談談土工試驗中的有荷載膨脹率試驗

雷 玲

(中國建筑材料工業地質勘查中心湖北總隊，湖北 武漢 430034)

1 引言

土工試驗中的有荷載膨脹率試驗是試驗人員討論和爭議比較多的一項試驗。GB/T 50123-2019《土工試驗方法標準》已于2019年10月1日正式實施，該標準對原GB/T 50123-1999《土工試驗方法標準》中的有荷載膨脹率試驗做了部分修改。在對比2019版標準和1999版標準之后，就土的有荷載膨脹率試驗談談自己的一些想法。

2 1999版標準中的有荷載膨脹率試驗

2.1 1999版標準中的有荷載膨脹率試驗

1999版標準中的有荷載膨脹率試驗方法適用于測定原狀土和擾動粘土在特定荷載和有側限條件下的膨脹率。該項試驗過程主要分兩個階段：第一階段為施加特定荷載后的試樣壓縮變形至穩定過程(沉降過程)；第二階段為浸水后試樣膨脹至穩定的過程(脹升過程)。

2.2 1999版標準中有荷載膨脹率試驗的不足之處

1999版標準對有荷載膨脹率的定義為：試樣在特定荷載及有側限條件下浸水膨脹穩定后試樣增加的高度(穩定后高度與初始高度之差)與試樣初始高度之比，用百分比表示。1999版標準中特定苛載下的膨脹率計算公式為：

式中：δep--某荷載下的膨脹率(%)；

Zp--某荷載下膨脹穩定后的位移計讀數(mm)；

Z0--加荷前位移計讀數(mm)；

h0--試樣的初始高度(mm)；

λ--某荷載下的儀器壓縮變形量(mm)。

為了便于問題的陳述，繪制了在特定荷載下膨脹率試驗過程中，土試樣的沉降和脹升示意圖如圖1a和圖1b所示。從圖中可以看出，有荷載膨脹率試驗中試樣的膨脹變形量宜為膨脹穩定后的試樣高度與壓縮變形穩定后的試樣高度的差值，即示意圖中的△h。依據在1999版標準中其膨脹變形量為膨脹穩定后的試樣高度與試樣初始高度的差值定義，兩種試驗結果的計算情況如下。

(1)結果一：試樣浸水膨脹穩定后的高度＜試樣初始高度，則有(試樣浸水膨脹穩定后的高度-試樣初始高度)△h為負值，且由此計算得出的有荷載膨脹率值為負值。

(2)結果二：試樣浸水膨脹穩定后的高度＞試樣初始高度，則有(試樣浸水膨脹穩定后的高度-試樣初始高度)＜△h，因而由此計算得出的有荷載膨脹率值偏小。據此認為，1999版標準的試驗結果不能清晰地反映試樣的脹升情況，此為1999版標準有荷載膨脹率試驗的不足之處。

圖1 特定荷載下膨脹率試驗土試樣沉降、脹升示意圖

3 2019版標準中的有荷載膨脹率試驗

3.1 2019版標準中的有荷載膨脹率試驗

2019版標準要求試驗用土樣應為原狀試樣或擊實試樣，這與1999版標準要求的原狀土或擾動粘土略有區別。2019版標準中特定荷載下的膨脹率計算公式為：

式中：δep--壓力P作用下的膨脹率(%)；

Zw1--壓力P作用下變形穩定后的量表讀數(mm)；

Zw2--壓力P作用下膨脹穩定后的量表讀數(mm)；

h0--試樣初始高度(mm)。

3.2 2019版標準中有荷載膨脹率試驗的修訂處

對比以上式(1)和式(2)很容易看出，2019版標準修改了1999版標準中的有荷載膨脹率的計算方法。

2019版標準對土的有荷載膨脹率試驗的釋義為：為了模擬建筑物地基上的覆壓力或某一特定荷載條件下，地基土在有側限約束、浸水以后的膨脹變形量。在2019版標準的有荷載膨脹率試驗中，土試樣的膨脹變形量為其膨脹穩定后的高度與壓縮變形穩定后的高度的差值，而非1999版標準中的膨脹穩定后的試樣高度與試樣初始高度的差值。用2019版標準中的方法得出的試驗結果切合實際地反映出了試樣的脹升情況。可以認為2019版標準對1999版標準做出了恰當合適的修改，修改后的試驗結果更具科學性。

4 2019版標準有荷載膨脹率試驗的幾個要點

2019版標準對土的有荷載膨脹率試驗中的某些操作環節提出了要求，或做了相應的解釋說明。

(1)因為試驗中用到的透水板的水分可能會影響初始讀數，2019版標準要求透水板先烘干，再埋置在切削下的碎土內1h，使其與試樣的濕度大致相同。同樣試驗用濾紙的濕度也應與試樣的相近。在試驗中注意這些細節操作，有助于提高測試數據的準確性。

(2)在試驗過程中土試樣會發生沉降和脹升兩種情況，在安裝百分表時要予以考慮。GB 50021-2001《巖土工程勘察規范》要求當土的自由膨脹率＞40%時，應做有荷載膨脹率等試驗。試驗人員可根據土樣自由膨脹率試驗結果以及土樣試驗前的狀態來安裝百分表。通常安裝百分表時，將短針對準整數3或4，長針對零。

若土樣膨脹性較強，而施加的荷載相對較小時，浸水后下端土可能會膨脹擠冒，使壓縮儀杠桿失去平衡，此時應注意要隨時將壓縮儀杠桿調水平。

(3)試驗要求的荷載可一次施加或分級施加。分級加荷時，試驗人員會根據砝碼的具體情況，對試樣進行卸荷和再加荷，因而可能會產生一定的變形量；也可能會出現試樣在荷載施加過程以及穩定后，其壓縮變形量反而較之前變小了。有荷載膨脹率試驗的膨脹起始條件是，在一定荷載下土試樣已經達到固結(壓縮)穩定狀態，此狀態下試樣的壓縮變形量是整個壓縮過程中最大的。因此，應測讀因試樣卸荷—再壓縮所產生的變形量，并將該變形量從試樣的起始厚度中扣除。

(4) 2019版標準特定荷載下的膨脹率計算公式未用到儀器變形量。因為施加荷載所引起的儀器變形量已經通過調整量表指針調零的方式扣除，而膨脹引起的儀器變形量難以準確測量，因此，計算特定荷載下的膨脹率時，可不計試樣卸荷—再壓縮所產生的變形量以及荷載引起的儀器變形量。

(5)有些試樣在試驗中會出現注水后壓縮的情況，此時可終止試驗，或根據需要換用低一級荷載進行試驗。為了保持試樣始終浸在水中，要求注水至土樣頂面以上5mm，為便于排氣，宜采用逐步加水的方式。