膨胀土的分类及膨胀土地区基础的施工方案

全明

1 引言

膨胀土的分布范围很广，在国内，广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有分布，在国外，美国西南部、印度、澳大利亚、非洲和中东等地也广泛存在。我公司近期在南非、塞内加尔、印度等地执行的水泥工程项目均存在不同程度的膨胀土问题。膨胀土主要由亲水性矿物组成，如蒙脱石、伊利石和高岭石等，具有较大的吸水膨胀性、失水收缩性和强度衰减性。膨胀土对建筑结构的危害很大，由胀缩引起的不均匀沉降会对建筑结构安全和使用功能造成不利影响；膨胀土对地面设备的影响也很明显，处理不当将严重影响地面设备的使用甚至对其造成损坏，工程建设中应充分重视膨胀土问题。国外某项目车间内部受膨胀土影响，地面开裂并呈波浪状变形，胶带机无法正常工作，后期需悬挂于楼面底部（见图1）。

图1 膨胀土对建筑地面的影响

在可能存在膨胀土的地区兴建工程，首先需正确判断膨胀土的类别，而后对其影响程度做出评价和分类，并根据分类结果采取适宜的工程措施和基础建筑方案。

实际工程中主要依据各国规范对膨胀土进行判别分类，本文介绍几种主要规范的膨胀土判别分类方法，在正确判断膨胀土膨胀性类别的基础上，提出了几种膨胀土地区的基础施工方案，供业界同仁参考。

2 膨胀土的判别和膨胀性分类

2.1 中国标准对膨胀土的判别与分类

中国标准对膨胀土的判别详见GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》第4.3.3 条，根据自由膨胀率对膨胀土膨胀潜势进行的分类见规范中表4.3.4，而地基的胀缩等级则根据地基的分级变形量按规范中表4.3.5确定。

2.2 美国标准对膨胀土的判别与分类

美国标准判定膨胀土膨胀潜势所用的指标包括液限LL、塑性指数PI、天然土吸附力τ0nat和物理化学实验测定的粘粒成分。以下为TM5-818-7《美国陆军技术手册—膨胀土地区基础》判断膨胀土膨胀程度的几种方法。

（1）WES分类法

采用固结仪膨胀实验，根据实验结果的液限、塑性指数判定膨胀土的膨胀度、潜在竖向膨胀率Sp，具体分类见表1。

表1 美标膨胀土膨胀性分类

当液限＜40 且塑性指数＜15 时，土壤可判定为不具有膨胀性。

（2）物理化学方法

物理化学实验包括鉴别粘土矿物，如蒙脱石、伊利石、硅镁土、高岭土（相对而言不具有膨胀性），鉴别阳离子交换能力（CEC）以及孔隙水中的溶解盐。具有很高膨胀性的蒙脱石CEC 较大，每100g粘土＞80 毫当量，膨胀性低的高岭土CEC＜15 毫当量，蒙脱石含量高低直接影响膨胀土胀缩性。孔隙水中溶解盐的存在会产生土壤吸力的渗透分量，溶解盐含量的变化将影响土壤膨胀。渗透吸力通常保持不变，一般不影响膨胀，除非土壤显著浸出。

（3）Van Der Merwe方法

地表总膨胀量计算如式（1）所示。

式中：

ΔH——总膨胀量，inch

D——1 inch增量处对应的土层深度

——最深处的增量

F——附加压力折减系数，F=10-D/20

PE——各深度处每英尺的膨胀潜势，inch，见图2，横坐标为土样粒径＜2μm粘粒含量百分率，纵坐标为塑性指数PI

图2 Van Der Merwe法判定膨胀潜势关系

（4）Johnson方法

其中：压力条件为饱和压力1psi，W0为初始含水率（%），H为土深（英尺）。

2.3 法国标准对膨胀土的判别与分类

法国土壤力学实用教程根据膨胀应力对地基土膨胀性进行分级，见表2。

表2 法国膨胀土的膨胀性分级

膨胀性试验主要依据法国标准NF P 94-091，通过试验可以确定某种材料的膨胀应力和膨胀比。地勘提供膨胀力时通常也会提供自由膨胀率和膨胀率。

2.4 印度标准对膨胀土的判别与分类

根据IS：1498-1970《印度工程的土体分类与鉴别标准》，含粘土矿物的细粒土可能存在不同程度的膨胀性，膨胀程度和危险程度取决于液限、塑性指数、液限指数和自由膨胀率，详细划分见表3。

