，試驗結果見表6。

表6 不同深度土層礦物含量

由試驗結果可知，高活動性的蒙脫石含量達30%以上，另外石膏含量在淺層土中含量也高達16%～30%。從受浸水影響的淺層剖面來看，浸水后的剖面中由石膏礦脈形成的裂隙大都閉合，石膏粉末呈潮濕狀，而未浸水的石膏礦脈則裂隙明顯，且石膏粉末也呈干燥的白色。由此可見，除蒙脫石等強親水性礦物的吸水膨脹外，石膏的吸水相變及重結晶作用也是導致地基土膨脹性的重要原因。

3 原位測試

3.1 標準貫入試驗

詳勘期間在該場地進行的標準貫入試驗結果見表7，擊數(shù)與深度關系見圖6，可見該場地標貫錘擊數(shù)沿深度增加逐漸增大的趨勢十分明顯。

表7 各巖土層標準貫入試驗實測錘擊數(shù) 單位：擊

圖6標貫錘擊數(shù)與深度關系

3.2 淺層平板載荷試驗

詳勘時分別在粉質黏土②層及黏土③1層分別進行了天然狀態(tài)及飽和狀態(tài)下的淺層平板載荷試驗，試驗結果見表8，試驗曲線見圖7。

表8 淺層平板載荷試驗結果

圖7淺部土層靜載荷試驗曲線

由試驗結果可見，該場地淺部土層的水敏性較強，浸水飽和后的承載力降低至天然狀態(tài)下承載力的1/3，變形模量也大幅降低，增濕強度衰減明顯[13]。

4 膨脹土地基對建筑物的影響

4.1 對輕型建筑的影響

水泥廠修建過程中，建設單位在廠區(qū)外搭建了泡沫夾心活動板房等臨時建筑，但未進行地基處理。受雨季降雨及日常生活用水的影響，其中一些建筑的地面出現(xiàn)了不均勻隆起現(xiàn)象，造成輕鋼構件與地面脫離，最終因影響使用而拆除。此外還造成水泥地面在伸縮縫處脫開、排水溝斷裂、圍墻開裂等不良影響。

4.2 對水泥廠建筑的影響

水泥廠的重要建筑使用樁基礎，一般建筑如堆棚、風機等使用淺基礎，地基處理方案使用紅砂土或角礫土換填。部分基坑開挖及基礎施工在雨季進行，基坑泡水，導致?lián)Q填土軟化下沉和膨脹土膨脹抬升同時發(fā)生。其中某堆棚網(wǎng)架，長約260 m，設置A、B兩軸各34個獨立基礎，基礎施工完畢后(上部結構未加載)持續(xù)進行沉降觀測，結果顯示：B軸基礎大部分抬升，最大抬升量達105 mm，A軸基礎則大部分沉降。A、B兩軸各基礎沉降差異較大(見圖8)，且在長達5個月的時間內抬升(或下沉)持續(xù)發(fā)展，不得不對基礎進行托換加固，某些變形較大的基礎甚至挖除重做。

圖8某堆棚網(wǎng)架獨立基礎抬升(或下沉)量

5 不同試驗方法對膨脹性指標的影響

鑒于上節(jié)中提到的某堆棚獨立基礎測得的最大抬升量達105 mm，與膨脹變形量計算值不符，施工勘察時在該基礎附近采取了6組未受浸水影響的原狀土樣重新進行試驗。查閱該基礎的施工日志，發(fā)現(xiàn)在綁扎基礎鋼筋籠后有一次降雨過程，降雨結束基坑晾干后開始澆筑混凝土并回填基坑，此過程可視作膨脹土先浸水膨脹后施加荷載，因此本次試驗采用兩種方法作為對比：方法1按照《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》[9](GB 50112—2013)附錄F規(guī)定的試驗流程，即加荷-浸水膨脹-逐級卸荷至零；方法2模擬該基礎的實際情況，即零壓力下浸水膨脹-逐級加荷至抵消膨脹變形[14]。試驗結果見圖9。

圖9兩種試驗方法測定膨脹性指標的對比

根據(jù)施工勘察結果，該基礎埋深2.7 m，換填土厚度1.3 m，換填土下的膨脹土浸水厚度為2.45 m，平均自重壓力與平均附加壓力之和為113 kPa，方法1在該壓力下測得的平均膨脹率δef1=-0.08%，方法2在該壓力下測得的平均膨脹率為δef2=5.16%，根據(jù)se=ψe∑δepi·hi(其中ψe取0.6)[9，15]計算得：se1=-1.2 mm，se2=75.9 mm，在不考慮換填土變形的情況下，方法2的計算結果較方法1更接近實際情況。

不難發(fā)現(xiàn)，按照方法2測得的各級壓力下的膨脹率和膨脹力遠大于方法1，說明膨脹變形與荷載的施加順序關系密切，浸水若發(fā)生在建筑物施工的不同時期，即使最終荷載相同，其表現(xiàn)出的膨脹變形量也不盡相同[16]。究其原因，該場地膨脹土在較大的附加壓力下浸水，會影響膨脹潛勢的發(fā)揮，而在已發(fā)生膨脹，特別是在室內試驗的完全側限條件下，卻又很難將膨脹變形“壓回去”。設計時如果按照規(guī)范規(guī)定的試驗方法得出的膨脹性指標估算脹縮變形，其脹縮等級存在低估的風險。

