對(duì)膨脹土規(guī)范在應(yīng)用中的幾點(diǎn)思考

□羅保才 □宋義東 □陳振全（河南省水利勘測(cè)有限公司）

膨脹土作為一種特殊土，其脹縮特性所帶來(lái)的危害已經(jīng)受到工程界和工程地質(zhì)界的普遍關(guān)注。一些大型的鐵路、公路、水利等工程，一般會(huì)專門(mén)劃分出試驗(yàn)段，進(jìn)行膨脹土的工程地質(zhì)特性研究，研究多以現(xiàn)行《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》（GBJ 112-87）為基礎(chǔ)，并以試驗(yàn)段研究成果指導(dǎo)整個(gè)工程。部分勘察、設(shè)計(jì)單位結(jié)合具體工程，對(duì)膨脹巖土作過(guò)大量的研究試驗(yàn)工作，并編寫(xiě)有較多的關(guān)于膨脹土的專著或論文。他們大都揭示了引起膨脹土膨脹的物質(zhì)組成和結(jié)構(gòu)特征，并論述了其物理力學(xué)指標(biāo)與膨脹性的關(guān)系，提出了相應(yīng)的處理措施。南水北調(diào)中線工程河南段有共約143.5km的膨脹巖（土），由長(zhǎng)江水利委員會(huì)和河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院分別在南陽(yáng)和新鄉(xiāng)潞王墳設(shè)試驗(yàn)段進(jìn)行研究。筆者參與了該工程的地質(zhì)勘察和報(bào)告整編工作，以及有關(guān)部門(mén)地質(zhì)專家對(duì)其中膨脹土章節(jié)的審查會(huì)議。

一、關(guān)于自由膨脹率

規(guī)范第2.3.2條具有下列工程地質(zhì)特征的場(chǎng)地，且自由膨脹率大于或等于40%的土應(yīng)判定為膨脹土。

這就是說(shuō)要同時(shí)具備上述兩個(gè)條件才能判定為膨脹土，這點(diǎn)毫無(wú)爭(zhēng)議。爭(zhēng)議的地方在后半段，即一個(gè)量的問(wèn)題，也就是說(shuō)自由膨脹率大于或等于40%的樣本在全部樣本中所占的比例達(dá)到一個(gè)什么樣的值時(shí)才能定為膨脹土？是達(dá)10%、20%還是30%規(guī)范沒(méi)有明確，相關(guān)文章也無(wú)提及。但是針對(duì)具體的南水北調(diào)工程，還必須解決這個(gè)問(wèn)題，執(zhí)行中長(zhǎng)江水利委員會(huì)和河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院采用的標(biāo)準(zhǔn)就不同，長(zhǎng)江水利委員會(huì)以三分之一為下限，河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院以30%為下限。筆者認(rèn)為，若不規(guī)定一界限，盲目地認(rèn)為只要樣本中有自由膨脹率大于或等于40%的就判為膨脹巖土，而不管其所占的比例是1%或是5%，整個(gè)工程按膨脹土進(jìn)行處理和設(shè)計(jì)，這是不客觀、不科學(xué)的，必定會(huì)造成不必要的浪費(fèi)。因此，在判別時(shí)應(yīng)規(guī)定一個(gè)具體量值，以便統(tǒng)一執(zhí)行。

二、關(guān)于膨脹潛勢(shì)

規(guī)范第2.3.3條膨脹土的膨脹潛勢(shì)，可按下表分為3類：

表1 膨脹土的膨脹潛勢(shì)分類表

針對(duì)這條規(guī)定，實(shí)際應(yīng)用中存在兩種爭(zhēng)議。一是對(duì)劃分的工程地質(zhì)段或單元，就試驗(yàn)成果如何判定膨脹土的膨脹潛勢(shì)；二是以自由膨脹率來(lái)表示膨脹土充分吸水飽和時(shí)發(fā)生膨脹的潛在能力的合理性。

關(guān)于第一個(gè)問(wèn)題，現(xiàn)舉一例來(lái)討論。南水北調(diào)中線工程寶豐至郟縣段某一膨脹巖段，其自由膨脹率試驗(yàn)成果如表2所示：

