陕南膨胀土的地基处理方法简析

(陕西省水利电力勘测设计研究院勘察分院，陕西 咸阳 712000)

1 膨胀土分布的地理位置

膨胀土是土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，具有显著的吸水膨胀和失水收缩两种变形特性的粘性土。

膨胀土在陕南较大河谷中有分布，但主要分布在汉中、西乡、安康三个盆地，总面积约1 300 km2，占三个盆地面积的1/2以上。汉中盆地为近东西向山间盆地，地势北高南低，东西长约102 km，南北最宽处约25～30 km，闭合于洋县龙亭，西端因有梁山突起楔入，将其分为勉县、南郑两个分支，总面积约700 km2。西乡盆地位于汉江南侧的牧马河中段，盆地西南高，东北低，长约21 km，宽9 km，面积152 km2。安康盆地由马池、汉阴、安康三个小盆地组成的狭长状山间盆地，呈西北-东南向展布，总面积约396 km2。

2 膨胀土工程地质特性

根据自由膨胀率(δef)的大小，膨胀土分类如表1，膨胀土对地层砖混结构房屋的影响程度分级如表2。

表1 膨胀土分类表

2.1 膨胀土物性指标

膨胀土的基本物性指标如天然含水量、孔隙比随膨胀土类别的增大而增加，而天然密度、干密度随膨胀土类别的增大而减小。其液限、塑限、塑性指标等指标也随膨胀土类别的增大也呈增大的趋势。

2.2 膨胀土的缩胀性指标

根据统计，陕南Ⅰ类膨胀土汉中盆地自由膨胀率δef=40%～58%，平均值43.6%；西乡盆地自由膨胀率δef=40%～52.2%，平均值46%；安康盆地自由膨胀率δef=40%～61%，平均值46.1%。Ⅱ类膨胀土汉中盆地自由膨胀率δef=59%～85%，平均值69.3%；西乡盆地自由膨胀率δef=53.6%～88%，平均值68.4%；安康盆地自由膨胀率δef=56%～85.9%，平均值69.5%。Ⅲ类膨胀土汉中盆地自由膨胀率δef=76%～97%，平均值90.4%；西乡盆地自由膨胀率δef=83.7%～138%，均值101.6%；安康盆地自由膨胀率δef=75.4%～112%，平均值96%。总体来说，陕南Ⅰ类膨胀土均具弱膨胀性，Ⅱ类膨胀土均具中等膨胀性，Ⅲ类膨胀土均具强等膨胀性。

膨胀土的胀缩特性：吸水膨胀，失水收缩的基本原因在于土粒与水的相互作用，土粒中的粘土矿物晶格扩张和土中结合水膜厚度的变化而引起土粒间距离的扩大或缩小,因而引起土体积的增大或缩小。

表征膨胀潜势的指标：无荷膨胀率、膨胀力、线缩率、体缩率、收缩系数等都随着膨胀土类别的增加,其膨胀潜势也在增大,即以Ⅲ类土膨胀潜强而Ⅰ类土最弱。

2.3 膨胀土的力学特征

2.3.1 膨胀土的压缩特性

陕南膨胀土的压缩性指标如表3。

表3 陕南膨胀土压缩性指标表

由表可见，Ⅰ、Ⅱ类膨胀土平均压缩系数为a1-2=0.16～0.24 Mpa-1，平均压缩模量Es=12.53～17.74 Mpa，一般为中等压缩性土；而Ⅲ类膨胀土的压缩系数a1-2=0.50～0.83 Mpa-1，压缩模量的平均值为3.77 Mpa，为高压缩性土。

2.3.2 膨胀土的抗剪强度

根据统计，陕南三个盆地膨胀土抗剪强度指标规律，Ⅰ、Ⅱ类膨胀土抗剪强度峰值的范围值大于Ⅲ类膨胀土抗剪强度范围值，其残余强度也有类似规律。三轴剪切试验测得的抗剪强度小于直剪峰值强度，而大于残余强度。

天然状态下膨胀土强度比饱和状态时大许多,主要是凝聚力C值降低50%以上，而且三种类型膨胀土都具有随土体含水量增加而其强度减小的变化规律。

3 工程概况

3.1 地基土的工程地质特性

本工程位于安康汉滨区五里镇，建筑物为两层砖混结构楼房。地貌单元为二级阶地，地形较平坦，地表分布有厚度较大的浅棕红色粉质粘土。

根据室内试验统计结果，粉质粘土物性指标比重Gs=2.72，含水率ω=21.5%，天然密度ρ=1.91 g/cm3，干密度ρd=1.56 g/cm3，孔隙比e=0.705，饱和度Sr=84.3%，自由膨胀率δef=52.5%。粉质粘土力学指标压缩系数a1-2=0.40 Mpa-1，压缩模量Es=6.2 Mpa，快剪C=40 kpa，φ=15°，饱和快剪C=25 kpa，φ=9°，承载力fk=180 kpa。

