土工試驗(yàn)規(guī)范變更對膨脹計(jì)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(zé)任公司，河北石家莊 050021)

0 引言

膨脹率試驗(yàn)是土的基本物理試驗(yàn)之一。對于膨脹土，無荷膨脹率和有荷膨脹率是沉降計(jì)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(yàn)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(yàn)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(jì)算方式作了改變，在其他規(guī)范沒有進(jìn)行對應(yīng)的實(shí)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(jì)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(yàn)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(shí)間t時(shí)的無荷膨脹率，%；Z0為加荷前位移計(jì)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(jì)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(jì)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(jì)讀數(shù)，可調(diào)整為0，mm；Zw2為加某荷載p穩(wěn)定位移計(jì)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(jì)算數(shù)值正負(fù)對應(yīng)，絕對值不變。從實(shí)質(zhì)來看，舊規(guī)范的膨脹狀態(tài)的讀數(shù)Zt實(shí)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(jì)算的正負(fù)方向明確注明，下面分析數(shù)據(jù)時(shí)，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(jì)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(gè)膨脹土的判定和計(jì)算產(chǎn)生實(shí)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(jì)算也不會產(chǎn)生實(shí)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(jì)，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(shí)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(shí)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(jì)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(jì)算數(shù)值雖然增大，但其更符合實(shí)際意義。工程實(shí)踐中，有荷膨脹率試驗(yàn)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(jì)算，膨脹量變大了。以實(shí)例分析規(guī)范變更對工程的影響。

3 實(shí)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(gè)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(jì)，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(jì)算深度4.0 m。計(jì)算膨脹變形量的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)取0.6，基地下各層土的膨脹率見表1和表2。計(jì)算地基在不考慮收縮下的膨脹量。

表1 按照舊規(guī)范計(jì)算的膨脹性數(shù)據(jù)試驗(yàn)指標(biāo)

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

首先分別計(jì)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(jì)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(jì)算出對應(yīng)膨脹量7.4 mm。以此為例，分別計(jì)算新舊規(guī)范對應(yīng)的每層土的膨脹量，計(jì)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(jì)算的壓力和膨脹數(shù)據(jù)

表4 按照新規(guī)范計(jì)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(jì)算方法所得膨脹率比舊規(guī)范有明顯提高。實(shí)例中，據(jù)舊規(guī)范計(jì)算出由總壓力引起的總膨脹量為16.7 mm，據(jù)新規(guī)范計(jì)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(jì)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(shí)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(jì)算后，脹縮等級變?yōu)棰蚣墶Ｍ瑫r(shí)，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(jì)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(gè)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(jì)算方式后，地層土的膨脹量計(jì)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(jì)、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(yàn)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(jì)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(jì)算的規(guī)范及時(shí)進(jìn)行修訂，以滿足工程需要。