膨脹土的工程性質(zhì)及其處理方法

賀中潤，王子威

（黑龍江省水利水電勘測設計研究院，哈爾濱 150080）

在工程實踐中，經(jīng)常會遇到一種具特殊變形性質(zhì)的黏性土，它的體積隨含水率的增加而膨脹，隨含水率的減少而收縮，這種具有明顯的膨脹性和收縮性的土，稱為膨脹土。在膨脹土地區(qū)進行工程建設，必須根據(jù)膨脹土工程地質(zhì)特征對其進行必要的處理。

1 膨脹土的工程地質(zhì)特征

1.1 膨脹土的場地特征

具有下列工程地質(zhì)特征的場地，且自由膨脹率≥40%的土，應判定為膨脹土：

1）近地表部位常有不規(guī)則的網(wǎng)狀裂隙發(fā)育，裂隙面光滑，時有擠壓鏡面和擦痕出現(xiàn)，裂縫中常充填灰白、灰綠色黏土，結構致密細膩，在自然條件下呈堅硬或硬塑狀態(tài)。

2）多出露于二級或二級以上的河谷階地、山前和盆地邊緣丘陵地帶，地形坡度平緩，一般＜12°，無明顯的自然陡坎。

3）常見淺層塑性滑坡，旱季地表出現(xiàn)地裂，新開挖的路基、邊坡、基槽易發(fā)生坍塌。

1.2 成分和結構特征

膨脹土所以具有脹縮特性，主要是因土中含有較多的親水性黏粒，這些親水性黏土礦物主要由晶格流動性極強的蒙脫石（2Al2[Si4O10]（OH）2·nH2O）或伊里石（水云母）（KAl2[AlSi3O10]（OH）2·nH2O）等黏土礦物組成，易溶鹽、中溶鹽、有機質(zhì)含量一般均較低，常見碳酸鈣或鐵錳質(zhì)結核。

從外表上看，膨脹土一般呈紅、黃、褐、灰白等不同顏色，具斑狀結構，土體常具有網(wǎng)狀開裂，有蠟狀光澤的擠壓面，類似劈理。土層表層常出現(xiàn)各種縱橫交錯的裂隙和龜裂現(xiàn)象，這與失水土體強烈收縮有關。這些裂隙破壞了土體的完整性和強度，常形成軟弱的結構面，使土體喪失穩(wěn)定性。

2 影響脹縮變形的主要因素

影響膨脹土脹縮變形的因素，可以歸納為內(nèi)部和外部兩種，其中，內(nèi)因是根據(jù)，外因是條件，外因通過內(nèi)因起作用。其主要因素有5種：

2.1 土的黏粒含量

膨脹土的黏粒含量高，多達 35% ～85%，其中粒徑＜0.002 mm的膠粒含量一般也在30% ～40%。液限一般為40% ～68%，塑性指數(shù)多在20～35。因此，一般膨脹土均屬于高塑性黏土。黏土顆粒小，分散性大，比表面積大，則表面能大，故其遇水對水分子的吸附能力高。因此，土中黏粒含量愈多，土的塑性指數(shù)愈高，則土體的脹縮性愈大。

2.2 土的含水率

在工程施工中，建造在含水量保持不變的黏土上的構造物不會遭受由膨脹而引起的破壞。當黏土的含水率發(fā)生變化，立即產(chǎn)生垂直和水平兩個方向的體積膨脹。含水率的輕微變化，僅1%～2%的量值，就足以引起有害的膨脹。土中含水率的變化而發(fā)生相應的膨脹或收縮變形，特別是在場地膨脹性土層厚度不一，均勻性不一，不同部位處含水率的變化以及建筑物基底壓力不等時，就會導致地基土不均勻的隆起或下陷，使得建筑物產(chǎn)生墻體開裂、地面隆起或下陷等破壞。