表2 自由膨脹率試驗(yàn)成果表

對(duì)單個(gè)試驗(yàn)結(jié)果來(lái)說(shuō)，其膨脹潛勢(shì)如何對(duì)照表1很容易判別，但是對(duì)上述分布長(zhǎng)度為1.9km范圍內(nèi)的粘土巖，其整體膨脹潛勢(shì)如何判別呢?規(guī)范沒(méi)有提及。而在具體評(píng)價(jià)粘土巖的膨脹性時(shí)，需對(duì)各試驗(yàn)成果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，并對(duì)整個(gè)場(chǎng)地膨脹潛勢(shì)做一具體評(píng)價(jià)，以便設(shè)計(jì)方有針對(duì)性地采取處理或防治措施。南水北調(diào)工程中，長(zhǎng)江水利委員會(huì)和河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院分別根據(jù)自己的膨脹巖土試驗(yàn)段研究成果，提出了不同的判別方法。長(zhǎng)江水利委員會(huì)判別方法為“采用某一膨脹等級(jí)內(nèi)試樣數(shù)是否超過(guò)試樣總數(shù)的三分之一”，其判別結(jié)果為弱。河南省水利勘測(cè)設(shè)計(jì)院判別方法為“在具膨脹性的試驗(yàn)組數(shù)中，當(dāng)強(qiáng)膨脹潛勢(shì)的組數(shù)與具膨脹潛勢(shì)總組數(shù)的百分比為≥15%時(shí)，判為強(qiáng)膨脹潛勢(shì)；當(dāng)不到強(qiáng)膨脹潛勢(shì)等級(jí)時(shí)，當(dāng)中和強(qiáng)膨脹潛勢(shì)的組數(shù)之和與具膨脹潛勢(shì)總組數(shù)的百分比為≥15%時(shí)，判為中膨脹潛勢(shì)；其它情況判為弱膨脹潛勢(shì)”，其判別結(jié)果為中。至于弱～中這種判別方法比較模糊，不再采用。后來(lái)，為了統(tǒng)一判別方法，業(yè)主方曾多次邀請(qǐng)有關(guān)專家進(jìn)行討論，最后由業(yè)主方確定采用長(zhǎng)江水利委員會(huì)的判別方法。

關(guān)于第二個(gè)問(wèn)題，是以自由膨脹率來(lái)表示膨脹土充分吸水飽和時(shí)發(fā)生膨脹的潛在能力的合理性問(wèn)題。筆者認(rèn)為這是不完全合理的，原因主要基于兩點(diǎn)：一是自由膨脹率試驗(yàn)樣品不是原狀樣，而是人工制備樣品；二是試驗(yàn)環(huán)境與工程環(huán)境差異很大，不能模擬工程情況。大家知道，自由膨脹率試驗(yàn)是人工制備的樣品在完全干燥時(shí)，在充分浸水飽和、完全不受約束的條件下試驗(yàn)而得。這樣做就破壞了膨脹土的原狀結(jié)構(gòu)，改變了應(yīng)力狀態(tài)，與真實(shí)的工程環(huán)境完全大相徑庭。膨脹巖土的膨脹性除受其固有內(nèi)在因素礦物成分、化學(xué)成分、離子交接量和黏粒含量等影響外，還受密度、含水量和微觀結(jié)構(gòu)的影響。而自由膨脹率試驗(yàn)則人為地忽略了密度、含水量和微觀結(jié)構(gòu)的影響。通過(guò)試驗(yàn)，上述膨脹性的影響因素是可以測(cè)定的，對(duì)具體的某一工程來(lái)講，在假定膨脹巖土是均質(zhì)情況下，自然條件下除含水量外，其他各因素都是固定的，在工程運(yùn)行中是不會(huì)發(fā)生變化的，能發(fā)生變化的只有含水量這一因素。含水量越低，膨脹巖土的膨脹潛勢(shì)越高，反之則越低，這一結(jié)論已被廣泛認(rèn)可。楊計(jì)申在其文章中指出，由膨脹土的脹縮特性而產(chǎn)生的工程問(wèn)題，無(wú)一例外是由于含水率的變化而引起的。而自由膨脹率是人工制備土在完全干燥條件下充分飽和時(shí)獲得的，與之相匹配的環(huán)境條件在現(xiàn)實(shí)工程中是很難找到的，以自由膨脹率作為判別巖土的膨脹性強(qiáng)弱的依據(jù)，所得結(jié)果可能是偏重的，這對(duì)工程投資是不利的。規(guī)范在條文解釋中也指出，自由膨脹率只在判定土類時(shí)采用，但是，它不能反映原狀土的脹縮特性，因此不能用它來(lái)評(píng)價(jià)地基土的脹縮性。

