膨脹力現(xiàn)場實測檢測技術指南

一、 引言

膨脹力是指巖土體（尤其是膨脹性粘土、頁巖等）吸水后體積膨脹受到約束時所產生的內應力。準確測定現(xiàn)場巖土體的膨脹力，對于評估其工程危害性（如導致建筑物開裂、路基隆起、隧道襯砌破壞等）以及合理設計地基處理、邊坡支護、地下結構至關重要。相較于室內試驗受取樣擾動和邊界條件限制，現(xiàn)場實測能夠更真實地反映原位巖土體的膨脹特性，是獲取關鍵設計參數(shù)的有效手段。

二、 現(xiàn)場實測的必要性與優(yōu)勢

1. 反映原位狀態(tài)： 最大程度保留巖土體的天然結構、含水率分布、應力歷史及環(huán)境條件（如溫度、濕度變化）。
2. 減少擾動影響： 避免取樣、運輸、室內制樣過程中對土體結構的破壞。
3. 捕捉實際約束條件： 能夠模擬工程結構對膨脹變形的實際約束形式（如剛性擋墻、基礎底板），直接測得在該約束條件下產生的力。
4. 評估長期效應： 可在現(xiàn)場進行長期監(jiān)測，觀測膨脹力隨季節(jié)、降雨、地下水位變化的動態(tài)發(fā)展過程。
5. 驗證設計合理性： 為工程設計和地基處理方案提供直接依據(jù)，并可用于施工過程控制和工后監(jiān)測。

三、 主要現(xiàn)場實測方法

現(xiàn)場實測膨脹力主要分為兩類：直接測量法和間接推導法。

• （一） 直接測量法
  直接在巖土體中安裝測力元件，當土體膨脹時，膨脹力直接作用于測力元件并被記錄。這是最直觀、精度相對較高的方法。

  1. 壓力盒法 (應力計法)：
     • 原理： 將剛性壓力盒（或稱土壓力盒）埋設于預定深度或緊貼結構物（如擋墻）背面。當周圍土體膨脹時，產生的膨脹力直接施加在壓力盒受感面上，通過盒內傳感器（如電阻應變片、振弦式元件）將壓力信號轉換為電信號輸出。
     • 設備：
       • 剛性土壓力盒（量程需預估膨脹力大小并留有余地，精度要求高）。
       • 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)（讀數(shù)儀/數(shù)據(jù)采集器）。
       • 配套電纜、保護管。
     • 關鍵步驟：
       • 測點定位： 根據(jù)地質勘察報告和工程需求，選定代表性位置（如不同土層、不同含水量區(qū)、臨近關鍵結構處）。
       • 鉆孔/開槽： 開挖埋設孔（槽），尺寸略大于壓力盒，確保盒體與土體密貼。
       • 安裝埋設： 將壓力盒平置于孔（槽）底，受力面朝向待測膨脹力的方向（如垂直向上測地基隆起力，水平向擋墻測側向膨脹力）。用細砂或原狀土粉末仔細回填密實壓力盒周圍，確保受力均勻。特別注意保證壓力盒與土體之間無空隙。連接電纜并引出至地表保護。
       • 初始讀數(shù)： 記錄安裝完成后的初始讀數(shù)（零點）。
       • 環(huán)境控制/誘導吸水 (可選)： 有時需在埋設區(qū)域覆蓋保濕材料（如塑料薄膜）或人工注水，加速土體吸水膨脹過程，縮短測試周期。
       • 數(shù)據(jù)采集： 定期（初期頻率高，后期可降低）或連續(xù)采集壓力盒讀數(shù)，直至讀數(shù)穩(wěn)定或達到預期測試周期。
     • 優(yōu)點： 直接測量力，原理清晰，技術相對成熟。
     • 局限性： 安裝要求高（確保密貼無空洞），壓力盒剛度需遠大于土體剛度以保證測量精度，長期穩(wěn)定性要求高，成本相對較高。

