膨脹土的分類及膨脹土地區(qū)基礎(chǔ)的施工方案

全明

1 引言

膨脹土的分布范圍很廣，在國內(nèi)，廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等地均有分布，在國外，美國西南部、印度、澳大利亞、非洲和中東等地也廣泛存在。我公司近期在南非、塞內(nèi)加爾、印度等地執(zhí)行的水泥工程項目均存在不同程度的膨脹土問題。膨脹土主要由親水性礦物組成，如蒙脫石、伊利石和高嶺石等，具有較大的吸水膨脹性、失水收縮性和強度衰減性。膨脹土對建筑結(jié)構(gòu)的危害很大，由脹縮引起的不均勻沉降會對建筑結(jié)構(gòu)安全和使用功能造成不利影響；膨脹土對地面設(shè)備的影響也很明顯，處理不當(dāng)將嚴重影響地面設(shè)備的使用甚至對其造成損壞，工程建設(shè)中應(yīng)充分重視膨脹土問題。國外某項目車間內(nèi)部受膨脹土影響，地面開裂并呈波浪狀變形，膠帶機無法正常工作，后期需懸掛于樓面底部（見圖1）。

圖1 膨脹土對建筑地面的影響

在可能存在膨脹土的地區(qū)興建工程，首先需正確判斷膨脹土的類別，而后對其影響程度做出評價和分類，并根據(jù)分類結(jié)果采取適宜的工程措施和基礎(chǔ)建筑方案。

實際工程中主要依據(jù)各國規(guī)范對膨脹土進行判別分類，本文介紹幾種主要規(guī)范的膨脹土判別分類方法，在正確判斷膨脹土膨脹性類別的基礎(chǔ)上，提出了幾種膨脹土地區(qū)的基礎(chǔ)施工方案，供業(yè)界同仁參考。

2 膨脹土的判別和膨脹性分類

2.1 中國標準對膨脹土的判別與分類

中國標準對膨脹土的判別詳見GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》第4.3.3 條，根據(jù)自由膨脹率對膨脹土膨脹潛勢進行的分類見規(guī)范中表4.3.4，而地基的脹縮等級則根據(jù)地基的分級變形量按規(guī)范中表4.3.5確定。

2.2 美國標準對膨脹土的判別與分類

美國標準判定膨脹土膨脹潛勢所用的指標包括液限LL、塑性指數(shù)PI、天然土吸附力τ0nat和物理化學(xué)實驗測定的粘粒成分。以下為TM5-818-7《美國陸軍技術(shù)手冊—膨脹土地區(qū)基礎(chǔ)》判斷膨脹土膨脹程度的幾種方法。

（1）WES分類法

采用固結(jié)儀膨脹實驗，根據(jù)實驗結(jié)果的液限、塑性指數(shù)判定膨脹土的膨脹度、潛在豎向膨脹率Sp，具體分類見表1。

表1 美標膨脹土膨脹性分類

當(dāng)液限＜40 且塑性指數(shù)＜15 時，土壤可判定為不具有膨脹性。

（2）物理化學(xué)方法

物理化學(xué)實驗包括鑒別粘土礦物，如蒙脫石、伊利石、硅鎂土、高嶺土（相對而言不具有膨脹性），鑒別陽離子交換能力（CEC）以及孔隙水中的溶解鹽。具有很高膨脹性的蒙脫石CEC 較大，每100g粘土＞80 毫當(dāng)量，膨脹性低的高嶺土CEC＜15 毫當(dāng)量，蒙脫石含量高低直接影響膨脹土脹縮性?？紫端腥芙恹}的存在會產(chǎn)生土壤吸力的滲透分量，溶解鹽含量的變化將影響土壤膨脹。滲透吸力通常保持不變，一般不影響膨脹，除非土壤顯著浸出。

（3）Van Der Merwe方法

地表總膨脹量計算如式（1）所示。

式中：

ΔH——總膨脹量，inch

D——1 inch增量處對應(yīng)的土層深度

——最深處的增量

F——附加壓力折減系數(shù)，F(xiàn)=10-D/20

PE——各深度處每英尺的膨脹潛勢，inch，見圖2，橫坐標為土樣粒徑＜2μm粘粒含量百分率，縱坐標為塑性指數(shù)PI

圖2 Van Der Merwe法判定膨脹潛勢關(guān)系

（4）Johnson方法

其中：壓力條件為飽和壓力1psi，W0為初始含水率（%），H為土深（英尺）。

2.3 法國標準對膨脹土的判別與分類

法國土壤力學(xué)實用教程根據(jù)膨脹應(yīng)力對地基土膨脹性進行分級，見表2。

表2 法國膨脹土的膨脹性分級

膨脹性試驗主要依據(jù)法國標準NF P 94-091，通過試驗可以確定某種材料的膨脹應(yīng)力和膨脹比。地勘提供膨脹力時通常也會提供自由膨脹率和膨脹率。

