红黏土地基工程的勘察及地基处理

赵 龙 穆鹏华

中冀建勘集团有限公司 河北 石家庄 050227

我国西南地区广泛分布有红黏土，伴随着西南地区的持续发展，许多大型项目的开发中遇到了必须在红黏土地质条件下进行建（构）筑物施工的情况。红黏土是一种特殊的基岩，其特征在于较高的液体极限、孔隙度、水分含量以及强度，具有较大的表面承载能力，同时它具有较低的压缩性，在失水的过程中发生收缩。

在岩溶沟、石芽、岩溶槽，石林、岩溶洞穴以及缝隙等岩溶发育的影响下，红黏土发生不均匀的分布，较大的厚度变化，伴随深度变化，可塑性也随之变化，岩土界面波动性很大。地基条件以及岩溶发育明显影响地基的不均匀沉降、稳定性以及承载力。在工程勘察过程中，有必要增加勘察力度以检查诸如岩溶发育、塑性变化、土层分布等数据，进而充分开发红黏土地基的价值[1-19]。在本文中，将结合某一工程实例，重点分析和研究如何勘探并处理红黏土地区的地基，为相应项目的地基建设提供技术上的参考。

1 红黏土地基的特征分析

红黏土是一种碳酸盐，是岩石系列的裸露岩石形成的诸如红棕以及棕褐色的高塑性黏土。主要矿物成分是高岭石，其中含有一定数量的蒙脱石与石英颗粒。它上部硬而下部软，在裂缝中发育而成，液体极限超过50%，并且在水分流失情况下会产生明显收缩。我国的碳酸盐岩分布广泛，约占全国总面积的1/7，主要分布在广西壮族自治区、贵州省以及云南省南部。其中，碳酸盐岩覆盖了贵州省约73%的地区，由于湿热环境，贵州红黏土广泛分布。受丘陵、山地等地形的影响，斜坡上的红黏土覆盖相对较薄，主要分布在岩溶沟、石芽、岩溶槽，石林、岩溶洞穴以及缝隙等低洼地区，存在严重的不均匀厚度，随深度的增加而变化，并且通常在岩石-土壤交界处存在软塑性或流体性红黏土。

最先被发现的是由碳酸盐岩发育成的红黏土，分布最为广泛，也是最典型的类型。红黏土是区域性的特殊土壤。国内外关于红黏土特性的研究很多，不同的基质岩石以及环境对红黏土的工程性质会产生不同影响。通常，红黏土具有以下特征：自然水分含量较高；黏土颗粒的可塑性以及分散性较高；饱和度高，液体极限指数较低；孔隙率较高，密度较低；相对密度较低；具有典型特性，例如低压缩性与高强度。在工程地基中，具有很多宏观性质，即裂隙发育，上部坚硬，下部柔软，表面容易发生收缩。

2 红黏土地基的应用现状

对于高速公路和机场项目，不良的红黏土性能会降低地基的压实性，使得路基与人行道板产生裂缝，并引发潜在的安全问题。在典型的住宅建设项目中，使用的是没有地下室的地基，例如筏板地基，然而如果上部具有较大的额外荷载，则建筑重心很可能会出现不均匀分布，并且筏板与地面会产生裂缝，影响该结构的正常使用。特别是在高填方项目中，经过地基处理的红黏土具有较高的结构强度，通常在天然地基中使用。顶部较大的附加以及振动荷载，会导致不正确的地基处理与较大的地基损坏。

在典型的高原山区，场地具有较大的坡度，土壤呈现不均匀的厚度。尤其是碳酸盐岩地区，上层的红黏土层受到溶洞、溶槽、石芽等的影响，土壤层的不均匀性更加明显。由于场地具有较大的坡度，所以平整后的红黏土状况不是恒定的，深基坑表面的硬塑性土层被开挖后，只能使用软塑性与塑性土层作为持力层，在浅基坑中，虽可使用坚硬的塑性土层作为持力层，但持力层的一部分还受到岩溶沟、石芽、岩溶槽，石林、岩溶洞穴以及缝隙的影响。结构相同的单元内常会发生较大的不均匀沉降、承载性能以及地基的稳定性的改变，使工程研究和地基设计更加困难。