粉质粘土自由膨胀率δef=52.5%，其属弱膨胀性土，经计算后变形量Sc=30 mm。由此可知本场地粉质粘土属弱膨胀性土，地基土的膨胀等级为Ⅰ级。

3.2 地基土的预防及处理方法

3.2.1 膨胀土地基变形的预防

膨胀土发生胀缩变形的根本原因在于土体中存在一定数量的强烈亲水性粘土矿物或粘胶颗粒和特殊的微观结构，通过大气降水，地下水升降以及气温变化等的影响而发生作用。

挖除基础下的膨胀土是消除其变形最彻底和最简便的方法。然而往往不现实。

预防膨胀土发生变形的危害，关健在于如何防止大气降水和地下水对地基土的浸润和气温变化的影响，即使地基土天然含水量保持一定状态，既不因含水量的增加而发生膨胀，也不因含水量的减少发生收缩。结合陕南膨胀土特性和地形地质条件，可采取如下一些措施避免发生胀缩变形的危害。

(1)加宽建筑物周围散水坡。建筑物周围 的散水坡应做到1.5～2.0 m或更宽一些。构筑物如烟囱、水塔基础的散水坡最好超出基础外缘0.5～1.0 m。

(2)建筑物四周设排水沟。建筑物四周可设混凝土排水沟，将雨水及生活用水等地表水引入明沟排走。

(3)设置防水层。对湿沾润建筑物，如水池、用水车间等湿润房屋，可在基础下设置防水层(如土工布)既可防止地表水下渗，又可阻止地基土水分蒸发，从而使基础土体湿度保持较稳定状态，使基础土体胀缩变形效应减至最低限度。

(4)加固房屋地基。为防止地基表面开裂、隆起等变形，可在其表面加厚夯实基础，以达到封闭隔水和防止胀缩变形的作用。

(5)采取隔热措施。陕南膨胀土地基多以收缩变形为主。因此对建有工业炉、烟囱烟道、地下热力管道、地下蓄热设施的工厂等建筑，应采取隔热措施，避免地基失水收缩，防止基础下沉。

3.2.2 建筑物地基处理方法

(1)加深基础砌置深度。加深基础砌置深度，其目的是减少膨胀土地基土层的厚度，增大基础底面以上土层的自重，加大基础侧面与土的摩擦力，增大至基础底面的渗透距离或弱蒸发条件，保持地温和湿度的稳定，以防止和减弱膨胀土变形强度。

(2)置换土垫层或砂垫层

如膨胀土地基厚度过深，难以达到湿度和温度相对稳定的地段，则有必要考虑挖除上部一定深度的膨胀土，而换以非膨胀土层以夯实回填，如采用素填土垫层、砂垫层或砾卵石、碎石垫层等。

(3)用掺石灰、粉煤灰的膨胀土作地基垫层

在膨胀土中掺入6%～10%的石灰与煤灰，使土体脱水硬化，胀缩性减小，膨胀潜势基本消除，提高土体强度。同时，掺灰混合土还能起到隔水保湿作用。

(4)墩基加基础梁方案。如单层建筑物的条件基础过长，而其下地基土又不均一时，则会发生不均匀沉降，使上部建筑这形破坏。因此，可以考虑钢筋混凝土梁，托起上部构筑物。墩基要深入到土体湿度相对稳定的深度。

(5)桩基方案。如膨胀土地基过厚，膨胀潜势较强，如用灰土垫层或其它处理方法不经济时，可考虑用桩基穿透膨胀土层而深入到非膨胀土中。

(6)压力抵消方案。增加基础附加荷重，抵消由于膨胀土而产生的膨胀力。当基础下附加压力与土的自重压力之和，等于或大于膨胀力时，则地基可能不再发生肝胀。此种方案应用于以膨胀为主的膨胀土。

本工程粉质粘土属弱膨胀性土，地基土的膨胀等级为Ⅰ级。建筑物为二层砖混结构，上部荷载不大，因此采用换填法。即置换土垫层或砂垫层，采用素填土垫层、砂垫层或砾卵石、碎石垫层等，处理厚度>50 mm。

3.3 施工中应注意的事项

在处理地基时应注意如下几个问题：

(1)基坑不宜长期暴露或任其积水浸泡，在施工过程中，应作好场地排水工作。

(2)基坑应随挖随做基础，并立即回填，对基础面两侧回填土应分层夯实，尽可能减少水的下渗。

(3)当发现基坑中土体出现裂隙时，对重要工程宜将裂隙灌浆，并用非膨胀土做地表盖层再进行施工。

4 结语

(1)陕南的膨胀土在平面分布上具有面积大但相对集中的特点，主要集中在汉中、安康、西乡三个地区。在竖向分布上具有埋深浅、厚度大的特点，膨胀土多出露于地表，单一场地的累积厚度大于10 m。在胀缩特性方面具有胀缩等级较低，膨胀力不高(一般低于100 kPa,个别为129 kPa)的特点。针对这些特点，膨胀土地基主要通过布置地形、基础埋深、置换垫层、墩基、桩基等不进行处理。

(2)由于膨胀土的性质受地区气候、地形、自然地质条件、建筑经验以及土性等因素共同影响，使得在膨胀土地区建造建筑物往往具有较大的困难。膨胀土胀缩的性质给建筑物的正常使用带来了隐藏的灾害，对膨胀土地区的建筑物提出了更高的要求。因此，膨胀土的治理必须引起足够的重视，并结合当地工程地质条件，选择切实可靠的工程措施。

(3)在施工过程中要引起足够重视，特别是一些有深基坑开挖的工程，需做好坡面防护，避免出现滑坡、塌方，另外，切忌用经过晾晒、扰动的膨胀土作为回填材料。