表3 印标膨胀土膨胀性分类

2.5 对比总结

判别膨胀土膨胀性的众多指标大致可分为两类，一类是与亲水性矿物蒙脱石含量测定相关的指标，如土吸附力、物化法测定蒙脱石含量、直径＜2μm 的粘粒含量、比表面积和阳离子交换量等；另一类是反映土颗粒与水相互作用灵敏程度的指标，如界限含水量（液限、塑限、缩限）、自由膨胀率、胀缩率等。膨胀土可按照上述某个指标或多指标综合判别和分类。

对比各国规范对膨胀土的分类。我国采用自由膨胀率对膨胀土的潜势进行分类，自由膨胀率是反映土的膨胀特性最直接的指标之一。为反映膨胀土地基对建筑工程的危害程度，引入地基胀缩等级，综合考虑了场地地形地貌和气候特点以及自由膨胀率。美国标准对膨胀土的分类并未限定某一方法，可以采用多指标综合判别法、多指标数学函数式判别分类法、物化方法和单一指标最大膨胀量法等。法国标准主要按膨胀应力的高低对膨胀土进行分类。印度标准则采用多指标综合判别分类方法。

若仅考虑单一指标如自由膨胀率，则中印标准对膨胀性的初步划分，比较接近。中印标准对膨胀性的分类对比见表4。

我公司塞内加尔项目地勘采用法国标准，部分钻孔膨胀应力和自由膨胀率，分别按法国标准和中国标准对膨胀土进行了分类，具体指标数值见表5。孔1硬泥灰岩按法国标准和中国标准均为弱膨胀；孔2坚硬泥灰岩、孔3和孔4黑粘土按法国标准介于弱膨胀和中等膨胀之间，但中国标准则可不考虑其影响；孔5坚硬泥灰岩两种规范均为中等膨胀性；孔5硬泥灰岩两种规范均判定为强膨胀性。

3 膨胀土地区基础方案

膨胀土的膨胀和收缩与水分直接相关，若环境没有变化，就不会产生胀缩。环境变化主要包括开挖造成的应力释放、水分蒸发（尤其是温度较高时）以及水分进入土体造成的体积膨胀。膨胀土地区应高度重视地基土水分变化控制，许多建筑措施和部分结构措施均以此为出发点降低膨胀土的影响。

我国GB 50112-2013《膨胀土地区建筑技术规范》规定，膨胀土地基处理可采用换土、土性改良、砂石或灰土垫层等方法，详见规范第5.7 节。对于建筑施工，除严格按规范做好排水和散水外，建筑地面处理应按规范第5.5.6条执行。

国外项目由于取材困难、工期紧张等因素制约，换土、土性改良等地基处理方式大多较难实现。对膨胀性较高地区的主要结构，当膨胀土层较浅时可完全去除膨胀土，将基础置于非膨胀土层上；对于深厚膨胀土，一般采用桩基础；对次要结构如小型支架基础、小型设备基础等，国外项目可采用其他基础处理方案。

表4 中印标准对膨胀性的分类对比

表5 塞内加尔项目部分钻孔膨胀性指标数值

3.1 桩基础

国内桩基竖向承载力仅考虑大气影响急剧层以下部分土的阻力，同时需验算桩顶竖向力不小于大气影响急剧层范围土的胀拔力。通常承台埋深与大气影响急剧层深度接近，因此选定合适的承台埋深后，可按常规方法考虑桩基承载力。国外项目确定单桩承载力的方式有：

（1）不考虑膨胀土层的侧阻力，仅计算非膨胀土层的侧阻力及端阻力。

（2）计算考虑膨胀土层侧阻力，同时需考虑膨胀土层对桩的抬升力，通过增加桩长，使附加长度范围桩侧摩擦力不小于抬升力。

以上两种方式实际是等效的。普通灌注桩施工工期受土层类别、施工工艺机具等因素影响很大，塞内加尔项目正常土层条件下每天可施工2～3根长度14m 以内的灌注桩，造价约4 100 元/m3；国内项目采用旋挖方式在正常土层条件下每天可施工约120m，冲孔方式较慢，每天仅可施工一根桩，造价约2 000元/m3。