3 工程概况

本项目在我国南部的特定地区。该区域为溶蚀地形，整体地质是由岩石溶蚀、侵蚀、风化形成的。整个地形位置往往在南部偏低、北部较高，建筑区域内的土壤层由硬塑红黏土、可塑红黏土以及软塑-流塑红黏土构成，并伴有石芽、溶沟、溶槽以及溶洞等。施工现场以南约有22 800 m2的高填土区，回填区最大深度可达12 m。由于整个项目的建设工期短，在该地区的施工过程中，外部环境会对其产生明显的影响，所以，挖出的红黏土将不被视为地基回填的材料。回填土具有相对较软的结构，回填土的承载力大幅度降低，地表的承载力增加，整个地基的承载力在80～100 kPa之间，项目地基整体的压缩系数在0.90左右。回填区有未进行地基处理的混凝土，无法完全满足回填的设计指标以及项目的使用规范要求。

4 红黏土地基的勘察措施分析

4.1 红黏土地基项目的勘察原则

根据国家与地方的相应法规，并结合笔者在当地的工作经验，红黏土地基工程的勘察工作应从下述几个方面着手：

1）基于建筑物的结构形式，勘察地基的承载能力大小，岩溶沟、岩溶槽、石芽、石林的岩溶发育程度，土壤厚度的变化。根据地基形式，结合现有的地质资料，分析进行勘察的途径与方法，确定钻孔的数量与布局情况。钻孔的布局以及数量必须符合主应力层中土壤层厚度的变化，并确定土壤溶洞、岩溶洞穴、岩溶槽、岩溶沟槽、石芽以及石林等的分布，并对其下沉变形、稳定性、承载性能进行评估。通过测试大量的土壤样品，获得各种条件下红黏土的物理和机械指标，并通过静力触探试验、载荷测试、物理以及原位测试等现场测试方法，验证力学参数是否合理。测试不均匀沉降和地基稳定性是否符合标准，并对持力层的承载力进行评估。

2）所有场地需进行3个或更多的钻孔，并且每隔0.5 m从地面取一次土壤样品以测试水分含量，用于测量红黏土状况的变化，确定红黏土的深度以及分布情况。

3）基于地层平整后的状态变化、地层分布、荷载分布以及结构形态，给出不同区域地基变形与承载力的计算参数。

4）在调查基坑的边坡时，有必要确认土层厚度的变化，并根据深度测量红黏土状态的变化。如果属于硬塑性均匀的厚层，即塑性红黏土，则其稳定性良好，可以按一般土层分析边坡的稳定性以及侧向土压力计算。如果土层厚度不均匀，则基岩-土层界面起伏，基岩-土层界面为软塑性以及流塑性土，可进行一般的边坡稳定性分析以及侧向土压力计算。此外，还需要分析土层。计算沿岩石-土壤层滑动的稳定性，计算沿岩石-土壤层发生滑动的土壤层的剩余滑动力，在最不利的情况下做好支撑结构的设计。红黏土的断裂进展特征以及复浸特征对土的抗剪强度有很大的影响。对于具有Ⅱ型断裂以及复浸特征的红黏土，应使用三轴剪切与无约束的抗压强度指标，做好侧向压力与边坡稳定性的分析和计算。计算边坡稳定性分析和土压力计算时，使用直接剪切装置的高速剪切强度指标，必须折减剪切强度的各项指标。

