膨脹土基坑開挖控制方案

高永強(qiáng)/GAO Yong-qiang

(昆明理工大學(xué) 國土資源工程學(xué)院，云南 昆明 650500)

膨脹土亦稱“脹縮性土”，其主要由蒙脫石以及伊利石等具有很強(qiáng)的親水性的礦物所構(gòu)成，是具有高脹縮性、崩解性、多裂隙性、超固結(jié)性、風(fēng)化特性以及強(qiáng)度衰減性的性質(zhì)極不穩(wěn)定的高塑性黏土。

由于膨脹土在遇水和失水時(shí)會發(fā)生較大的體積變化，所以在膨脹土地區(qū)，其上構(gòu)筑物經(jīng)常會因季節(jié)性降水原因產(chǎn)生不均勻的升降，從而危及構(gòu)筑物的結(jié)構(gòu)安全。同時(shí)，由于土體的膨脹作用，土體內(nèi)部會積聚大量的應(yīng)力，如不采用有效措施對其處理，極易導(dǎo)致滑坡以及基坑坍塌等事故的發(fā)生。

1 膨脹土的破壞特點(diǎn)

1）脹縮性 膨脹土吸水后體積急劇膨脹，使其上的構(gòu)筑物向上抬起，假如其膨脹過程受到阻礙就會產(chǎn)生應(yīng)力，我們稱之為膨脹力；土體水分流失后其體積又急劇收縮，導(dǎo)致土體開裂，并會使其上部建筑物產(chǎn)生不均因沉降。土中的蒙脫石以及伊利石含量越高，其膨脹力以及膨脹量就會越大，如果土中的初始含水量相對越低，膨脹力與膨脹量也會相應(yīng)增大。

2）崩解性 膨脹土吸水后體積迅速膨脹，由于土粒間的結(jié)構(gòu)聯(lián)結(jié)和強(qiáng)度喪失,使土體崩散解體，膨脹性質(zhì)較強(qiáng)的土體，在吸水后幾分鐘內(nèi)就會發(fā)生比較完全的崩解，而膨脹性較弱的土體也會發(fā)生崩解，只是相對于強(qiáng)膨脹土來說，其崩解過程較為緩慢，崩解程度也相對不太完全。

3）多裂隙性 膨脹土土體之中的裂隙，常常呈條帶狀和不規(guī)則網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)分布，使土體的整體性遭到破壞。干旱季節(jié)，土體中水分的蒸發(fā)導(dǎo)致土體收縮繼而產(chǎn)生出很多裂隙，這些裂隙致使土體失去了原有的抗剪強(qiáng)度，同時(shí)還成為了水的通道和水的儲存器。雨季到來時(shí)雨水就會通過裂隙注入土體內(nèi)部，從而使內(nèi)部一定范圍土體的強(qiáng)度下降，同時(shí)內(nèi)部土體不存在裂隙的部分水的滲入性降低，致使水體保持在裂隙之中，對裂隙兩側(cè)面產(chǎn)生水壓力，從而增加了引起滑動的力。

4）超固結(jié)性 絕大多數(shù)膨脹土都有超固結(jié)性，其先期固結(jié)壓力大于現(xiàn)有自重應(yīng)力，土體天然的孔隙比小，密實(shí)度較大，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。一旦有水進(jìn)入，土體強(qiáng)度將明顯下降，這正是引起土體失穩(wěn)的主要原因。

5）風(fēng)化特性 巖土體開挖后將會很快被風(fēng)化，剝落、坍塌甚至崩塌的現(xiàn)象非常嚴(yán)重。

6）強(qiáng)度衰減性 因?yàn)轱L(fēng)化作用時(shí)間的增加以及脹縮效應(yīng)的存在，土體抗剪強(qiáng)度就會產(chǎn)生很大程度的衰減。

