土工試驗規范變更對膨脹計算和判定的影響

劉 軍 石鵬飛 孫 凱

(河北中核巖土工程有限責任公司，河北石家莊 050021)

0 引言

膨脹率試驗是土的基本物理試驗之一。對于膨脹土，無荷膨脹率和有荷膨脹率是沉降計算必不可少的關鍵參數。

在2019年10月1日新版《土工試驗方法標準》GB/T50123—2019[1](以下簡稱新規范)中，對舊版《土工試驗方法標準》GB/T50123—1999(以下簡稱舊規范)中無荷和有荷膨脹率的計算方式作了改變，在其他規范沒有進行對應的實質調整改變之前，這種改變勢必影響其他規范中關于膨脹土的相應膨脹等級的判定、基礎設計的選擇、施工方式的改變等。有必要對這種變更造成的影響進行分析判定。

1 規范變更內容

新規范對膨脹土試驗的變更內容主要包括無荷膨脹率和有荷膨脹率。

1.1 無荷膨脹率變更內容

舊規范為：

(1)

新規范為：

(2)

式中：δt為時間t時的無荷膨脹率，%；Z0為加荷前位移計讀數，一般可調整為0，mm；Zt為加荷后膨脹穩定位移計讀數，mm；h0為試樣的初始高度，mm。

1.2 有荷膨脹率變更內容

舊規范為：

(3)

新規范為：

(4)

式中：δep為某荷載p下的膨脹率，%；Zp=Zw1為某荷載p下加水膨脹穩定后的位移計讀數，正值，mm；λ為某荷載p下的儀器壓縮變形量，mm；Z0為未加荷載p前位移計讀數，可調整為0，mm；Zw2為加某荷載p穩定位移計讀數，為壓縮數值，負值，mm。

2 規范變更內容分析

2.1 無荷膨脹率內容分析

通過式(1)、式(2)可以看出，新舊規范的無荷膨脹率計算數值正負對應，絕對值不變。從實質來看，舊規范的膨脹狀態的讀數Zt實際為正值，新規范的膨脹狀態的讀數Zt為負值，只需注意公式形式的改變和數值的正負選取。

由于新舊規范均未對膨脹計算的正負方向明確注明，下面分析數據時，按照膨脹為正，壓縮為負來分析。

2.2 有荷膨脹率內容分析

式(3)和式(4)的變化有以下兩方面。

(1)規范變更前考慮了儀器壓縮變形量的影響，儀器壓縮變形量包括施加荷載p所引起的和由膨脹引起的兩種。新規范對儀器壓縮變形量不予考慮，有2方面原因：

①施加荷載p所引起的儀器變形量已經通過量表指針調零的方式扣除，即Zw1和Zw2讀數是否考慮儀器變形量λ對計算結果無影響。

②由膨脹引起的儀器變形量難以準確測量，理論上此變形量非常小，如果土的膨脹性較小，可能對最終膨脹數值有一定影響，但既然土的總體膨脹性小，即使再加上此變形量也不會對整個膨脹土的判定和計算產生實質影響；如果土的膨脹性較大，由于儀器變形量占比非常小，即使加上此變形量對土的膨脹性判定和計算也不會產生實質影響。因此由膨脹引起的儀器變形量可以不予考慮。

(2)規范變更前Z0一般調整為0，可以忽略不計，規范變更后Zw2為某荷載p穩定壓縮讀數，為負值。

通過式(3)和式(4)可以看出，舊規范有荷膨脹率的實質是某荷載下加水穩定后的高度數值與原始土樣的高度數值的比值；新規范有荷膨脹率的實質是某荷載下加水穩定的高度數值減去某荷載下未加水前穩定的高度數值的差值與原始土樣的高度數值的比值。

有荷膨脹率的膨脹狀態涵蓋了兩種情況(見圖1、圖2)。

圖1 有荷膨脹量未超過h0

圖2 有荷膨脹量超過h0

從圖1和圖2可以看出，有荷膨脹率計算中，新規范的Zw1-Zw2大于Zp。對λ和Z0，根據上文分析可以取0，因此Zw1-Zw2大于舊規范Zp+λ-Z0，從而新規范的δep大于舊規范的δep。

新規范的有荷膨脹率的計算數值雖然增大，但其更符合實際意義。工程實踐中，有荷膨脹率試驗是為了模擬建筑物和其他地基的上覆壓力或一定荷載條件下，地基土在有側向約束、浸水后的膨脹變形量。按照新規范計算，膨脹量變大了。以實例分析規范變更對工程的影響。

3 實例分析

某一層樓房位于平坦場地，地基形式為條形基礎，基礎的底面積為1000 mm×1000 mm,基礎埋深d=1.0 m,基礎底面處的平均附加應力p0=20 kPa，每個地層平均密度均為2.0 g/cm3,根據本地區多年氣象資料統計，地表下1.0 m處土的膨脹濕度系數為0.7，按照《膨脹土地區建筑技術規范》[2]，其大氣影響深度為4.0 m，因而取地基膨脹變形計算深度4.0 m。計算膨脹變形量的經驗系數取0.6，基地下各層土的膨脹率見表1和表2。計算地基在不考慮收縮下的膨脹量。

表1 按照舊規范計算的膨脹性數據試驗指標

表2 按照新規范計算的膨脹性數據試驗指標

首先分別計算出各層土平均自重壓力pci和附加壓力p0i，求出平均總壓力pi，然后在各相應的δep--p曲線上查出對應的δepi。按照舊規范計算的第一層土的δep--p曲線示意圖見圖3，在圖3中查取其總應力24.5 kPa對應的膨脹率1.47%，進而計算出對應膨脹量7.4 mm。以此為例，分別計算新舊規范對應的每層土的膨脹量，計算結果見表3、表4。

圖3 平均總應力與平均膨脹率曲線

表3 按照舊規范計算的壓力和膨脹數據

表4 按照新規范計算的壓力和膨脹數據

對比表3和表4，在不同壓力作用下，新規范的計算方法所得膨脹率比舊規范有明顯提高。實例中，據舊規范計算出由總壓力引起的總膨脹量為16.7 mm，據新規范計算為51.8 mm，比舊規范增加了2倍左右。經分析， 由于Zw2和不同膨脹地層厚度的影響,最終導致兩種規范的計算方法引起的膨脹量變化非常顯著。

在不考慮膨脹土的收縮影響的情況下，根據膨脹土地基的脹縮等級表(見表5)，實例中舊規范判定地基土的脹縮等級為Ⅰ級，但根據新規范計算后，脹縮等級變為Ⅱ級。同時，工程勘察關于膨脹土的判定就隨之改變，地基基礎設計等級將由丙級變為乙級，地基處理措施和施工方案都將隨之改變。

由此可見，規范的改變，會對工程的多個方面產生顯著影響。

表5 膨脹土地基的脹縮等級表[2]

4 結論

新規范變更膨脹率的計算方式后，地層土的膨脹量計算值會變大，變大的幅度取決于Zw2和膨脹地層的厚度。

地層土的膨脹量變大后，工程勘察的相關判定、工程結構的設計、工程的基礎施工等都將受其影響，產生變化。

目前僅僅是《土工試驗方法標準》的膨脹率方法進行了變更，與之對應的其他規范，比如勘察規范、設計規范等還沒有進行相應修訂，工程師對此應加以注意，合理選用膨脹數據并對其進行修正，建議涉及膨脹計算的規范及時進行修訂，以滿足工程需要。