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[摘要] 本文较全面的论述了膨胀土地基的特性，结合工程实例，对膨胀土地基中的某些问题，进行了详细的分析，提出了如何正确利用膨胀土地基的方法。
[关键词] 自由膨胀率胀缩等级膨胀力大气影响深度
膨胀土一般系指其粘粒成分主要由强亲水性矿物组成、具有吸水膨胀和失水收缩、且膨胀性能较大的粘性土。膨胀土在我国分布范围很广，遍及达十二省之多，其中我们河北邯郸就有较大范围的分布。我们在工作中就遇到两例：峰峰九龙口电厂和华冶木器厂的工程地质，就属于膨胀土地基。在这两项工程设计中，我查阅了大量资料，做了计算分析，对这两项工程的地基进行了处理，在工作中得到了一些体会，认为在采用膨胀土地基时，首先要清楚以下六个方面的问题。
一、膨胀土的主要特征
膨胀土的物理指标有下列特征：其液限WL大于40%，液性指数IL常小于零，天然含水量接近或略小于塑限，塑性指数IP大于17，且多数在22-35之间，自由膨胀率一般超过40%，土的压缩性小。膨胀土按其粘粒的矿物成分划分，可归纳为两大类：一类是以蒙脱石为主，是一种呈灰白、灰绿等杂色的粘土，其膨胀性最大；另一类是以伊利石为主，是一种呈灰褐色、褐黄、红、黄色的粘土。膨胀土在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，土中裂隙较发育，有竖向、斜交和水平三种，裂隙面呈油脂或蜡状光泽，时有擦痕和水渍，裂隙中常充填灰绿、灰白色粘土。开挖基坑时，坑壁易于剥落，逢雨容易塌方，但有很好的防渗性能。
膨胀土一般强度较高，压缩性低，容易被误认为较好的建筑地基，但由于它具有吸水膨胀、失水收缩的特性，当利用他做为建筑地基时，如果对它具有吸水膨胀、失水收缩的特性，当利用它作为建筑地基时，如果对它的特性缺乏认识，或在设计和施工中没有采取必要的措施，其结果，就会给建筑物造成危害。
二、影响膨胀土胀缩变形的主要因素
影响膨胀土胀缩变形的主要内在因素有四个方面：1矿物成分：该土若主要有蒙脱石矿物成分组成，它就具有很强的亲水性和既易吸水，又易失水的强烈活动性，胀缩性最大。该土若主要由伊利石矿物成分组成，其活动性也较强，胀缩性也大，但略低于前者。2粘粒含量：土中粘粒含量越多，该土的胀缩性就越强。因为粘土颗粒细小，比面积大，对水分子吸附能力强。3土的密度和含水量：将膨胀土在同样的天然含水量条件下进行浸水，它的孔隙比越小，其收缩越小，膨胀越大；孔隙比越大，土的收缩越大，膨胀越小。此外，土中原有的含水量与土体膨胀所需的含水量相差越大时，则遇水后，土的膨胀越大，而失水后土的收缩则越小。4土的结构强度：结构强度越大，土体限制其胀缩变形能力也越大，当土体结构受到破坏之后，土的胀缩性随之增强。
影响膨胀土胀缩变形的主要外部因素有五个方面：1气候条件：季节性气候变化会引起地基土中水分的增减，从而引起地基土的胀缩变形，但它的影响程度随深度的增加而递减。2地形地貌：低处的膨胀土地基比高处的同类胀缩变形要小得多；在边坡地带，坡脚地段比较肩地段的同类地基的胀缩变形又要小得多；坡地场地上的地基要比平坦场地上的同类地基的胀缩变形要大。3树种的影响:树根的吸水作用，会使土中的水分减少引起地基土的干缩变形；4日照的影响：对具体的建筑物来说，向阳面和背阳面地基受日照的时间和和强度不同，地基土中的水分蒸发也就不同，从而引起地基土的脹缩也不同。5压力大小：当膨胀土在承受竖向压力的情况下，吸水发生膨胀时，若所受的压力越小，土的膨胀越大；所受的压力越大，土的膨胀越小；当所受压力大于该土的膨胀力时，该土就没有膨胀变化了。
三、膨胀土场地及地基的评价
在我们开始做地基设计之前，要具备建筑场地的工程地质报告，报告中将对建筑场地及地基作出评价。进行膨胀土场地的评价，是在查明建筑场地内膨胀土的分布及地形地貌条件，并根据工程地质特征及土的自由膨胀率等指标来综合评价，确定该场地是否属于膨胀土场地；是属于平坦场地，还是属于坡地场地。而膨胀土地基评价，则是根据地基的膨胀、收缩变形对低层砖混房屋的影响程度进行的。它根据地基分级变形量的大小，分为三个胀缩等级，即当地基分级变形量SC（单位为mm）分别为：15≤SC＜35、35≤SC＜70、SC≥70mm时，所对应的胀缩等级分别为I级、Ⅱ级、Ⅲ级。