4.2 工程地质勘察

根据工程勘察相应规范的内容规定，红黏土地基勘察重点应放在地基均匀性、裂缝的发育以及状态分布上。具体为：研究土壤的深度、密度、发育、分布、延伸方向等特征以及裂缝的成因；研究红黏土的地表水、地下水的分布情况与动态变化和垂直分区具有的关联性；研究下伏基岩具有的岩溶发育以及岩性等特征并探究红黏土的厚度变化和土壤特征间的关联性；研究不同地形中原生、次生的红黏土厚度、分布、材料成分以及土壤特性的差异与特征。

4.3 勘探工作

在红黏土区域中放置勘探点的深度与间距，具体如下：

1）勘探点的间隔情况。勘探点应沿着建筑物的拐角点和轴线进行设置。在初步勘探过程中，勘探点间距应为30～50 m。在详细调查过程中，对于条形地基以及均匀变形的红黏土地基，勘探点间距应为12～24 m。不均匀变形的红黏土的地基，勘探点间距应为6～12 m。独立的基底需要以一柱一孔的方式布置，而大面积的基底应以一柱多孔的形式布置。

2）勘探点的深度设置。勘探点的深度是从地基的底部开始计算的。均匀变形的红黏土地基可以通过建筑荷载的大小以及地基的形状来确定。独立柱地基勘探点深度为宽度的1.5倍，条形地基勘探点深度为宽度的3倍，桩地基勘探点深度为桩径的3倍，在5 m以内。变形不均匀的红黏土地基取决于所计算的地基变形深度。一旦在指定深度内有岩石，则勘探点需要穿过岩石表面或强烈风化的岩石。

4.4 采样

1）抽样。红黏土地基采样是根据土壤质量单位进行的，参与统计的每个土壤质量单位的度量值必须为6或更大。

2）质量等级为Ⅰ到Ⅱ的原状土壤需要在相应质量等级的土壤提取器中使用。处于软塑性以及液态塑性状态的土壤样品应通过活塞式土壤提取器进行快速静态连续压缩，用重锤以较小的冲击力取样。可以在勘探井中切割土壤样品，并连续取样Ⅲ级潮湿的土壤，以确定土壤的状况。

4.5 现场测试工作

现场测试可以通过静力触探试验和载荷测试来执行。侧面压力测试和跨板剪切测试可用于红黏土的软态与液态塑性状态测试。现场测试点需要根据土壤质量单位进行计算，必须小于3，并在现场分布均匀，且进行统计的每个土壤单位的测量值必须大于或等于6。

4.6 室内测试

室内测试分为常规测试、三轴剪切测试、收缩测试以及复浸水测试。

1）常规测试。常规测试项目包括塑性极限、液性极限、剪切测试、水分含量、质量与压缩模量。基于红黏土的含水量以及流动性指数判断红黏土的情况，计算出地基的沉降量与承载力特征值。

2）三轴剪切测试也称为无约束压缩试验，它用于评估带有裂纹发育类型的红黏土当中裂纹对地基承载力以及强度的影响。

3）收缩测试以及复浸水测试。在自然以及复浸水状态下评估红黏土的收缩性与膨胀性。

5 红黏土地基处理的技术分析

5.1 设计原则

在项目设计阶段，主要控制地基的各种变量，以使红黏土地基整体的承载力满足项目的建设要求，并合理地结合场地的地质条件进行梁板结构处理，提高效率。然而，此类处理方法需要大量的资金投入以及较长的建设时间。经由多次比较和论证，对项目进行了实地调查，以确保项目建设期完全满足项目建设要求。

5.2 红黏土区的地基形式与处理关键点

红黏土具有天然水含量高的特征，同时红黏土是特殊区域性土壤，在国内外，与红黏土有关的文献以及研究类型相对较多。在各类环境中，整个项目的红黏土特性也存在很大的差异性。该地区是喀斯特地貌，具有较高的岩溶发育度，红黏土具有沿裂缝发展的强烈特征，其厚度沿垂直于平面的方向有严重的不均匀分布情况，整个土壤层的厚度变化更加明显。在红黏土地区进行工程施工很可能会导致地基整体的沉降不均匀。

