四川攀枝花钒钛产业园区膨胀土分析

邱杰，周喜



四川攀枝花钒钛产业园区膨胀土分析

邱杰1，周喜2

（1.中冶成都勘察研究总院有限公司攀枝花分公司，攀枝花 617026；2.攀钢矿业公司设计研究院，攀枝花 617063）

四川攀枝花钒钛产业园区广泛分布膨胀土，对园区工程建设带来不利影响。通过对该区膨胀土的成因、分布、特性等进行调查、研究，对膨胀土的危害、整治进行了阐述，并对膨胀土处理不当的案例进行了总结。提出的主要治理措施为膨胀土填方地基、边坡，掺石灰是膨胀土改性处理的最有效方法。膨胀土地基，可采用增加基础埋置深度的防治措施，园区内膨胀土区基础埋置深度应不小于2m。边坡工程采用缓边坡、分级低挡墙方案，并注意挖方方式、顺序的合理性。膨胀土区建设，无论何时都应高度重视防水、排水措施。

膨胀土；特性；整治；案例

四川攀枝花钒钛产业园区，是四川省23个重点开发区之一，是四川省循环经济试点园区和知识产权试点园区，主要产业为“钒钛、有色金属、化工、电冶”。园区位于攀枝花市仁和区金江镇团山—马店河地区，广泛分布膨胀土，对园区工程建设带来不利影响。因此，对该区膨胀土进行调查、研究，对膨胀土处理不当的案例进行总结，对园区工程建设具有重要意义。

1 膨胀土的成因、分布

1.1 园区的地质背景

四川攀枝花钒钛产业园区，位于攀枝花市仁和区金江镇团山—马店河地区，处于市区东南24km的金沙江畔，规划面积为25km2。本区海拔1 000～1 500m，地形西高东低，为缓坡地形，平均坡度约10°~15 °。气候属于我国亚热带西段金沙江―龙川江岛状南亚热带干热河谷气候区，具有典型的南亚热带半干旱季风气候特点。

园区分布着岩浆岩地层和沉积岩地层，岩浆岩主要为晋宁期石英闪长岩，沉积岩包括：第四系下更新统半成岩的昔格达组粘土岩、粉砂岩，三叠系大箐组（T3）泥岩、长石石英砂岩。其中，大箐组泥岩、长石石英砂岩风化后形成的粘土矿物、碎屑物质为园区膨胀土的物质来源。

1.2 膨胀土的成因

园区膨胀土为含碎块石的粘土、粉质粘土，层位关系位于第四系下更新统半成岩的昔格达组粘土岩、粉砂岩地层之上，由此确定其形成时间晚于第四系下更新统。据钻孔揭露及地表观测，含碎块石的粘土、粉质粘土中含大量泥岩、砂岩碎块石，含量约20%～45%，粘性土、碎石、块石混杂无分选性，碎石、块石基本无磨圆度，呈次棱角～棱角形，一般粒径20～100cm，最大大于4m，具有典型的冰碛物特征，见照片1。

照片1 攀钢钛业公司15kT/a海绵钛项目场地冰碛物堆积地貌（地表见砂岩巨石）

第四系以来，攀西地区有两次冰川活动，一冰期冰碛物为粘性土、砂土、漂（卵）石混合物，含强风化岩浆岩碎屑物，半成岩的昔格达组粘土岩、粉砂岩地层为第一间冰期的冰水沉积物或同一时期的河湖相沉积物，由此，园区膨胀土应为第四系中更新统二冰期冰碛物。

1.3 膨胀土的分布

园区规划面积25km2，膨胀土分布北至金江火车站，南至马海达，东至金沙江边，西至老鱼塘乡，分布范围遍及大半个园区。膨胀土厚度最薄1～2m，最厚大于30m，下覆基岩与所在位置有关，主要有：第四系下更新统半成岩的昔格达组粘土岩、粉砂岩，三叠系大箐组（T3dq）泥岩、长石石英砂岩，晋宁期石英闪长岩。

2 膨胀土的特性

2.1 膨胀土的矿物成分

膨胀土是一种以蒙脱石、伊利石为基本矿物成分的粘性土，由于土中粘粒成分主要由亲水性矿物组成，使得膨胀土具有显著的吸水膨胀和失水收缩的特性。根据对园区膨胀土粒径小于2μm的粘土矿物成分采用差热分析、X-射线衍射分析并测定蒙脱石含量，园区膨胀土矿物成分以蒙脱石为主，其次为伊利石、高岭石，蒙脱石含量12.72%～16.36%，可见园区膨胀土为以蒙脱石为主的膨胀土类型。

