膨胀土的工程性质及其处理方法

贺中润，王子威

（黑龙江省水利水电勘测设计研究院，哈尔滨 150080）

在工程实践中，经常会遇到一种具特殊变形性质的黏性土，它的体积随含水率的增加而膨胀，随含水率的减少而收缩，这种具有明显的膨胀性和收缩性的土，称为膨胀土。在膨胀土地区进行工程建设，必须根据膨胀土工程地质特征对其进行必要的处理。

1 膨胀土的工程地质特征

1.1 膨胀土的场地特征

具有下列工程地质特征的场地，且自由膨胀率≥40%的土，应判定为膨胀土：

1）近地表部位常有不规则的网状裂隙发育，裂隙面光滑，时有挤压镜面和擦痕出现，裂缝中常充填灰白、灰绿色黏土，结构致密细腻，在自然条件下呈坚硬或硬塑状态。

2）多出露于二级或二级以上的河谷阶地、山前和盆地边缘丘陵地带，地形坡度平缓，一般＜12°，无明显的自然陡坎。

3）常见浅层塑性滑坡，旱季地表出现地裂，新开挖的路基、边坡、基槽易发生坍塌。

1.2 成分和结构特征

膨胀土所以具有胀缩特性，主要是因土中含有较多的亲水性黏粒，这些亲水性黏土矿物主要由晶格流动性极强的蒙脱石（2Al2[Si4O10]（OH）2·nH2O）或伊里石（水云母）（KAl2[AlSi3O10]（OH）2·nH2O）等黏土矿物组成，易溶盐、中溶盐、有机质含量一般均较低，常见碳酸钙或铁锰质结核。

从外表上看，膨胀土一般呈红、黄、褐、灰白等不同颜色，具斑状结构，土体常具有网状开裂，有蜡状光泽的挤压面，类似劈理。土层表层常出现各种纵横交错的裂隙和龟裂现象，这与失水土体强烈收缩有关。这些裂隙破坏了土体的完整性和强度，常形成软弱的结构面，使土体丧失稳定性。

2 影响胀缩变形的主要因素

影响膨胀土胀缩变形的因素，可以归纳为内部和外部两种，其中，内因是根据，外因是条件，外因通过内因起作用。其主要因素有5种：

2.1 土的黏粒含量

膨胀土的黏粒含量高，多达 35% ～85%，其中粒径＜0.002 mm的胶粒含量一般也在30% ～40%。液限一般为40% ～68%，塑性指数多在20～35。因此，一般膨胀土均属于高塑性黏土。黏土颗粒小，分散性大，比表面积大，则表面能大，故其遇水对水分子的吸附能力高。因此，土中黏粒含量愈多，土的塑性指数愈高，则土体的胀缩性愈大。

2.2 土的含水率

在工程施工中，建造在含水量保持不变的黏土上的构造物不会遭受由膨胀而引起的破坏。当黏土的含水率发生变化，立即产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水率的轻微变化，仅1%～2%的量值，就足以引起有害的膨胀。土中含水率的变化而发生相应的膨胀或收缩变形，特别是在场地膨胀性土层厚度不一，均匀性不一，不同部位处含水率的变化以及建筑物基底压力不等时，就会导致地基土不均匀的隆起或下陷，使得建筑物产生墙体开裂、地面隆起或下陷等破坏。

一般来讲，很干的黏土表示有危险。这类黏土能吸收很多的水，其结果是对结构物发生破坏性膨胀。反之，比较潮湿的黏土，由于大部分膨胀已经完成，进一步膨胀将不会很大。但应注意的是，潮湿的黏土在水位下降或其它的条件变化时，可能变干，显示的收缩性也不可低估。

2.3 土的密度

土的密度大，孔隙比就小，浸水膨胀强烈，而失水收缩小;相反，土的密度小，孔隙比就大，浸水膨胀小，失水收缩大。而孔隙比处于中间值时，土的胀缩变形都较大。

2.4 土的结构强度

土的结构强度能承受膨胀或收缩变形，即结构强度愈大的土，抵制胀缩变形的能力也愈大。

2.5 地形地势条件

在丘陵区和山前区，不同地形和高程地段地基土的原始条件及其受水蒸发条件不同。因此，地基土产生胀缩变形的程度各不相同。高旷地带蒸发条件好，地基土易干缩，建造的单层浅基建筑物裂缝多;而建在低洼处附近有水田水塘的单层房屋裂缝少，是因为低洼地带地基土中水分不易散失，有补给来源，较能保持相对稳定湿度的缘故。

3 膨胀土地基处理方法

膨胀土的这种遇水膨胀、失水收缩开裂且反复变形的特殊工程性质，给工程带了较大的危害，准确地了解膨胀土的特性及变化的条件，就能够知道地基将会产生怎样的变形，从而采取相应的地基处理措施。膨胀土地基常用的处理方法有5个：

3.1 换土

可采用非膨胀性材料或灰土，换土厚度可通过变形计算确定。平坦场地上I、II级膨胀土的地基处理，宜采用砂、碎石垫层，垫层厚度≥300 mm，垫层宽度应大于基底宽度，两侧宜采用与垫层相同的材料回填，并做好防水处理。换土法能够得到比其他处理方法更大的地基承载力，从根本上改变地基土的性质，工期也比较短。

3.2 改良土质

在膨胀土中添加石灰、水泥等非膨胀材料或添加化学剂使膨胀土失去膨胀性的材料。在膨胀土中拌合一定量的石灰或水泥可降低或消除膨胀土的膨胀性;同时，有机和无机的化学剂也已经在膨胀土改良中得到应用，可以降低膨胀土的塑性指数和膨胀潜势。

3.3 采用桩基

膨胀土层较厚时，应采用桩基，桩尖支承在非膨胀土层上，或支承在大气影响层以下的稳定层上。

3.4 预湿膨胀

施工前使土加水变湿而膨胀，并在土中维持高含水率，则土将基本上保持体积不变，因而不会导致结构破坏。

3.5 隔水法

根据膨胀土的特性，土体的含水率的变化是膨胀土产生危害的根本条件，采用综合措施切断基底下外界渗水条件，就可以保证地基的稳定性。

各种处理措施，有时单独采用，有时需综合采用。

4 结语

综上所述，鉴于膨胀土对工程安全的危害性，在设计时应根据膨胀土的工程地质特征，对其进行判别，确定胀缩等级，详细调查场地的工程地质及水文地质条件及建筑物结构类型等。在实际工程中，参照当地经验，结合施工条件，因地制宜采取治理措施，以求将膨胀土的危害性降低到安全的水平。

[1]工程地质手册编写委员会.工程地质手册（第四版）[K].北京：中国建筑工业出版社，2007：496～413.

[2]中华人民共和国城乡建设环境保护部.GBJ112-87膨胀土地区建筑技术规范[S].北京：中国计划出版社，1988.

[3]唐大雄.工程岩土学[M].北京：地质出版社，2005：175-199.