5.3 处理红黏土地基的各项技术

在红黏土地区不同工程的施工中，地基的不良特性容易导致地基整体的压实不足，从而导致某些道路施工路面中的地基开裂严重。建筑物本身的整体安全性能降低，其他不利问题也对工程施工造成了重大的潜在安全隐患。在常规建设项目中，结构需要通过地基以及地下室来承载上方荷载，然而在项目开发实践中，如果建筑物上部荷载很大，且红黏土地基前期处理不到位，会造成建筑物地基表面开裂，并直接影响建筑的稳定性。经过多年的分析与实践，红黏土地基的处理方法可归纳为以下几点。

5.3.1 晾晒法

红黏土地基完全干燥后，能很好地降低混凝土中的含水量，并且可以经由晾晒的形式将红黏土完全压实。这种处理形式需依靠良好的天气完成，然而由于我国南方的降雨相对频繁，所以此种处理方式实施难度较大。在实际的项目开发环节中，总体效果不太明显。

5.3.2 换填垫层法

该方法主要使用各种材料代替原有地基土层，在实施过程中主要使用压实性能高的合成材料（例如碎石、砾石），并更换缓冲层来处理地基，使地基的整体稳定性得到保证。在置换环节中，将替换红黏土层以完成轧制操作。这种处理方法适合地基压实面积小的工程，然而对于一些大面积回填工程，总体经济成本较高，工期长，不能有效地应用于实际的项目开发中。

5.3.3 深层搅拌法

使用钻孔机（主要是深层搅拌机械）将固化剂注入原始土壤层中，然后通过搅拌机将其均匀搅拌，使固化剂以及软土地基完全融合。固化的材料通常为粉煤灰、石灰以及水泥等化学类型的材料。

5.3.4 强夯法

这种方法用于提高软土地基的整体承载力。重锤夯实方法可使较大质量的重锤在指定的高度自由下落，从而快速压实整个软土地基。强夯法适用于某些类型的砂子、砾石以及黏性土壤。一些高饱和度的红黏土在强夯过程中，需要在基坑中填加一定量的石块或砾石，可以保证红黏土地基整体的稳定性。通过夯实实验，该方法在某些低降雨量的地区具有明显的应用效果，可以有效提高建筑物地基的整体稳定性与安全性。

5.4 红黏土地基的处理工作

5.4.1 非均匀地基的处理

在红黏土地区，通常有红黏土和其他具有不同土壤结构特征的中间层，且红黏土层具有很大的厚度变化，会造成地基发生不均匀下沉。这种不均匀的地基应改变其宽度，调整周边断面地基的压力，对地基的埋深进行调整，使地基下可压土的厚度保持均匀。暴露的石芽可采用压缩材料制成的褥垫进行处理。在土壤厚度和条件分布不均的地区，采用低压缩性的材料进行处理。

5.4.2 修正地基的承载力

修正红黏土地基对应的承载力设计值时，需要区分地基特征、地层成因以及结构特点，并考虑湿度条件的动力影响。如果地基埋得较浅，外地基发生倾斜，地表开阔，或水平荷载较大，则应分析裂缝存在以及土体结构对承载力的影响作用。另外，计算红黏土承载力时，需要对工程试验和标准试验明确的承载力进行综合计算，并确保数值准确。

5.4.3 预防裂缝和胀缩的处理措施

红黏土中经常会发生裂缝，土壤会膨胀和收缩，这些将对地基与边坡产生不利影响。由于本工程所在地区的红黏土裂缝较多，在开挖基坑时要及时预防裂缝和胀缩，不要长时间裸露基坑，也不能让基坑长时间浸水。在石芽暴露以及土壤发生干湿循环收缩的地段，由于地表侵蚀，水会渗入并使地面发生变形，所以尽量不要在裂缝密集带或深度裂缝区域进行施工处理。