6 該地區(qū)地基基礎方案的建議

6.1 淺基礎方案

采用淺基礎方案時，由于地基土存在較強的膨脹性，一般都須進行地基處理。目前在安哥拉較常見的處理方法為換土法，土性改良等其它方法由于沒有成熟經(jīng)驗，因此較少見。換填土要求分層壓實并達到設計壓實度，形成一定的隔水性能。換土需要開挖基坑，對基坑防排水、保溫措施的要求較高，而羅安達地區(qū)雨季持續(xù)時間長達5個月，基礎施工完全避開雨季不切實際。對于在雨季進行基礎施工建筑物，基坑一旦泡水，受浸水影響的膨脹土應挖除并迅速回填非膨脹性材料。因此淺基礎方案中，妥善的防排水措施、良好的換填質量和基坑泡水后及時有效的處理措施是雨季施工的關鍵。

6.2 樁基礎方案

對差異沉降敏感但荷載不大的建(構)筑物，特別是在雨季施工的建(構)筑物，在無法確?；硬唤那闆r下，建議采用短樁基礎。其優(yōu)點在于樁基礎能穿過大氣影響深度內的膨脹土，基本消除地基土膨脹性的影響，且施工速度快。從沉降觀測結果來看，水泥廠采用了樁基礎的建筑物沉降基本控制在5 mm以內，地基變形得到良好的控制，后期維護費用也大大降低，有時相比淺基礎更為經(jīng)濟。設計時應著重考慮膨脹土膨脹時對樁基礎的脹拔力，以及收縮時地基土與樁體脫開對樁基承載力可能造成的影響。

7 結 論

(1) 安哥拉羅安達Cacuaco地區(qū)的殘坡積膨脹土的主要的親水性礦物為蒙脫石、高嶺石和石膏，其中土體中發(fā)育的縱向裂隙以及石膏礦脈形成的裂隙可成為滲水通道。

(2) Cacuaco地區(qū)膨脹土按自由膨脹率分類為中等—強膨脹潛勢，亦可結合工程地質條件使用塑性圖進行判別。通過對某水泥廠257件自由膨脹率試驗結果，初步判斷膨脹土在塑性圖上的分布范圍為：D線Ip=60(Wl-0.2)以上，Wl=40%以右。

(3) Cacuaco地區(qū)的膨脹土飽和后的承載力大幅降低，只有天然狀態(tài)下承載力的1/3，增濕強度衰減明顯。

(4) Cacuaco地區(qū)的膨脹土無荷膨脹率及小荷載膨脹率較高，輕型建筑若不采取一定地基基礎措施，所受影響尤為嚴重。

(5) 不同的試驗流程對膨脹率試驗結果的影響很大，說明膨脹變形與建筑物加載順序關系密切，地基浸水若發(fā)生在建筑施工的不同階段，最終的地基變形量也不盡相同。設計時使用規(guī)范規(guī)定的試驗方法估算脹縮變形，其脹縮等級存在低估的風險。

(6) 應盡量避免在雨季進行基礎施工。但羅安達的雨季持續(xù)時間可長達5個月，若無法避開，應妥善做好基坑的防排水措施，基坑一旦泡水，受浸水影響的膨脹土應挖除并迅速回填非膨脹填料。雨季施工時，對差異沉降敏感的建(構)筑物，有時采用短樁基礎比淺基礎更為經(jīng)濟。

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PreliminaryDiscussiononEngineeringPropertiesofExpansiveSoilinCacuacoAngola

TANG Lijun1,2, CHENG Yongxiang1,2, SHAO Bingchang1

(1.ChinaJKInstituteofEngineeringInvestigationandDesignCo.,Ltd.,Xi’an,Shaanxi710043,China;2.ShaanxiKeyLaboratoryofEngineeringBehaviorandFoundationTreatmentforSpecialSoil,Xi'an,Shaanxi710043,China)

The residual or slope deposit clay around Cacuaco area is typical expansive soil, due to lack of relevant data and engineering experience, it is of great risks and technical difficulties to carry out civil engineering construction in this area. In this paper, through detailed investigation and construction investigation of a cement plant in this area, the basic engineering property index of expansive soil such as swelling ratio, shear strength, consolidation strength, permeability coefficient etc. is determined in Cacuaco area by using laboratory soil tests and in situ tests method. Such as a large amount of hydrophilic minerals, strength greatly attenuated when humidification, high swelling ratio under 0kPa are revealed as the key features of the expansive soil. At the same time, based on the deformation monitoring of the proposed project, the influence of the expansive soil foundation on the building is analyzed and evaluated, and the selection of the foundation scheme is further expounded.

cacuaco;expensivesoil;clay;engineeringproperties;foundationscheme

10.3969/j.issn.1672-1144.2017.06.025

2017-07-14

2017-08-16

唐立軍(1984—)，男，安徽六安人，工程師，主要從事巖土工程勘察、土工試驗方面的工作。 E-mail：lijunt79@126.com

TU443

A

1672—1144(2017)06—0127—06