膨脹土的分類及膨脹土地區基礎的施工方案

全明

1 引言

膨脹土的分布范圍很廣，在國內，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、塞內加爾、印度等地執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。膨脹土對建筑結構的危害很大，由脹縮引起的不均勻沉降會對建筑結構安全和使用功能造成不利影響；膨脹土對地面設備的影響也很明顯，處理不當將嚴重影響地面設備的使用甚至對其造成損壞，工程建設中應充分重視膨脹土問題。國外某項目車間內部受膨脹土影響，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，并根據分類結果采取適宜的工程措施和基礎建筑方案。

實際工程中主要依據各國規范對膨脹土進行判別分類，本文介紹幾種主要規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上，提出了幾種膨脹土地區的基礎施工方案，供業界同仁參考。

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《膨脹土地區建筑技術規范》第4.3.3 條，根據自由膨脹率對膨脹土膨脹潛勢進行的分類見規范中表4.3.4，而地基的脹縮等級則根據地基的分級變形量按規范中表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PI、天然土吸附力τ0nat和物理化學實驗測定的粘粒成分。以下為TM5-818-7《美國陸軍技術手冊—膨脹土地區基礎》判斷膨脹土膨脹程度的幾種方法。

（1）WES分類法

采用固結儀膨脹實驗，根據實驗結果的液限、塑性指數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

當液限＜40 且塑性指數＜15 時，土壤可判定為不具有膨脹性。

（2）物理化學方法

物理化學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 毫當量，膨脹性低的高嶺土CEC＜15 毫當量，蒙脫石含量高低直接影響膨脹土脹縮性。孔隙水中溶解鹽的存在會產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增量處對應的土層深度

——最深處的增量

F——附加壓力折減系數，F=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PI

圖2 Van Der Merwe法判定膨脹潛勢關系

（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

法國土壤力學實用教程根據膨脹應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法國標準NF P 94-091，通過試驗可以確定某種材料的膨脹應力和膨脹比。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、液限指數和自由膨脹率，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

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、多指標數學函數式判別分類法、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。

我公司塞內加爾項目地勘采用法國標準，部分鉆孔膨脹應力和自由膨脹率，分別按法國標準和中國標準對膨脹土進行了分類，具體指標數值見表5。孔1硬泥灰巖按法國標準和中國標準均為弱膨脹；孔2堅硬泥灰巖、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堅硬泥灰巖兩種規范均為中等膨脹性；孔5硬泥灰巖兩種規范均判定為強膨脹性。

3 膨脹土地區基礎方案

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

我國GB 50112-2013《膨脹土地區建筑技術規范》規定，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，詳見規范第5.7 節。對于建筑施工，除嚴格按規范做好排水和散水外，建筑地面處理應按規范第5.5.6條執行。

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。對膨脹性較高地區的主要結構，當膨脹土層較淺時可完全去除膨脹土，將基礎置于非膨脹土層上；對于深厚膨脹土，一般采用樁基礎；對次要結構如小型支架基礎、小型設備基礎等，國外項目可采用其他基礎處理方案。

表4 中印標準對膨脹性的分類對比

表5 塞內加爾項目部分鉆孔膨脹性指標數值

3.1 樁基礎

國內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阻力，僅計算非膨脹土層的側阻力及端阻力。

（2）計算考慮膨脹土層側阻力，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，塞內加爾項目正常土層條件下每天可施工2～3根長度14m 以內的灌注樁，造價約4 100 元/m3；國內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

微型樁相關規定詳見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）施工優勢明顯。微型樁可用于地面設備基礎、輸送支架、轉運站等輕型結構。微型樁施工工期短，在正常土層條件下，塞內加爾項目一般2h 即可完成一根長度12m的微型樁施工，造價約750元/m。

圖3 核心筒式微型樁構造（φ300mm）

圖4 微型樁施工

3.3 短樁

對地面設備基礎，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，設備基礎地基處理方式為：基礎埋深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，可滿足絕大部分設備基礎的地基承載力要求，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施工費用增加較少。

3.5 應力抵消法

膨脹變形計算應考慮上覆土層超載及上部結構恒載引起的應力，考慮超載后膨脹隆起會顯著降低，膨脹變形往往可以忽略。當地質勘察報告提供膨脹應力時，可使基礎及其上回填土在基底產生的附加應力大于膨脹應力，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。如基礎埋深正常時，基底應力無法抵消膨脹應力，可于基底一定范圍內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力，基礎不被抬升。若業主和咨詢公司同意，地面設備基礎可優先按此方式進行設計。碎石墊層采用的骨料產品，國內價格為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化程度有很大關系，風化越嚴重膨脹潛勢越高，反之，未風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，但基礎施工時應注意地基的保護，開挖時用塑料薄膜密封，開挖后迅速澆筑墊層，并盡快進行基礎施工。

4 結語

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

國內項目可依據中國標準進行地基基礎設計，國外項目膨脹土膨脹性嚴重地區，主體結構應根據膨脹土層厚度，采用完全去除膨脹土法或采用深墩基礎和樁基礎法，對次要結構如地面小型設備基礎、支架基礎等，應優先考慮應力抵消法，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，可采用基底鋪設墊層或墩基礎等，但對重要建筑和基底壓力較小結構應注意驗算膨脹土所受總壓力與膨脹應力的大小關系，同時需考慮膨脹變形。無論何種情況，膨脹土地區都應做好防水隔水和其他建筑施工措施。