膨脹土在工程勘察中的分析評價

杜保成(大慶油田設計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、結構不穩(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、澳大利亞、加拿大、印度、以色列、墨西哥、南非、蘇丹、英國、以及俄羅斯等40多個國家和地區(qū)都發(fā)現(xiàn)有膨脹土造成的工程事故。

(2)中國：膨脹土在我國的20多個省市、自治區(qū)內有分布，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

我國膨脹土的礦物成分復雜多變，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)的百分數(shù))的大小決定著膨脹潛勢的強弱。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)，尤其以地層平方嚴重，危害性很大，對建筑物的破壞嚴重，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性，因此，膨脹土向來被稱為工程中的“癌癥”。經過大量的工程實踐，逐步查明膨脹土遇水后土體發(fā)生明顯的膨脹，同時黏聚力、內摩擦角、抗剪強度、承載力等大幅下降。失水干燥后，土體又變得堅硬，并產生收縮。膨脹土吸水愈多，膨脹量愈大，其強度降低愈多，俗稱“天晴一把刀，下雨一團糟”，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 膨脹土場地與地基評價

3.1 膨脹土場地分類

根據(jù)原始地形地貌條件，膨脹土地區(qū)建筑場地分為下列兩類：地形平坦或起伏不大場地：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坏匦螢槠碌貓龅兀旱匦纹露却笥诘扔?°；地形坡度小于5°，但同一建筑物范圍內局部地形高差大于1m的場地。

場地類別劃分的依據(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，對土的含水量影響也隨之而異，必然導致脹縮變形的顯著區(qū)別。平坦場地和坡地場地處于不同的地形地貌單元上，具有各自的自然環(huán)境，便形成了獨自的工程地質條件。

3.2 膨脹土地基評價

(1)膨脹土的膨脹潛勢按自由膨脹率的大小分為弱、中、強三類，參見表1，按照GB 50112—2013《膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范》規(guī)定如下。

表1 膨脹土的膨脹潛勢分類

(2)膨脹土的膨脹潛勢按自由膨脹率的大小分為弱、中、強三類，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 膨脹土的膨脹潛勢分類

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

4 膨脹土地區(qū)建筑工程的三個綜合原則

膨脹土地區(qū)建筑工程建設前應判定膨脹土，設計、施工時應以防為主，防、控結合，使用期間應進行長期有效的管理。膨脹土地區(qū)建筑工程應遵循的三個“綜合”原則，即：綜合判定、綜合評價和綜合治理。

4.1 綜合判定

我國幅員遼闊，膨脹土的成因類型和礦物組成復雜。對膨脹土的判定及其指標的選取著重于建筑工程 的工程意義，而非拘泥于土質學和礦物學的理論分析。礦物和化學分析費用高、時間長，一般試驗室難于承擔。當工程的規(guī)模大、功能要求嚴格且對土的膨脹性能有疑問時，可按 通過礦物和化學分析進一步驗證確認。

4.2 綜合評價

(1)工程地質特征：建筑場地的地形地貌條件和氣候特點；(2)自由膨脹率：膨脹潛勢；(3)場地復雜程度。最終的決定因素是地基的分級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，同時，還需考慮這種潛勢能否發(fā)揮，或可能發(fā)揮的程度。

4.3 綜合治理

在設計、施工和維護管理上都要采取減少土中水分變化和脹縮變形幅度的預防措施。(1)建筑物的總平面和豎向布置應順坡就勢，避免大挖大填，并做好房前屋后邊坡的防護和支擋工程；(2)保持場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，防止地面水大量積聚；(3)對環(huán)境進行合理綠化，涵養(yǎng)場地土的水分；(4)工程建設遵循“先治理，后建設”的原則等。

5 膨脹土的工程特性指標

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 某級荷載下的膨脹率

某級荷載下的膨脹率為固結儀中的環(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為某級荷載下膨脹土的膨脹率(%)；hw為某級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，再加荷載直到回復到其初始體積為止所需的壓力。在體積不變時浸水膨脹產生的最大內應力。圖2為膨脹土試樣的膨脹率—壓力關系曲線圖。

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含水量之差對應的豎向線縮率之差(%)；Δw為收縮過程中直線變化階段兩點含水量之差(%)。

圖2 膨脹率—壓力關系曲線示意圖

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

圖3 收縮曲線示意圖

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

6 結語

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)下強度一般較好，壓縮性低，易被誤認為是較好的地基，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，應準確判斷出膨脹土，對膨脹土地基在巖土工程中，應做好地表的防滲與排水措施，也應適當加大基礎荷載與基礎深度以及提高建筑物的剛度并設置沉降縫；或將持力層范圍內的膨脹土挖除，用砂或其他非膨脹土回填。從而避免膨脹土對建筑物的危害與破壞。