2.4 印度標準對膨脹土的判別與分類

根據(jù)IS：1498-1970《印度工程的土體分類與鑒別標準》，含粘土礦物的細粒土可能存在不同程度的膨脹性，膨脹程度和危險程度取決于液限、塑性指數(shù)、液限指數(shù)和自由膨脹率，詳細劃分見表3。

表3 印標膨脹土膨脹性分類

2.5 對比總結(jié)

判別膨脹土膨脹性的眾多指標大致可分為兩類，一類是與親水性礦物蒙脫石含量測定相關(guān)的指標，如土吸附力、物化法測定蒙脫石含量、直徑＜2μm 的粘粒含量、比表面積和陽離子交換量等；另一類是反映土顆粒與水相互作用靈敏程度的指標，如界限含水量（液限、塑限、縮限）、自由膨脹率、脹縮率等。膨脹土可按照上述某個指標或多指標綜合判別和分類。

對比各國規(guī)范對膨脹土的分類。我國采用自由膨脹率對膨脹土的潛勢進行分類，自由膨脹率是反映土的膨脹特性最直接的指標之一。為反映膨脹土地基對建筑工程的危害程度，引入地基脹縮等級，綜合考慮了場地地形地貌和氣候特點以及自由膨脹率。美國標準對膨脹土的分類并未限定某一方法，可以采用多指標綜合判別法、多指標數(shù)學(xué)函數(shù)式判別分類法、物化方法和單一指標最大膨脹量法等。法國標準主要按膨脹應(yīng)力的高低對膨脹土進行分類。印度標準則采用多指標綜合判別分類方法。

若僅考慮單一指標如自由膨脹率，則中印標準對膨脹性的初步劃分，比較接近。中印標準對膨脹性的分類對比見表4。

我公司塞內(nèi)加爾項目地勘采用法國標準，部分鉆孔膨脹應(yīng)力和自由膨脹率，分別按法國標準和中國標準對膨脹土進行了分類，具體指標數(shù)值見表5?？?硬泥灰?guī)r按法國標準和中國標準均為弱膨脹；孔2堅硬泥灰?guī)r、孔3和孔4黑粘土按法國標準介于弱膨脹和中等膨脹之間，但中國標準則可不考慮其影響；孔5堅硬泥灰?guī)r兩種規(guī)范均為中等膨脹性；孔5硬泥灰?guī)r兩種規(guī)范均判定為強膨脹性。

3 膨脹土地區(qū)基礎(chǔ)方案

膨脹土的膨脹和收縮與水分直接相關(guān)，若環(huán)境沒有變化，就不會產(chǎn)生脹縮。環(huán)境變化主要包括開挖造成的應(yīng)力釋放、水分蒸發(fā)（尤其是溫度較高時）以及水分進入土體造成的體積膨脹。膨脹土地區(qū)應(yīng)高度重視地基土水分變化控制，許多建筑措施和部分結(jié)構(gòu)措施均以此為出發(fā)點降低膨脹土的影響。

我國GB 50112-2013《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》規(guī)定，膨脹土地基處理可采用換土、土性改良、砂石或灰土墊層等方法，詳見規(guī)范第5.7 節(jié)。對于建筑施工，除嚴格按規(guī)范做好排水和散水外，建筑地面處理應(yīng)按規(guī)范第5.5.6條執(zhí)行。

國外項目由于取材困難、工期緊張等因素制約，換土、土性改良等地基處理方式大多較難實現(xiàn)。對膨脹性較高地區(qū)的主要結(jié)構(gòu)，當(dāng)膨脹土層較淺時可完全去除膨脹土，將基礎(chǔ)置于非膨脹土層上；對于深厚膨脹土，一般采用樁基礎(chǔ)；對次要結(jié)構(gòu)如小型支架基礎(chǔ)、小型設(shè)備基礎(chǔ)等，國外項目可采用其他基礎(chǔ)處理方案。

表4 中印標準對膨脹性的分類對比

表5 塞內(nèi)加爾項目部分鉆孔膨脹性指標數(shù)值

3.1 樁基礎(chǔ)

國內(nèi)樁基豎向承載力僅考慮大氣影響急劇層以下部分土的阻力，同時需驗算樁頂豎向力不小于大氣影響急劇層范圍土的脹拔力。通常承臺埋深與大氣影響急劇層深度接近，因此選定合適的承臺埋深后，可按常規(guī)方法考慮樁基承載力。國外項目確定單樁承載力的方式有：

（1）不考慮膨脹土層的側(cè)阻力，僅計算非膨脹土層的側(cè)阻力及端阻力。

（2）計算考慮膨脹土層側(cè)阻力，同時需考慮膨脹土層對樁的抬升力，通過增加樁長，使附加長度范圍樁側(cè)摩擦力不小于抬升力。

以上兩種方式實際是等效的。普通灌注樁施工工期受土層類別、施工工藝機具等因素影響很大，塞內(nèi)加爾項目正常土層條件下每天可施工2～3根長度14m 以內(nèi)的灌注樁，造價約4 100 元/m3；國內(nèi)項目采用旋挖方式在正常土層條件下每天可施工約120m，沖孔方式較慢，每天僅可施工一根樁，造價約2 000元/m3。

