对膨胀土规范在应用中的几点思考

2011-06-14罗保才宋义东陈振全河南省水利勘测有限公司

河南水利与南水北调 2011年12期

□罗保才 □宋义东 □陈振全（河南省水利勘测有限公司）

膨胀土作为一种特殊土，其胀缩特性所带来的危害已经受到工程界和工程地质界的普遍关注。一些大型的铁路、公路、水利等工程，一般会专门划分出试验段，进行膨胀土的工程地质特性研究，研究多以现行《膨胀土地区建筑技术规范》（GBJ 112-87）为基础，并以试验段研究成果指导整个工程。部分勘察、设计单位结合具体工程，对膨胀岩土作过大量的研究试验工作，并编写有较多的关于膨胀土的专著或论文。他们大都揭示了引起膨胀土膨胀的物质组成和结构特征，并论述了其物理力学指标与膨胀性的关系，提出了相应的处理措施。南水北调中线工程河南段有共约143.5km的膨胀岩（土），由长江水利委员会和河南省水利勘测设计院分别在南阳和新乡潞王坟设试验段进行研究。笔者参与了该工程的地质勘察和报告整编工作，以及有关部门地质专家对其中膨胀土章节的审查会议。

一、关于自由膨胀率

规范第2.3.2条具有下列工程地质特征的场地，且自由膨胀率大于或等于40%的土应判定为膨胀土。

这就是说要同时具备上述两个条件才能判定为膨胀土，这点毫无争议。争议的地方在后半段，即一个量的问题，也就是说自由膨胀率大于或等于40%的样本在全部样本中所占的比例达到一个什么样的值时才能定为膨胀土？是达10%、20%还是30%规范没有明确，相关文章也无提及。但是针对具体的南水北调工程，还必须解决这个问题，执行中长江水利委员会和河南省水利勘测设计院采用的标准就不同，长江水利委员会以三分之一为下限，河南省水利勘测设计院以30%为下限。笔者认为，若不规定一界限，盲目地认为只要样本中有自由膨胀率大于或等于40%的就判为膨胀岩土，而不管其所占的比例是1%或是5%，整个工程按膨胀土进行处理和设计，这是不客观、不科学的，必定会造成不必要的浪费。因此，在判别时应规定一个具体量值，以便统一执行。

二、关于膨胀潜势

规范第2.3.3条膨胀土的膨胀潜势，可按下表分为3类：

表1 膨胀土的膨胀潜势分类表

针对这条规定，实际应用中存在两种争议。一是对划分的工程地质段或单元，就试验成果如何判定膨胀土的膨胀潜势；二是以自由膨胀率来表示膨胀土充分吸水饱和时发生膨胀的潜在能力的合理性。

关于第一个问题，现举一例来讨论。南水北调中线工程宝丰至郏县段某一膨胀岩段，其自由膨胀率试验成果如表2所示：

表2 自由膨胀率试验成果表

对单个试验结果来说，其膨胀潜势如何对照表1很容易判别，但是对上述分布长度为1.9km范围内的粘土岩，其整体膨胀潜势如何判别呢?规范没有提及。而在具体评价粘土岩的膨胀性时，需对各试验成果进行统计和分析，并对整个场地膨胀潜势做一具体评价，以便设计方有针对性地采取处理或防治措施。南水北调工程中，长江水利委员会和河南省水利勘测设计院分别根据自己的膨胀岩土试验段研究成果，提出了不同的判别方法。长江水利委员会判别方法为“采用某一膨胀等级内试样数是否超过试样总数的三分之一”，其判别结果为弱。河南省水利勘测设计院判别方法为“在具膨胀性的试验组数中，当强膨胀潜势的组数与具膨胀潜势总组数的百分比为≥15%时，判为强膨胀潜势；当不到强膨胀潜势等级时，当中和强膨胀潜势的组数之和与具膨胀潜势总组数的百分比为≥15%时，判为中膨胀潜势；其它情况判为弱膨胀潜势”，其判别结果为中。至于弱～中这种判别方法比较模糊，不再采用。后来，为了统一判别方法，业主方曾多次邀请有关专家进行讨论，最后由业主方确定采用长江水利委员会的判别方法。

关于第二个问题，是以自由膨胀率来表示膨胀土充分吸水饱和时发生膨胀的潜在能力的合理性问题。笔者认为这是不完全合理的，原因主要基于两点：一是自由膨胀率试验样品不是原状样，而是人工制备样品；二是试验环境与工程环境差异很大，不能模拟工程情况。大家知道，自由膨胀率试验是人工制备的样品在完全干燥时，在充分浸水饱和、完全不受约束的条件下试验而得。这样做就破坏了膨胀土的原状结构，改变了应力状态，与真实的工程环境完全大相径庭。膨胀岩土的膨胀性除受其固有内在因素矿物成分、化学成分、离子交接量和黏粒含量等影响外，还受密度、含水量和微观结构的影响。而自由膨胀率试验则人为地忽略了密度、含水量和微观结构的影响。通过试验，上述膨胀性的影响因素是可以测定的，对具体的某一工程来讲，在假定膨胀岩土是均质情况下，自然条件下除含水量外，其他各因素都是固定的，在工程运行中是不会发生变化的，能发生变化的只有含水量这一因素。含水量越低，膨胀岩土的膨胀潜势越高，反之则越低，这一结论已被广泛认可。杨计申在其文章中指出，由膨胀土的胀缩特性而产生的工程问题，无一例外是由于含水率的变化而引起的。而自由膨胀率是人工制备土在完全干燥条件下充分饱和时获得的，与之相匹配的环境条件在现实工程中是很难找到的，以自由膨胀率作为判别岩土的膨胀性强弱的依据，所得结果可能是偏重的，这对工程投资是不利的。规范在条文解释中也指出，自由膨胀率只在判定土类时采用，但是，它不能反映原状土的胀缩特性，因此不能用它来评价地基土的胀缩性。

三、关于膨胀率和膨胀力

规范第2.1.1条中对膨胀力的定义，指原状样在体积不变时，由于浸水膨胀产生的最大内应力，该值是通过绘制膨胀率与压力的关系曲线而得。膨胀率是原状样在保持天然含水率和原状结构情况下试验而得。

膨胀率与自由膨胀率相比，在保持矿物成分、化学成分、离子交接量和黏粒含量等不变的条件下，还保持了土的含水率、密度和原状结构未变，同时也反映了一定的压力。经上述比较可知，膨胀率较自由膨胀率更能客观地反映一定条件下岩土的膨胀性，更能贴近工程实际情况。膨胀力与膨胀率密切相关，也能反映岩土的膨胀性。

抛开矿物成分等固有影响因素，我们从含水率、密度和不同压力等随环境、工程而变的因素来探讨它们与膨胀率和膨胀力的关系。根据南水北调工程膨胀性试验成果，将不同含水率、不同压力下，膨胀率的变化情况列于表3中。分析、归纳表3可知：无荷载情况下，膨胀土随着含水率的增高，膨胀率在逐渐减小；有荷载情况下，随着含水率的增高，膨胀率递减的趋势也非常明显。当压力达到100kPa、含水率为26.4%时，样品膨胀率为负值，即产生了压缩变形。说明同一膨胀土体在同一条件下，其膨胀率随含水率的增高而降低。