一般來講，很干的黏土表示有危險。這類黏土能吸收很多的水，其結果是對結構物發(fā)生破壞性膨脹。反之，比較潮濕的黏土，由于大部分膨脹已經(jīng)完成，進一步膨脹將不會很大。但應注意的是，潮濕的黏土在水位下降或其它的條件變化時，可能變干，顯示的收縮性也不可低估。

2.3 土的密度

土的密度大，孔隙比就小，浸水膨脹強烈，而失水收縮小;相反，土的密度小，孔隙比就大，浸水膨脹小，失水收縮大。而孔隙比處于中間值時，土的脹縮變形都較大。

2.4 土的結構強度

土的結構強度能承受膨脹或收縮變形，即結構強度愈大的土，抵制脹縮變形的能力也愈大。

2.5 地形地勢條件

在丘陵區(qū)和山前區(qū)，不同地形和高程地段地基土的原始條件及其受水蒸發(fā)條件不同。因此，地基土產(chǎn)生脹縮變形的程度各不相同。高曠地帶蒸發(fā)條件好，地基土易干縮，建造的單層淺基建筑物裂縫多;而建在低洼處附近有水田水塘的單層房屋裂縫少，是因為低洼地帶地基土中水分不易散失，有補給來源，較能保持相對穩(wěn)定濕度的緣故。

3 膨脹土地基處理方法

膨脹土的這種遇水膨脹、失水收縮開裂且反復變形的特殊工程性質(zhì)，給工程帶了較大的危害，準確地了解膨脹土的特性及變化的條件，就能夠知道地基將會產(chǎn)生怎樣的變形，從而采取相應的地基處理措施。膨脹土地基常用的處理方法有5個：

3.1 換土

可采用非膨脹性材料或灰土，換土厚度可通過變形計算確定。平坦場地上I、II級膨脹土的地基處理，宜采用砂、碎石墊層，墊層厚度≥300 mm，墊層寬度應大于基底寬度，兩側宜采用與墊層相同的材料回填，并做好防水處理。換土法能夠得到比其他處理方法更大的地基承載力，從根本上改變地基土的性質(zhì)，工期也比較短。

3.2 改良土質(zhì)

在膨脹土中添加石灰、水泥等非膨脹材料或添加化學劑使膨脹土失去膨脹性的材料。在膨脹土中拌合一定量的石灰或水泥可降低或消除膨脹土的膨脹性;同時，有機和無機的化學劑也已經(jīng)在膨脹土改良中得到應用，可以降低膨脹土的塑性指數(shù)和膨脹潛勢。

3.3 采用樁基

膨脹土層較厚時，應采用樁基，樁尖支承在非膨脹土層上，或支承在大氣影響層以下的穩(wěn)定層上。

3.4 預濕膨脹

施工前使土加水變濕而膨脹，并在土中維持高含水率，則土將基本上保持體積不變，因而不會導致結構破壞。

3.5 隔水法

根據(jù)膨脹土的特性，土體的含水率的變化是膨脹土產(chǎn)生危害的根本條件，采用綜合措施切斷基底下外界滲水條件，就可以保證地基的穩(wěn)定性。

各種處理措施，有時單獨采用，有時需綜合采用。

4 結語

綜上所述，鑒于膨脹土對工程安全的危害性，在設計時應根據(jù)膨脹土的工程地質(zhì)特征，對其進行判別，確定脹縮等級，詳細調(diào)查場地的工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件及建筑物結構類型等。在實際工程中，參照當?shù)亟?jīng)驗，結合施工條件，因地制宜采取治理措施，以求將膨脹土的危害性降低到安全的水平。

[1]工程地質(zhì)手冊編寫委員會.工程地質(zhì)手冊（第四版）[K].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：496～413.

[2]中華人民共和國城鄉(xiāng)建設環(huán)境保護部.GBJ112-87膨脹土地區(qū)建筑技術規(guī)范[S].北京：中國計劃出版社，1988.

[3]唐大雄.工程巖土學[M].北京：地質(zhì)出版社，2005：175-199.