• （二） 間接推導法
  通過測量巖土體在吸水膨脹過程中的位移變形，結合已知或假定的約束剛度（或反力結構剛度）來推算膨脹力。

  1. 位移反算法：
     • 原理： 在現(xiàn)場設置一個已知剛度的反力結構（如剛性加載板、小型試驗樁、大型荷載板），允許膨脹土體在反力結構下方或一側吸水膨脹。精確測量反力結構的位移（隆起或側移）。根據(jù)胡克定律（F = K * δ），利用測得的位移量（δ）和反力結構的已知剛度（K），即可計算出施加在該結構上的膨脹力（F）。
     • 設備：
       • 剛性反力結構（鋼板、混凝土塊、預制樁等）。
       • 高精度位移傳感器（如千分表、電子位移計、光纖傳感器）。
       • 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。
       • 必要的加載/固定裝置。
     • 關鍵步驟：
       • 反力結構安裝： 平整場地，安裝固定好剛性反力結構（如大面積地基測試用大型荷載板，局部測試可用小型加載板錨固于穩(wěn)定地層）。
       • 位移計安裝： 在反力結構的關鍵點（如中心、四角）安裝位移計，測量其相對于穩(wěn)定基準點的位移。基準點必須設置在不受膨脹影響的穩(wěn)定區(qū)域。
       • 基底處理 (可選)： 清除反力結構下方松散土體，必要時鋪設薄砂找平層。確保反力結構底部與土體初始接觸良好。
       • 誘導吸水： 在反力結構影響范圍內的土體提供水源（如注水、覆蓋保濕）。
       • 位移監(jiān)測： 持續(xù)或定期監(jiān)測反力結構的位移發(fā)展。
       • 計算膨脹力： 根據(jù)位移-時間曲線確定穩(wěn)定位移量δ，結合反力結構剛度K計算膨脹力F。
     • 優(yōu)點： 無需昂貴的壓力傳感器，反力結構剛度可精確標定或計算，特別適用于大面積地基膨脹力評估。
     • 局限性： 精度依賴于剛度K的準確性以及對位移δ的精確測量。反力結構自身的沉降或變形需極小或可忽略不計。約束邊界條件的模擬可能不完全等同于實際工程情況。

四、 現(xiàn)場實測關鍵技術環(huán)節(jié)與注意事項

1. 地質勘察與測點選擇： 基于詳細的地質勘察報告（識別膨脹性土層分布、礦物成分、初始含水率、裂隙發(fā)育等），選擇最具代表性、對工程影響最大的位置布設測點。考慮不同深度、不同含水條件區(qū)域。
2. 設備選型與標定： 根據(jù)預估膨脹力大小、測量精度要求、環(huán)境耐久性（防水、防腐蝕）、長期穩(wěn)定性選擇合適的傳感器（壓力盒、位移計）。所有傳感器在埋設前必須經過嚴格的實驗室標定。
3. 精密安裝與回填： 這是保證數(shù)據(jù)準確性的核心。確保傳感器（尤其是壓力盒受力面）與土體緊密、均勻接觸是關鍵?；靥畈牧蠎c原狀土特性接近，并分層小心壓實（避免沖擊），最大限度減少對原位土的擾動。做好傳感器和電纜的保護（防機械損傷、防潮）。
4. 基準建立與初始值記錄： 位移測量必須建立穩(wěn)固可靠的基準點（遠離膨脹影響區(qū)）。所有傳感器安裝完成后立即記錄穩(wěn)定可靠的初始讀數(shù)（零點）。
5. 環(huán)境控制與誘導： 根據(jù)測試目的，決定是否需要對測試區(qū)域進行保濕或注水以加速膨脹過程。需監(jiān)控測試過程中的環(huán)境因素（降雨、氣溫、地下水位變化）。
6. 數(shù)據(jù)采集頻率與周期： 初期膨脹發(fā)展快，數(shù)據(jù)采集頻率要高（如每小時或每天）。隨著膨脹趨穩(wěn)，可降低頻率（如每周或每月）。測試周期應足夠長，直至膨脹力/位移達到穩(wěn)定狀態(tài)，通常需數(shù)月甚至跨雨季。
7. 數(shù)據(jù)整理與分析：
   • 繪制膨脹力/位移隨時間變化的曲線圖。
   • 識別膨脹力發(fā)展規(guī)律（速率、穩(wěn)定值）。
   • 分析膨脹力與土體含水率變化、環(huán)境因素（降雨）等的相關性。
   • 結合地質資料，評估不同土層、不同位置的膨脹力差異。
   • 對異常數(shù)據(jù)進行分析復核。
8. 質量控制與安全保障：
   • 嚴格執(zhí)行測試方案和操作規(guī)程。
   • 做好現(xiàn)場記錄（安裝過程照片、日志）。
   • 定期巡檢設備狀態(tài)和數(shù)據(jù)質量。
   • 遵守施工現(xiàn)場安全規(guī)定。

五、 結論

現(xiàn)場實測是獲取巖土體原位膨脹力的最可靠方法，對于膨脹土（巖）地區(qū)的工程安全性和經濟性設計具有不可替代的作用。壓力盒法（直接法）和位移反算法（間接法）是主流技術，各有優(yōu)缺點和適用場合。成功的現(xiàn)場實測依賴于科學的方案設計、嚴謹?shù)脑O備選型與標定、精密的安裝埋設工藝、規(guī)范的數(shù)據(jù)采集流程以及細致的分析解讀。 通過嚴格執(zhí)行技術規(guī)范并關注關鍵細節(jié)，可以有效獲取反映工程實際的膨脹力數(shù)據(jù)，為工程建設提供堅實的技術支撐。

重要提示： 本文內容為通用技術描述，具體項目實施需依據(jù)國家或行業(yè)現(xiàn)行規(guī)范、標準，并結合現(xiàn)場實際情況制定詳細的測試方案。