照片2 钻孔岩芯膨胀土中的光滑面

照片3 开挖面膨胀土中的裂隙

2.2 膨胀土的结构、构造

园区膨胀土呈灰白、灰绿、黄褐色，土中多发育光滑面，倾角一般20°～60°，少量倾角小于20°，部分大于60°，土中光滑面发育程度不一，通过钻探揭露，光滑面发育主要分为两类：一类光滑面呈杂乱发育状，其发育密度较大，一般间距1～5cm，但其延伸有限，一般5～10cm，少量见擦痕；另外一类光滑面发育较为规律，在钻孔岩芯中呈全段面展布状，其面极光滑，一般倾角40°～60°，局部大于60°，少量见擦痕，一般间距15～50cm。刚取出的岩芯稍用力即可沿光滑面折断，岩芯失水干燥后，首先自动沿光滑面裂开断裂，光滑面手捻具有似滑石粉感，见照片2。土体开挖面见裂隙，暴露地表后裂隙微张，裂隙大部分有起伏，少量平直，延伸一般数米～十余米，见照片3。

表1 标准贯入试验成果统计表

注：由于土层中含碎块，致使标准贯入试验数据偏高

膨胀土为含碎块石的粘土、粉质粘土，碎块石多以孤石形式存在，少量为透镜体，膨胀土底部偶见较纯的厚度1～3m粘土。

2.3 膨胀土的膨胀潜势

膨胀土的膨胀潜势，可按自由膨胀率划分[1]：40%≤δef＜65%，为弱膨胀土；65%≤δef＜90%，为中等膨胀土；δef≥90%，为强膨胀土。据中冶集团十九冶中心实验室试验对58件试样测定[4]，园区膨胀土δef=27%～64%，平均44.9%，因此，园区膨胀土属弱膨胀土。

根据蒙脱石含量划分[2]：7%≤M＜17%，为弱膨胀土；17%≤M＜27%，为中等膨胀土；M≥27%，为强膨胀土。园区膨胀土M=12.72%～16.36%，园区膨胀土也属弱膨胀土。

2.4 膨胀土的物理力学性质

根据膨胀土的原位测试、室内土工试验及抗剪强度反算，成果数据统计如下[4-5]：

1）标准贯入试验、重型动力触探试验成果统计见表1、表2；

2）静载荷试验成果统计见表3；

3）静载荷试验成果统计见表4；

4）室内土工试验成果统计见表5；

5）钻孔波速测试成果统计见表6；

6）抗剪强度反算成果

表2 重型动力触探试验成果统计表

攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目，由于工期要求特别紧，边坡施工采用大面积开挖，造成多处滑坡，为准确把握膨胀土的抗剪强度指标，我们对边坡进行了反算。例如，L滑坡位置边坡（膨胀土边坡），坡脚平台标高1 218m，坡顶平台标高1 230m，坡高12m，当时按1∶1坡比开挖，即出现滑坡及南侧大面积蠕动变形区。由此，坡高12m，边坡坡比1∶1，假设边坡处于极限平衡状态，边坡稳定性系数为Ks=1，取天然重度γ=21.0kN/m3，采用圆弧滑动法进行反算，计算机自动搜索最危险滑面圆心（0.627，16.360）m，半径R=16.373m，反算得抗剪强度：C=22kPa,φ=15.3°。

表3 静载荷试验成果统计表

表4 现场直接剪切试验成果统计表

表5 土的物理力学试验成果统计表

根据以上统计数据及反算成果，结合其它地区膨胀土的经验，园区膨胀土的物理力学指标建议见表7。

表6 钻孔波速测试成果统计表

表7 膨胀土的物理力学指标建议值

2.5 膨胀土的工程特性

园区膨胀土一般呈硬塑状，强度较高，中低压缩性，易被认为是建筑性能很好的地基土，如果对其特征缺乏认识，往往会给建（构）筑物、边坡造成危害。膨胀土是一种特殊性土，具以下三大工程特性：