2 膨脹土基坑邊坡破壞原理

由于地表水以及地下水的存在，在地表水較多的季節(jié)地下水的水位也相對較高。而在旱季，由于地表水下滲的減少，地下水位下降，膨脹土吸水膨脹、失水收縮的特點(diǎn)的存在使得膨脹土基坑坑壁的土體會反復(fù)地膨脹和收縮，這就會致使土體內(nèi)部以及外部原生裂隙進(jìn)一步發(fā)展擴(kuò)大，同時(shí)由原生裂隙衍生而來的次生裂隙也會迅速地發(fā)展。原生裂隙具有較強(qiáng)的隱蔽性，裂隙的產(chǎn)生破壞了土體的整體性，大幅度削弱了土體的強(qiáng)度，當(dāng)土體吸水后其有效應(yīng)力會降低，抗剪強(qiáng)度相應(yīng)也會降低。土體吸水后會發(fā)生膨脹軟化，致使孔隙比相應(yīng)增加，也會大大降低土體的抗剪強(qiáng)度。當(dāng)裂隙逐漸向土體內(nèi)部延伸的時(shí)候，就會在土體內(nèi)部形成一個(gè)潛在滑動面。在重力、地表水以及地下水等荷載的作用下就會導(dǎo)致坑壁失穩(wěn)，最終導(dǎo)致巖土體的崩解以及滑坡的形成。由于膨脹土的超固結(jié)性存在，使得基坑坑壁的水平應(yīng)力要遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自重應(yīng)力，并且水平應(yīng)力會隨著自重應(yīng)力的增加而逐漸增大，在基坑坑壁底部處達(dá)到最大，從而產(chǎn)生剪應(yīng)力的集中，土體承受力也最易達(dá)到極限狀態(tài)而發(fā)生破壞，形成膨脹土坑壁上的“切坡腳”破壞。

3 膨脹土基坑處理以及支護(hù)措施

針對膨脹土的特點(diǎn)以及其所具有的工程特性，在膨脹土地區(qū)工程建設(shè)時(shí)主要注意防止脹縮性、崩解性、多裂隙性、超固結(jié)性、風(fēng)化特性以及強(qiáng)度衰減性引起的基坑邊坡滑坡或者坑壁的坍塌，采取的主要施工措施如下。

3.1 樁錨支護(hù)體系

采用樁錨式結(jié)構(gòu)，能有效提升巖土體的整體性，有效控制脹縮性、崩解性、多裂隙性以及超固結(jié)性等引起的土體變形。

3.2 做好排水措施

膨脹土基坑事故大多都與水有直接的關(guān)系，因此，開挖前要對地下管線等設(shè)施做好詳細(xì)的檢查，設(shè)置好排水溝以及集水井等措施，以保證及時(shí)地將地表流水排出。距離坡頂一倍基坑深度范圍內(nèi)的地表要進(jìn)行硬化處理并且在臨近坡頂除要設(shè)置擋水墻，同時(shí)地表水的排出也要保持通暢，要保證基坑周圍不能有積水的存在。臨時(shí)性的生活設(shè)施，如水池以及洗料場，餐廳等其設(shè)置位置至開挖基坑邊緣距離應(yīng)不小于15m。同時(shí)應(yīng)做好相應(yīng)的水處理設(shè)施，避免生活污水流進(jìn)基坑。

3.3 分層開挖

基坑開挖時(shí)應(yīng)采用分區(qū)、分時(shí)、分階段的作業(yè)方式進(jìn)行，施工期間要做好防曬以及防御措施，以免基坑受其影響。基坑挖土接近設(shè)計(jì)標(biāo)高以上15～30cm時(shí)，應(yīng)停止開挖，至下一道工序開始之前再繼續(xù)進(jìn)行開挖。對于開挖到設(shè)計(jì)標(biāo)高部分的基坑，應(yīng)及時(shí)用15cm厚的混凝土墊層進(jìn)行封閉處理。

4 結(jié) 語

由于膨脹土的多變性以及特殊性，成因不用的膨脹土，其工程性質(zhì)有著很大的差異；成因相同的膨脹土由于其所處環(huán)境的不同其工程性質(zhì)差異也非常大，所以在制定基坑的開挖與支護(hù)方案時(shí)，除了考慮膨脹土的共同的特性之外，還要考慮到環(huán)境及成因不同而導(dǎo)致的膨脹土的工程性質(zhì)的差異。