3.2 微型桩

微型桩相关规定详见EN 14199-2015 欧洲标准特殊岩土工程处理—微型桩。微型桩为直径≯300mm的钻孔桩，分为普通型、钢核心筒型、端承型钢管微型桩。其中，普通型微型桩根据承压单元的不同又分为钢筋笼式、钢管式、单钢棒式、单钢棒加外套管式。塞内加尔项目采用的核心筒式微型桩见图3、图4。该桩施工所用空间小，净空约5m 即可操作，方便快捷，在空间狭小场地（如改造项目）施工优势明显。微型桩可用于地面设备基础、输送支架、转运站等轻型结构。微型桩施工工期短，在正常土层条件下，塞内加尔项目一般2h 即可完成一根长度12m的微型桩施工，造价约750元/m。

图3 核心筒式微型桩构造（φ300mm）

图4 微型桩施工

3.3 短桩

对地面设备基础，也可采用直径300mm 或400mm 的混凝土短桩，桩长由膨胀土层厚度决定，对于地表膨胀土层较薄项目，桩长3m或4m即可满足要求，基础工程量增加较少。短桩的工期和造价可参照普通桩基。

3.4 地基处理

印度项目表层为1.5m回填土，其下2m为有膨胀性的黑粘土，设备基础地基处理方式为：基础埋深2m，基底采用0.5m无膨胀性粘土换填并压实，压实粘土表层铺设150mm 密实的砂层，并对砂层采用150μm 厚高密度聚乙烯（HDPE）膜包裹。该处理方法承载力可达7t/m2，可满足绝大部分设备基础的地基承载力要求，施工快捷，换填土层较薄，容易压实，尽量就近取材，较正常地基条件基础施工费用增加较少。

3.5 应力抵消法

膨胀变形计算应考虑上覆土层超载及上部结构恒载引起的应力，考虑超载后膨胀隆起会显著降低，膨胀变形往往可以忽略。当地质勘察报告提供膨胀应力时，可使基础及其上回填土在基底产生的附加应力大于膨胀应力，但需考虑不均匀膨胀影响，尽量增加砂石垫层以缓冲膨胀的作用。如基础埋深正常时，基底应力无法抵消膨胀应力，可于基底一定范围内增加压实碎石垫层或素混凝土，直至膨胀土所受总压力大于膨胀应力，基础不被抬升。若业主和咨询公司同意，地面设备基础可优先按此方式进行设计。碎石垫层采用的骨料产品，国内价格为50～100元/t。

3.6 其他措施

对含有粘粒具有潜在膨胀性的岩石，膨胀潜势的高低与风化程度有很大关系，风化越严重膨胀潜势越高，反之，未风化的岩石则不存在膨胀问题。对于此类岩石地基，可不作处理，但基础施工时应注意地基的保护，开挖时用塑料薄膜密封，开挖后迅速浇筑垫层，并尽快进行基础施工。

4 结语

对比各国规范对膨胀土的分类，中国标准采用自由膨胀率，美国标准采用多种方法，法国标准按膨胀应力分类，印度标准采用多指标综合判别分类膨胀土。

国内项目可依据中国标准进行地基基础设计，国外项目膨胀土膨胀性严重地区，主体结构应根据膨胀土层厚度，采用完全去除膨胀土法或采用深墩基础和桩基础法，对次要结构如地面小型设备基础、支架基础等，应优先考虑应力抵消法，条件允许时可采用换土、砂土或灰土垫层对地基进行处理；若不适用，则可采用小直径桩墩、微型桩等。膨胀性轻微地区，可采用基底铺设垫层或墩基础等，但对重要建筑和基底压力较小结构应注意验算膨胀土所受总压力与膨胀应力的大小关系，同时需考虑膨胀变形。无论何种情况，膨胀土地区都应做好防水隔水和其他建筑施工措施。