三、關(guān)于膨脹率和膨脹力

規(guī)范第2.1.1條中對(duì)膨脹力的定義，指原狀樣在體積不變時(shí)，由于浸水膨脹產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，該值是通過(guò)繪制膨脹率與壓力的關(guān)系曲線而得。膨脹率是原狀樣在保持天然含水率和原狀結(jié)構(gòu)情況下試驗(yàn)而得。

膨脹率與自由膨脹率相比，在保持礦物成分、化學(xué)成分、離子交接量和黏粒含量等不變的條件下，還保持了土的含水率、密度和原狀結(jié)構(gòu)未變，同時(shí)也反映了一定的壓力。經(jīng)上述比較可知，膨脹率較自由膨脹率更能客觀地反映一定條件下巖土的膨脹性，更能貼近工程實(shí)際情況。膨脹力與膨脹率密切相關(guān)，也能反映巖土的膨脹性。

拋開(kāi)礦物成分等固有影響因素，我們從含水率、密度和不同壓力等隨環(huán)境、工程而變的因素來(lái)探討它們與膨脹率和膨脹力的關(guān)系。根據(jù)南水北調(diào)工程膨脹性試驗(yàn)成果，將不同含水率、不同壓力下，膨脹率的變化情況列于表3中。分析、歸納表3可知：無(wú)荷載情況下，膨脹土隨著含水率的增高，膨脹率在逐漸減小；有荷載情況下，隨著含水率的增高，膨脹率遞減的趨勢(shì)也非常明顯。當(dāng)壓力達(dá)到100kPa、含水率為26.4%時(shí)，樣品膨脹率為負(fù)值，即產(chǎn)生了壓縮變形。說(shuō)明同一膨脹土體在同一條件下，其膨脹率隨含水率的增高而降低。

表3 不同含水率、不同壓力下膨脹土的膨脹率表

膨脹力的大小，主要受土體含水率和干密度的控制。膨脹力隨含水率的增高而逐漸降低，這一關(guān)系與膨脹率與含水率的關(guān)系是相同的，從而佐證了膨脹率與膨脹力的關(guān)系；膨脹力隨干密度的增高而逐漸增高。

四、結(jié)語(yǔ)

自由膨脹率是作為判別土類的一個(gè)必備條件，在判別場(chǎng)地土是否為膨脹土?xí)r，應(yīng)當(dāng)規(guī)定一具量值，即當(dāng)自由膨脹率≥40%的樣品數(shù)與樣品總數(shù)的比值達(dá)到該量值時(shí)，場(chǎng)地土可判別為膨脹土，這樣更為客觀、合理。

用自由膨脹率表示膨脹潛勢(shì)，忽略了土的結(jié)構(gòu)、密度、含水率及工程運(yùn)營(yíng)狀況的影響，其合理性尚需論證。對(duì)工程場(chǎng)地膨脹潛勢(shì)的差別，各級(jí)應(yīng)該有一個(gè)量值的規(guī)定，二者相互對(duì)應(yīng)，執(zhí)行起來(lái)就不會(huì)產(chǎn)生歧意。

膨脹率和膨脹力是用原狀樣在保持了其固有特性基礎(chǔ)上，模擬了工程運(yùn)行的環(huán)境，它們表示的膨脹性較之自由膨脹率更加客觀、合理。因此，巖土膨脹性大小的判別，應(yīng)該結(jié)合工程實(shí)際情況，采用膨脹率和膨脹力相結(jié)合進(jìn)行，不應(yīng)用自由膨脹率來(lái)表示。

[1]楊計(jì)申，李德群.南水北調(diào)中線工程特殊性巖土地質(zhì)環(huán)境與環(huán)境地質(zhì)概論[M].鄭州：黃河水利出版社，2009.