膨脹土在工程勘察中的分析評(píng)價(jià)

杜保成(大慶油田設(shè)計(jì)院有限公司勘察工程部，黑龍江 大慶 163712)

1 概述

1.1 概念

膨脹土又稱“脹縮性土”是一種非飽和的、結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定的黏性土，土中黏粒成分主要由親水性礦物組成。

1.2 分布

(1)世界：膨脹土在世界分布廣泛，美國(guó)、澳大利亞、加拿大、印度、以色列、墨西哥、南非、蘇丹、英國(guó)、以及俄羅斯等40多個(gè)國(guó)家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)有膨脹土造成的工程事故。

(2)中國(guó)：膨脹土在我國(guó)的20多個(gè)省市、自治區(qū)內(nèi)有分布，以黃河流域及其以南地區(qū)分布較為 廣泛。主要分布在四川、湖北、陜西、云南、安徽、貴州、廣西、廣東、河南、河北、山 西等省和自治區(qū)，成因以殘積或殘坡積為主。

1.3 特性

我國(guó)膨脹土的礦物成分復(fù)雜多變，土中小于2μm的黏粒含量一般大于30%。作為膨脹性礦物的蒙脫石常以混層的形式出現(xiàn)，如伊利石/蒙脫石、高嶺石/蒙脫石和綠泥石/蒙脫石等。而混層比(即蒙脫石占混層礦物總數(shù)的百分?jǐn)?shù))的大小決定著膨脹潛勢(shì)的強(qiáng)弱。云南蒙自、廣西寧明、河北邯鄲、河南平頂山等地的膨脹土。其黏土礦物以蒙脫石為主，而安徽合肥、四川成都、湖北鄖縣、山東臨沂等地的膨脹土，其黏土礦物以伊利石為主。從物理指標(biāo)看，云南、廣西等省膨脹土的孔隙比接近1.0或大于1.0,含水量常在30%以上。除以上省份之外其他地區(qū)的膨脹土，其孔隙比多為0.6～0.8,含水量在20%左右。膨脹土自由膨脹率與主要黏土所含礦物成分關(guān)系密切，影響膨脹土自由膨脹率的變化幅度。

2 危害

膨脹土地基上的建筑物常常由于不均勻的豎向或水平脹縮變形，造成建筑物或者構(gòu)筑物的位移、開裂、傾斜甚至破壞，且往往成群出現(xiàn)，尤其以地層平方嚴(yán)重，危害性很大，對(duì)建筑物的破壞嚴(yán)重，易于造成不良后果。并且膨脹土地基上的建筑物的損壞具有多次重復(fù)性，因此，膨脹土向來被稱為工程中的“癌癥”。經(jīng)過大量的工程實(shí)踐，逐步查明膨脹土遇水后土體發(fā)生明顯的膨脹，同時(shí)黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗剪強(qiáng)度、承載力等大幅下降。失水干燥后，土體又變得堅(jiān)硬，并產(chǎn)生收縮。膨脹土吸水愈多，膨脹量愈大，其強(qiáng)度降低愈多，俗稱“天晴一把刀，下雨一團(tuán)糟”，圖1為膨脹土失水與吸水后兩種狀態(tài)。

圖1 膨脹土失水與吸水狀態(tài)

3 膨脹土場(chǎng)地與地基評(píng)價(jià)

3.1 膨脹土場(chǎng)地分類

根據(jù)原始地形地貌條件，膨脹土地區(qū)建筑場(chǎng)地分為下列兩類：地形平坦或起伏不大場(chǎng)地：地形坡度小于5°；地形坡度為5～14°，距坡肩水平距離大于10m的坡頂?shù)貛В坏匦螢槠碌貓?chǎng)地：地形坡度大于等于5°；地形坡度小于5°，但同一建筑物范圍內(nèi)局部地形高差大于1m的場(chǎng)地。

場(chǎng)地類別劃分的依據(jù)：膨脹土固有的特性是脹縮變形，土的含水量變化是脹縮變形的重要條件。自然環(huán)境不同，對(duì)土的含水量影響也隨之而異，必然導(dǎo)致脹縮變形的顯著區(qū)別。平坦場(chǎng)地和坡地場(chǎng)地處于不同的地形地貌單元上，具有各自的自然環(huán)境，便形成了獨(dú)自的工程地質(zhì)條件。

3.2 膨脹土地基評(píng)價(jià)

(1)膨脹土的膨脹潛勢(shì)按自由膨脹率的大小分為弱、中、強(qiáng)三類，參見表1，按照GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定如下。

表1 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類

(2)膨脹土的膨脹潛勢(shì)按自由膨脹率的大小分為弱、中、強(qiáng)三類，參見表2，按照GB 50307—2012《城市軌道交通巖土工程勘察規(guī)范》規(guī)定如下。

表2 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類

(3)膨脹土地基應(yīng)根據(jù)地基脹縮變形對(duì)低層砌體房屋的影響程度進(jìn)行評(píng)價(jià)，地基的脹縮等級(jí)根據(jù)地基分級(jí)變形量的大小分為三級(jí)，地基分級(jí)變形量應(yīng)根據(jù)膨脹土地基的變形特征，按《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》(GB 50112—2013)分別進(jìn)行膨脹變形、收縮變形和脹縮變形計(jì)算，其中土的膨脹率取50kPa壓力下的膨脹率。