1）胀缩性，膨胀土的粘土矿物成分以亲水性矿物蒙脱石、伊利石为主，决定了膨胀土是一种吸水膨

胀、失水收缩开裂的特殊粘性土。膨胀土遇水膨胀，在极端情况下，如果完全受约束而不产生膨胀，则产生膨胀力；如果完全不受约束，则膨胀力为零，而发生最大膨胀。一般情况下，大气影响深度范围内的膨胀土，既会发生一定的膨胀变形，又会产生一定的膨胀力。膨胀土失水收缩，在同样条件下，土体初始含水量越高，收缩变形就越大。膨胀土的膨胀、收缩是可逆的，这是膨胀土地基上建（构）筑物变形长期不能稳定的主要原因。

2）易滑性，膨胀土中存在大量方向不一的光滑面、裂隙，使土体的完整性受到破坏，其中最危险的为顺坡向倾角20°～30°的光滑面。开挖出现临空面，或边坡受外界加载、水的影响，当边坡土体剪应力强度超过了土体及光滑面的抗剪强度，将导致光滑面彼此贯通而形成滑坡。由于膨胀土浅层受气候变化、风化程度、裂隙发育程度等因素影响，其抗剪强度明显低于深部，膨胀土浅层尤其更易发生滑坡。

3）遇水强度迅速衰减，膨胀土含大量亲水性矿物，土的含水量较低情况下，土体呈硬塑状，强度较高，但当含水量增加，其强度迅速衰减。例如，与冰川有关的膨胀土，当含水量为18%，膨胀土承载力为400kPa，含水量为24%，膨胀土承载力为170kPa[3]。强度迅速衰减还体现在抗剪强度上，即粘聚力C、内摩擦角φ的降低，这也是膨胀土边坡稳定性受水的影响很大的内在原因。

3 膨胀土的危害

膨胀土具有较大的吸水膨胀、失水收缩的变形特征。建造在膨胀土地基上的建（构）筑物，随季节性气候的变化会反复不断地产生不均匀的升降，而使建（构）筑物破坏。膨胀土地区建（构）筑物开裂破坏具有地区性成群出现的特点，遇干旱年份裂缝发展更为严重。发生变形破坏的建（构）筑物，多为一、二层的砖混结构的房屋或轻型构筑物，因为这类建（构）筑物的重量轻，整体稳定性差，基础埋置较浅，地基土易受外界因素的影响而产生胀缩变形，故极易裂损。园区建区前早期低矮建（构）筑物，如攀枝花市大西南实业有限公司（原渡口钢铁厂）的一、二层的砖混结构的房屋，裂损较严重。

膨胀土若用作支挡构筑物后侧填料，膨胀土吸水膨胀后，将形成作用于支挡构筑物上的水平推力，这将增加支挡构筑的不稳定性，如果设计时认识不足，可能导致支挡构筑倾斜、开裂，甚至倒塌。

膨胀土边坡稳定性很差，浅层尤其更易发生滑坡。园区地形西高东低，为缓坡地形，原始地形地表冲沟发育，水塘密布，低洼处常见泉眼出露，地下水一般埋深较浅。特殊的地形、水文地质条件，更为滑坡提供了外在条件，致使园区滑坡频发，据统计，园区内大大小小滑坡数十处，挡墙开裂损坏十分常见，例如：攀枝花市大西南实业有限公司（原渡口钢铁厂）与园区二号路之间，滑坡就有4处。

4 膨胀土的整治措施

对于采用膨胀土作为填料的填方地基、边坡，掺石灰是膨胀土改性处理的最有效方法。一般情况下，石灰剂量宜控制在4%～10%范围内。掺石灰的最佳配比，以处理后应达到弱膨胀土的低限指标之下，可作为非膨胀土对待。但对于大型工程，必须考虑投入费用，在处理费用与处理成果之间作权衡，例如攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目，预计掺石灰处理膨胀土的费用超过1亿元人民币，考虑到场地膨胀土仅为弱膨胀土，因而放弃掺石灰处理而采用其它措施：如场坪回填采用与非膨胀土混合后再回填，或将膨胀土深埋于大气影响深度之下。

对于膨胀土地基、边坡，可采用以下整治措施：

针对胀缩性的措施：园区大气影响深度为4米，大气急剧影响深度为大气影响深度的0.45倍，即１.8米基础，基础埋置深度应大于大气急剧影响深度，建议最小埋置深度采用2m；必要时可采用级配砂石垫层，垫层厚度不应小于300mm。支挡构筑物背后，应设砂石滤水层，一是缓冲膨胀土胀缩对支挡构筑物的影响，二是起到排水作用，以降低支挡构筑物背后地下水位。

