劉 軍 石鵬飛 孫 凱

(河北中核巖土工程有限責(zé)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(guān)鍵參數(shù)。

在2019年10月1日新版《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—2019[1](以下簡稱新規(guī)范)中，對舊版《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》GB/T50123—1999(以下簡稱舊規(guī)范)中無荷和有荷膨脹率的計算方式作了改變，在其他規(guī)范沒有進(jìn)行對應(yīng)的實質(zhì)調(diào)整改變之前，這種改變勢必影響其他規(guī)范中關(guān)于膨脹土的相應(yīng)膨脹等級的判定、基礎(chǔ)設(shè)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(jìn)行分析判定。

1 規(guī)范變更內(nèi)容

新規(guī)范對膨脹土試驗的變更內(nèi)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(nèi)容

舊規(guī)范為：

(1)

新規(guī)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(shù)，一般可調(diào)整為0，mm；Zt為加荷后膨脹穩(wěn)定位移計讀數(shù)，mm；h0為試樣的初始高度，mm。

1.2 有荷膨脹率變更內(nèi)容

舊規(guī)范為：

(3)

新規(guī)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(wěn)定后的位移計讀數(shù)，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(shù)，可調(diào)整為0，mm；Zw2為加某荷載p穩(wěn)定位移計讀數(shù)，為壓縮數(shù)值，負(fù)值，mm。

2 規(guī)范變更內(nèi)容分析

2.1 無荷膨脹率內(nèi)容分析

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

由于新舊規(guī)范均未對膨脹計算的正負(fù)方向明確注明，下面分析數(shù)據(jù)時，按照膨脹為正，壓縮為負(fù)來分析。

2.2 有荷膨脹率內(nèi)容分析

式(3)和式(4)的變化有以下兩方面。

(1)規(guī)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(guī)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(jīng)通過量表指針調(diào)零的方式扣除，即Zw1和Zw2讀數(shù)是否考慮儀器變形量λ對計算結(jié)果無影響。

②由膨脹引起的儀器變形量難以準(zhǔn)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(shù)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(chǎn)生實質(zhì)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(chǎn)生實質(zhì)影響。因此由膨脹引起的儀器變形量可以不予考慮。

(2)規(guī)范變更前Z0一般調(diào)整為0，可以忽略不計，規(guī)范變更后Zw2為某荷載p穩(wěn)定壓縮讀數(shù)，為負(fù)值。

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

有荷膨脹率的膨脹狀態(tài)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(guī)范的Zw1-Zw2大于Zp。對λ和Z0，根據(jù)上文分析可以取0，因此Zw1-Zw2大于舊規(guī)范Zp+λ-Z0，從而新規(guī)范的δep大于舊規(guī)范的δep。

新規(guī)范的有荷膨脹率的計算數(shù)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(cè)向約束、浸水后的膨脹變形量。按照新規(guī)范計算，膨脹量變大了。以實例分析規(guī)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(chǔ)，基礎(chǔ)的底面積為1000 mm×1000 mm,基礎(chǔ)埋深d=1.0 m,基礎(chǔ)底面處的平均附加應(yīng)力p0=20 kPa，每個地層平均密度均為2.0 g/cm3,根據(jù)本地區(qū)多年氣象資料統(tǒng)計，地表下1.0 m處土的膨脹濕度系數(shù)為0.7，按照《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)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(jīng)驗系數(shù)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(guī)范計算的膨脹性數(shù)據(jù)試驗指標(biāo)

表2 按照新規(guī)范計算的膨脹性數(shù)據(jù)試驗指標(biāo)

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(yīng)的δep--p曲線上查出對應(yīng)的δepi。按照舊規(guī)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(yīng)力24.5 kPa對應(yīng)的膨脹率1.47%，進(jìn)而計算出對應(yīng)膨脹量7.4 mm。以此為例，分別計算新舊規(guī)范對應(yīng)的每層土的膨脹量，計算結(jié)果見表3、表4。

圖3 平均總應(yīng)力與平均膨脹率曲線

表3 按照舊規(guī)范計算的壓力和膨脹數(shù)據(jù)

表4 按照新規(guī)范計算的壓力和膨脹數(shù)據(jù)

對比表3和表4，在不同壓力作用下，新規(guī)范的計算方法所得膨脹率比舊規(guī)范有明顯提高。實例中，據(jù)舊規(guī)范計算出由總壓力引起的總膨脹量為16.7 mm，據(jù)新規(guī)范計算為51.8 mm，比舊規(guī)范增加了2倍左右。經(jīng)分析， 由于Zw2和不同膨脹地層厚度的影響,最終導(dǎo)致兩種規(guī)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(jù)膨脹土地基的脹縮等級表(見表5)，實例中舊規(guī)范判定地基土的脹縮等級為Ⅰ級，但根據(jù)新規(guī)范計算后，脹縮等級變?yōu)棰蚣墶Ｍ瑫r，工程勘察關(guān)于膨脹土的判定就隨之改變，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級將由丙級變?yōu)橐壹?，地基處理措施和施工方案都將隨之改變。

由此可見，規(guī)范的改變，會對工程的多個方面產(chǎn)生顯著影響。

表5 膨脹土地基的脹縮等級表[2]

4 結(jié)論

新規(guī)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(guān)判定、工程結(jié)構(gòu)的設(shè)計、工程的基礎(chǔ)施工等都將受其影響，產(chǎn)生變化。

目前僅僅是《土工試驗方法標(biāo)準(zhǔn)》的膨脹率方法進(jìn)行了變更，與之對應(yīng)的其他規(guī)范，比如勘察規(guī)范、設(shè)計規(guī)范等還沒有進(jìn)行相應(yīng)修訂，工程師對此應(yīng)加以注意，合理選用膨脹數(shù)據(jù)并對其進(jìn)行修正，建議涉及膨脹計算的規(guī)范及時進(jìn)行修訂，以滿足工程需要。