5.4.4 人工边坡的处理

项目所在区域主要是中低山的丘陵地形，红黏土区遍布人工边坡。在评价人工边坡对应的稳定性，计算土体参数设计值时，需要考虑开挖面因土体收缩以及失水而使土体软化的缺陷。

5.5 处理红黏土地基的注意事项

1）排水系统应在土壤层变平后准备好。如果可能，可以将其固化并覆盖，或者预留一定厚度的土壤层，以防止地基支撑层发生干扰。对于发生均匀变形的地基，地基的面积与形状主要由地基的结构形状、承载力以及顶部荷载决定。

2）如果地基的承载力满足要求，则以柱下的独立地基的条形地基为准。如果承载能力不符合要求，则可增加地基面积或使用筏式地基。在地基不均匀变形的情况下，即使地基的承载力符合条件，但由于岩石和土壤（如石林、石芽、其他岩石）的差异，地基的沉降以及变形情况将无法满足要求，此时可在一定范围内凿除基底下侧的岩体进行调整，以解决不均匀沉降。

3）褥垫层的变形计算参数必须经过单轴压缩试验确定，并且褥垫层的厚度必须利用计算来获得。如果地基的承载力以及变形不符合要求，或者相邻地基下具有不均匀的土壤状况与厚度，则可通过更改地基的宽度以及调整地基的深度来解决。

4）如果水平方向的红黏土较厚且可塑，或者存在较软的塑性土壤，则可在承载力较小且地基具有极大变形的情况下进行换填处理。必须计算出换填的厚度，并且将换填层压缩成多层。

6 红黏土岩土工程的评估措施

6.1 评估地基的承载力

此环节主要根据红黏土的内聚力与内摩擦角进行确定，根据水分含量、孔隙率以及物理指示剂的液塑比查表确定，需要进行静力触探、旁压、静载荷等试验。

6.2 评估地基的胀缩性

红黏土主要在自然状态下收缩，当复浸水时，经过一个周期的膨胀和收缩后，部分膨胀逐渐积累，而部分收缩也逐渐积累。所以，注意以下有关膨胀和收缩的问题：对于高温设备的地基，有必要考虑地基土不均匀收缩和变形的影响。石芽出露地段应分析由于地面水潜蚀、渗透以及侵蚀而引起的地面变形的概率。开挖基坑时，需要使用保湿措施，及时维护边坡，避免失水与缩水。当在明渠上钻孔时，必须考虑膨胀和收缩对土壤干湿循环的作用。

6.3 评估地基的均匀度

由于红黏土形成的不均匀性以及其下岩石表面起伏很大，所以红黏土的水平与垂直分布是不均匀的。在同一水平面上存在处于不同状态的土壤单元，并且所有土壤单元的压缩模量具有很多不同。在相同的荷载下，也很可能发生建筑物沉降和开裂。因此，在开挖红黏土地基时，必须遵循“及时开挖，浅开挖与及时封闭”的基本标准。

6.4 评估地基的地下水与地表水

红黏土表面的裂缝发育相对较深，裂缝的水分含量相同。开挖地基后，原本深埋的高含水量土壤暴露在地面上，由于水分的流失而收缩，当地基被浸泡和软化时，地基变得不稳定。地表水渗透土壤并长时间作用于土壤，会促进红黏土中的裂缝软化。在浸润范围中，硬塑土的湿度将显著增加，并显著降低承载力，增加地基的可压缩性。

7 结语

在低层建筑中，通常不使用红黏土地基，因红黏土地基的土壤层分布以及厚度会发生很大变化，并且红黏土地基的状态不完全相同，地基承载力和沉降变形参数可变，地基支撑层容易受到干扰和破坏，从而影响建筑物的平稳使用。然而，作为工程勘察和地基设计人员，需要合理进行红黏土地基的勘察与处理工作，进而确保地基的功能，提高建筑的稳定性与安全性。