针对易滑性的措施：采用缓边坡、分级低挡墙方案，挖方时应放坡分段跳槽开挖，从上往下、从后往前进行，并即时支护，同时做好边坡施工安全监测。

针对遇水强度迅速衰减的措施：对建筑物的周围应作好地下水道管网、地表排水沟的防漏措施，对场坪采取良好的排水防渗措施，对挡墙基础进行封闭。

5 园区膨胀土处理不当案例点评

1）案例1：攀枝花市大西南实业有限公司（原渡口钢铁厂）低层砖结构的厂房裂损，见照片4。

该厂房为园区建区前早期建筑物，一层，砖混结构，房屋东北角大铁门严重变形，铁门上方墙体出现两条裂缝，长约2m，裂缝宽1cm，厂房已成危房。

点评：地基土为膨胀土，基础埋深太浅，未大于大气急剧影响深度，受膨胀土胀缩影响，地基土反复不断地产生不均匀的升降，而使厂房裂损。特别注意：园区地基土为膨胀土的砖混结构建（构）筑物，基础埋深应大于大气急剧影响深度，建议最小埋置深度采用2m。

照片4 大西南实业有限公司低层砖混结构的厂房裂损

照片5 攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目西南部滑坡

2）案例2：攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目西南部开挖不当形成滑坡，见照片5。

该滑坡（L滑坡）发生于2008年3月22日，造成已开挖的边坡毁坏，滑坡前后长约72m，左右宽约109m，滑坡体体积约30 000m3，滑坡处边坡坡脚平台标高1 218m，坡顶平台标高1 230m，坡高12m，当时按1∶1坡比开挖，形成的滑坡。

点评：边坡土质为膨胀土，由于工期要求特别紧，边坡施工采用大面积开挖，开挖坡比1∶1太陡，而导致滑坡。特别注意：膨胀土边坡，应采用缓边坡，挖方时应放坡分段跳槽开挖，从上往下、从后往前进行，并即时支护。

3）案例3：攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目I挡墙I2+210～240m段垮塌，见照片6。

I挡墙墙高12m，为衡重式浆砌毛石挡墙，2010年4月11日，I挡墙I2+210～240m段垮塌，垮塌范围30m。

照片6 攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目I挡墙I2+210～240m段垮塌

照片7 攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目m挡墙墙脚开挖出水

点评：地基土为三叠系（T3dq）强风化泥岩，墙后回填为膨胀土，墙后有一条临时性排水管沟，沟内积水，且沟底、沟壁开裂，向墙后填土内渗水。挡墙抗滑稳定性良好，基脚未发生位移，由于墙后膨胀土遇水膨胀且抗剪强度衰减，墙后土体膨胀力、土压力超过挡墙的强度，挡墙从墙脚以上3m处断裂。特别注意：膨胀土不宜作为墙后回填填料，如果因某种原因将膨胀土（弱膨胀土）作为墙后回填填料，墙后应设砂石滤水层，一是缓冲膨胀土胀缩对挡墙的影响，二是起到排水作用，以降低墙后地下水位，该挡墙墙后未设砂石滤水层，仅在泄水孔后设碎石堆囊。

4）案例4：攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目挡墙基槽积水，导致多处挡墙变形过大，见照片7。

攀钢钛业公司15kt/a海绵钛项目挡墙基槽普遍积水，经对P、K、M、I挡墙墙脚开挖，一般在地面下0.5～1.2m出水。

点评：由于砌筑挡墙的毛石间存在大量孔缝（砂浆饱和度不可能达到100%，毛石间大量间隙未被填充），毛石挡墙成为透水挡墙，雨水、施工用水、生活用水，从墙后、墙前顺墙体下渗，进入基槽，因基槽积水无法排出，形成积水长期浸泡挡墙基脚，导致多处挡墙变形过大。特别注意：对墙后地面一定范围进行密封隔水，并将墙顶、墙脚地面应做成散水，墙后必须设置砂卵石滤水层排水，滤水层下及墙前设置隔水层，若为浆砌毛石挡墙，可在墙前地面略偏上高度位置（滤水层下）在浆砌毛石挡墙墙体设置一定厚度的混凝土隔水层。