4 膨脹土地區(qū)建筑工程的三個(gè)綜合原則

膨脹土地區(qū)建筑工程建設(shè)前應(yīng)判定膨脹土，設(shè)計(jì)、施工時(shí)應(yīng)以防為主，防、控結(jié)合，使用期間應(yīng)進(jìn)行長(zhǎng)期有效的管理。膨脹土地區(qū)建筑工程應(yīng)遵循的三個(gè)“綜合”原則，即：綜合判定、綜合評(píng)價(jià)和綜合治理。

4.1 綜合判定

我國(guó)幅員遼闊，膨脹土的成因類型和礦物組成復(fù)雜。對(duì)膨脹土的判定及其指標(biāo)的選取著重于建筑工程 的工程意義，而非拘泥于土質(zhì)學(xué)和礦物學(xué)的理論分析。礦物和化學(xué)分析費(fèi)用高、時(shí)間長(zhǎng)，一般試驗(yàn)室難于承擔(dān)。當(dāng)工程的規(guī)模大、功能要求嚴(yán)格且對(duì)土的膨脹性能有疑問時(shí)，可按 通過礦物和化學(xué)分析進(jìn)一步驗(yàn)證確認(rèn)。

4.2 綜合評(píng)價(jià)

(1)工程地質(zhì)特征：建筑場(chǎng)地的地形地貌條件和氣候特點(diǎn)；(2)自由膨脹率：膨脹潛勢(shì)；(3)場(chǎng)地復(fù)雜程度。最終的決定因素是地基的分級(jí)變形量及脹縮的循環(huán)變形特性，必須考慮土體自身所具有的膨脹潛勢(shì)，同時(shí)，還需考慮這種潛勢(shì)能否發(fā)揮，或可能發(fā)揮的程度。

4.3 綜合治理

在設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)管理上都要采取減少土中水分變化和脹縮變形幅度的預(yù)防措施。(1)建筑物的總平面和豎向布置應(yīng)順坡就勢(shì)，避免大挖大填，并做好房前屋后邊坡的防護(hù)和支擋工程；(2)保持場(chǎng)地天然地表水的排泄系統(tǒng)和植被，并組織好大氣降水和生活用水的疏導(dǎo)，防止地面水大量積聚；(3)對(duì)環(huán)境進(jìn)行合理綠化，涵養(yǎng)場(chǎng)地土的水分；(4)工程建設(shè)遵循“先治理，后建設(shè)”的原則等。

5 膨脹土的工程特性指標(biāo)

5.1 自由膨脹率

式中：δef為膨脹土的自由膨脹率(%)；νw為土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的體積(ml)；ν0為土樣原始體積(ml)。

5.2 某級(jí)荷載下的膨脹率

某級(jí)荷載下的膨脹率為固結(jié)儀中的環(huán)刀土樣，在一定壓力下浸水膨脹穩(wěn)定后，其高度增加值與原高度之比的百分率。

式中：δep為某級(jí)荷載下膨脹土的膨脹率(%)；hw為某級(jí)荷載下土樣在水中膨脹穩(wěn)定后的高度(mm)；h0為土樣原始體積(mm)。

5.3 膨脹力

膨脹力，也就是膨脹壓力。就是試樣膨脹到最大限度以后，再加荷載直到回復(fù)到其初始體積為止所需的壓力。在體積不變時(shí)浸水膨脹產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力。圖2為膨脹土試樣的膨脹率—壓力關(guān)系曲線圖。

5.4 收縮系數(shù)

收縮系數(shù)λs為環(huán)刀土樣在直線收縮階段含水量每減少1%時(shí)的豎向線縮率。

式中：λs為膨脹土的收縮系數(shù)；Δδs為收縮過程中與兩點(diǎn)含水量之差對(duì)應(yīng)的豎向線縮率之差(%)；Δw為收縮過程中直線變化階段兩點(diǎn)含水量之差(%)。

圖2 膨脹率—壓力關(guān)系曲線示意圖

以含水量為橫坐標(biāo)，豎向線縮率為縱坐標(biāo)，繪制收縮曲線圖，見圖3。根據(jù)收縮曲線確定下列各指標(biāo)值。

圖3 收縮曲線示意圖

膨脹土作為一類特殊性質(zhì)的土壤，其吸水膨脹以及失水收縮變形的特征嚴(yán)重影響著工程的穩(wěn)定性。工程勘察中不可避免地會(huì)遇到這類巖土的地質(zhì)問題，針對(duì)該類膨脹土，我們?yōu)榱舜_保地基的穩(wěn)定性與安全性，必須對(duì)膨脹土進(jìn)行適當(dāng)?shù)奶匦苑治鲈u(píng)價(jià)，合理提出評(píng)價(jià)與整治所需的技術(shù)參數(shù)和整治方案建議，為工程施工提供準(zhǔn)確的勘察依據(jù)。

6 結(jié)語(yǔ)

通過以上分析可以了解膨脹土在巖土工程勘察中，在天然狀態(tài)下強(qiáng)度一般較好，壓縮性低，易被誤認(rèn)為是較好的地基，在巖土勘察中容易出現(xiàn)誤判，作為好土地基使用，從而發(fā)生建筑物的破壞。在膨脹土分布較廣的地區(qū)，在勘察過程中，應(yīng)準(zhǔn)確判斷出膨脹土，對(duì)膨脹土地基在巖土工程中，應(yīng)做好地表的防滲與排水措施，也應(yīng)適當(dāng)加大基礎(chǔ)荷載與基礎(chǔ)深度以及提高建筑物的剛度并設(shè)置沉降縫；或?qū)⒊至臃秶鷥?nèi)的膨脹土挖除，用砂或其他非膨脹土回填。從而避免膨脹土對(duì)建筑物的危害與破壞。