3.2 微型樁

微型樁相關(guān)規(guī)定詳見EN 14199-2015 歐洲標準特殊巖土工程處理—微型樁。微型樁為直徑≯300mm的鉆孔樁，分為普通型、鋼核心筒型、端承型鋼管微型樁。其中，普通型微型樁根據(jù)承壓單元的不同又分為鋼筋籠式、鋼管式、單鋼棒式、單鋼棒加外套管式。塞內(nèi)加爾項目采用的核心筒式微型樁見圖3、圖4。該樁施工所用空間小，凈空約5m 即可操作，方便快捷，在空間狹小場地（如改造項目）施工優(yōu)勢明顯。微型樁可用于地面設(shè)備基礎(chǔ)、輸送支架、轉(zhuǎn)運站等輕型結(jié)構(gòu)。微型樁施工工期短，在正常土層條件下，塞內(nèi)加爾項目一般2h 即可完成一根長度12m的微型樁施工，造價約750元/m。

圖3 核心筒式微型樁構(gòu)造（φ300mm）

圖4 微型樁施工

3.3 短樁

對地面設(shè)備基礎(chǔ)，也可采用直徑300mm 或400mm 的混凝土短樁，樁長由膨脹土層厚度決定，對于地表膨脹土層較薄項目，樁長3m或4m即可滿足要求，基礎(chǔ)工程量增加較少。短樁的工期和造價可參照普通樁基。

3.4 地基處理

印度項目表層為1.5m回填土，其下2m為有膨脹性的黑粘土，設(shè)備基礎(chǔ)地基處理方式為：基礎(chǔ)埋深2m，基底采用0.5m無膨脹性粘土換填并壓實，壓實粘土表層鋪設(shè)150mm 密實的砂層，并對砂層采用150μm 厚高密度聚乙烯（HDPE）膜包裹。該處理方法承載力可達7t/m2，可滿足絕大部分設(shè)備基礎(chǔ)的地基承載力要求，施工快捷，換填土層較薄，容易壓實，盡量就近取材，較正常地基條件基礎(chǔ)施工費用增加較少。

3.5 應(yīng)力抵消法

膨脹變形計算應(yīng)考慮上覆土層超載及上部結(jié)構(gòu)恒載引起的應(yīng)力，考慮超載后膨脹隆起會顯著降低，膨脹變形往往可以忽略。當(dāng)?shù)刭|(zhì)勘察報告提供膨脹應(yīng)力時，可使基礎(chǔ)及其上回填土在基底產(chǎn)生的附加應(yīng)力大于膨脹應(yīng)力，但需考慮不均勻膨脹影響，盡量增加砂石墊層以緩沖膨脹的作用。如基礎(chǔ)埋深正常時，基底應(yīng)力無法抵消膨脹應(yīng)力，可于基底一定范圍內(nèi)增加壓實碎石墊層或素混凝土，直至膨脹土所受總壓力大于膨脹應(yīng)力，基礎(chǔ)不被抬升。若業(yè)主和咨詢公司同意，地面設(shè)備基礎(chǔ)可優(yōu)先按此方式進行設(shè)計。碎石墊層采用的骨料產(chǎn)品，國內(nèi)價格為50～100元/t。

3.6 其他措施

對含有粘粒具有潛在膨脹性的巖石，膨脹潛勢的高低與風(fēng)化程度有很大關(guān)系，風(fēng)化越嚴重膨脹潛勢越高，反之，未風(fēng)化的巖石則不存在膨脹問題。對于此類巖石地基，可不作處理，但基礎(chǔ)施工時應(yīng)注意地基的保護，開挖時用塑料薄膜密封，開挖后迅速澆筑墊層，并盡快進行基礎(chǔ)施工。

4 結(jié)語

對比各國規(guī)范對膨脹土的分類，中國標準采用自由膨脹率，美國標準采用多種方法，法國標準按膨脹應(yīng)力分類，印度標準采用多指標綜合判別分類膨脹土。

國內(nèi)項目可依據(jù)中國標準進行地基基礎(chǔ)設(shè)計，國外項目膨脹土膨脹性嚴重地區(qū)，主體結(jié)構(gòu)應(yīng)根據(jù)膨脹土層厚度，采用完全去除膨脹土法或采用深墩基礎(chǔ)和樁基礎(chǔ)法，對次要結(jié)構(gòu)如地面小型設(shè)備基礎(chǔ)、支架基礎(chǔ)等，應(yīng)優(yōu)先考慮應(yīng)力抵消法，條件允許時可采用換土、砂土或灰土墊層對地基進行處理；若不適用，則可采用小直徑樁墩、微型樁等。膨脹性輕微地區(qū)，可采用基底鋪設(shè)墊層或墩基礎(chǔ)等，但對重要建筑和基底壓力較小結(jié)構(gòu)應(yīng)注意驗算膨脹土所受總壓力與膨脹應(yīng)力的大小關(guān)系，同時需考慮膨脹變形。無論何種情況，膨脹土地區(qū)都應(yīng)做好防水隔水和其他建筑施工措施。