5）案例5：攀钢钛业公司钛冶炼厂1#挡墙北端滑坡，见照片8。

1#挡墙高12m，为衡重式浆砌毛石挡墙，挡墙北端约60m范围外倾且发生滑移，墙体最大位移1.0m左右。同时，挡墙内侧约50m范围内受其影响，围墙拉裂、地面出现拉张裂缝、地面下沉、电线杆倾斜。

点评：地基土为膨胀土，墙后回填也为膨胀土。墙后有一条排水管沟，沟内积水，且沟底、沟壁开裂，向墙后填土内渗水。挡墙墙趾前有一条排水沟向沉降缝内渗水，水已经渗入挡墙基础底部。水渗入后，土的重度增大，同时膨胀土遇水易软化，墙后、墙基础地基抗剪强度降低，整个土体滑动，形成滑坡，造成挡墙变形、破坏。特别注意：膨胀土遇水强度迅速衰减，水的影响是园区滑坡频发的重要原因，边坡、支挡工程，必须采取良好的排水防渗措施。

照片8 攀钢钛业公司钛冶炼厂1#挡墙北端滑坡

总之，园区内工程建设过程中对膨胀土因认识不够而处理不当，导致工程事故的教训是深刻的，以上案例较为典型，供同仁参考。

6 结论

1）园区膨胀土的形成、分布，有其特定的地质环境，园区膨胀土为第四系中更新统二冰期冰碛物，分布范围遍及整个园区，三叠系大箐组（T3dq）泥岩、长石石英砂岩风化物后形成的粘土矿物、碎屑物质为园区膨胀土的物质来源。

2）膨胀土的矿物成分、结构构造决定了膨胀土的物理力学性质及工程特性。园区膨胀土为以蒙脱石为主的膨胀土类型，土中光滑面、裂隙发育，为弱膨胀土，但对其胀缩性、易滑性、遇水强度迅速衰减必须高度重视。

3）膨胀土的危害与其工程特性密切相关，园区常见的危害为低矮砖混结构建（构）物的裂损及滑坡频发。

4）膨胀土填方地基、边坡，掺石灰是膨胀土改性处理的最有效方法。膨胀土地基，可采用增加基础埋置深度的防治措施，园区内膨胀土区基础埋置深度应不小于2m。边坡工程采用缓边坡、分级低挡墙方案，并注意挖方方式、顺序的合理性。膨胀土区建设，无论何时都应高度重视防水、排水措施。

5）园区内工程建设过程中对膨胀土处理不当而导致工程事故的教训是深刻的，希望同仁能从本文提供的案例中吸取教训。

[1] 中华人民共和国城乡建设环境保护部．膨胀土地区建筑技术规范（GB50112-2013）[S]．北京：中国建筑工业出版社，2010：10．

[2] 中华人民共和国铁道部．铁路工程特殊岩土勘察规程（TB 10038-2012）[S]． 2012：31．

[3] 《工程地质手册》编写委员会．工程地质手册（第4板）[M]．北京：中国建筑工业出版社，2007：484．

[4] 中冶成都勘察研究总院有限公司．攀钢（集团）钛业有限责任公司15kt/a海绵钛项目挡墙详勘阶段岩土工程勘察报告[R]. 2007：8-11．

[5] 中国有色金属工业昆明勘察设计研究院．攀钢（集团）公司18万吨/年氯化渣工程施工图设计阶段岩土工程勘察报告[R]．2004：3-5．

Analysis of the Expansive Soil in the Panzhihua Vanadium-Titanium Industrial Park in Sichuan

QIU Jie1ZHOU Xi2

(1-Panzhihua Branch, Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute Co. Ltd of MCC, Panzhihua, Sichuan 617026; 2- Research Institute of Design, Mining Company, Panzhihua Steel and Iron Group, Panzhihua, Sichuan 617063)

Expansive soil is widely distributed over thePanzhihua Vanadium Titanium Industrial Park. This expansive soil has a negative impact on the construction of the park project. This paper deals with distribution, genesis, particular property and endanger of the expansive soil in the industrial park. Such control methods of the expansive soil as doping with lime, increase in base depth of more than 2 m, slow slope, graded low retaining wall are proposed. Waterproofing and drainage measures are of great importance to construction in the expansive soil region.

expansive soil; particular property; control; Panzhihua Vanadium Titanium Industrial Park

2018-06-01

邱杰（1966-），男，地质及工程地质专业，工程师，主要从事岩土工程勘察工作。

[P642.3]

A

1006-0995（2019）01-0117-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.028