在此需要注意两点：一点是前面所提到的场地是指设计场地，并非原始场地。第二点是所采用的地基分级变形量是在地基所受压力为50KPa的作用下产生的。也就是说，当地基所受压力小于或大于50KPa时，该地基的分级变形量就不同了，由此所相应的地基胀缩等级也不同了。弄清这一点很重要，它能提示我们在工程设计中，应根据地基的实际受力情况，计算其变形量，确定胀缩等级，从而采取相应的措施。例如我们在对峰峰九龙口电厂主厂房地基设计时，就曾遇到此问题。
在工程地质报告中，对该地基的评价为Ⅲ级胀缩等级，并提出可换土或桩基的措施。它在计算中采用的压力为50KPa,基础埋深3米。计算土层厚度为基底下2米，得出的分级变形量为SC=75mm，实属Ⅲ级胀缩等级。报告中写到，该区的膨胀土在天然状态下的膨胀力一般在50～150KPa之间，仅有少数超过150KPa。实际上，我们计算出主厂房柱基下压力都超过200KPa，已大于该区膨胀土的膨胀力。在这种情况下，地基即便浸水，它也不存在膨胀变形，只存在收缩变形。我们采用基底压力为200KPa时，所计算出的地基分级变形量仅为12mm，低于I级胀缩等级的最低标准值，并且低于规范中规定的框架结构有填充墙时的容许变形量20mm。所以，此时可按一般地基设计，不必采取换土或桩基等措施。
四、地基的设计与计算
膨胀土地基的设计与计算，应根据建筑场地的地形地貌和建筑结构形式区别对待：①位于平坦场地上的建筑物地基按变形控制设计。②位于坡地场地上的建筑物地基，除按变形控制设计外，还应验算地基的稳定性。③当建筑物是木结构、钢结构或钢筋砼排架结构时，可按一般地基进行设计。④建造在常年地下水位较高的低洼场地上的建筑物，也可按一般地基进行计算。
膨胀土地基的变形，包含两种，一种是膨胀变形，一种是收缩变形。在设计中，这两种变形是否都要考虑，这取决于建筑物周围的环境条件：①当离地表1米处地基土的天然含水量等于或接近最小值或者地面有覆盖无蒸发可能时，以及在建筑物使用期间经常有水浸湿地基，可只计算膨胀变形量。②当离地表1米处地基土的天然含水量大于1.2倍塑限含水量时，或直接受高温作用的地基，可只计算收缩变形量。③除遇上述情况外在其他情况下，要计算膨胀、收缩这两种变形量。
在计算地基土的分级变形量时，其方法与计算一般地基变形量相比，有两点相同，又有两点差别。两相同点是都采用分层综合法，且都从基础底开始往下计算；两点差别一是前者采用的压力是基底处自重压力和附加压力之和，而后者仅为基底附加压力；二是计算深度不同，前者只计算至大气影响深度，后者则计算至基底附加压力扩散后所产生的压缩量的大小来决定。
大气影响深度是自然气候作用下，由降水、蒸发、地温因素引起土升降变形的有效深度。在各气候区，其大气影响深度是不同的，它的取值可根据对各区土的深层变形，含水量、地温的观测资料确定。也可根据各区土的温度确定系数确定，约为3～5米。大气影响特别显著的深度被称为大气影响急剧深度，一般取大气影响深度的45%。
五、基础埋置深度
建在膨胀土地基上的建筑物，在确定其基础埋深时所要考虑的因素，除了具有一般地基所考虑的因素外，还要考虑该建筑场地的类型、胀缩等级、大气影响深度及大气影响急剧层深度，建筑物的结构类型和作用在地基上的荷载大小等因素。其中大气影响深度是一个较为重要的因素。由于大气对地基土中水分的影响随深度的增加而递减，所以要避开受大气影响胀缩变形活动剧烈的土层，以减少建筑物的不均匀变形程度，我们来确定一个最小埋深是很必要的。规范里规定膨胀土地基上的建筑物，基础埋深不应小于1米。当在平坦场地上建低层砖混房屋时，如果以基础埋深做为主要防治措施时，其基础埋深应取大气影响急剧层深度。
一般说来，增加基础埋深，可减少基底下引起胀缩变形的土层计算厚度，从而减小基底下地基土的变形量，降低地基的胀缩等级。例如，我们在对峰峰九龙口电厂主厂房地基设计时，曾做了计算比较：取大气影响深度为5米，地基所受压力为50KPa，当基础埋深分别取为2米、3米、4米时，基底下大气影响土层的计算厚度就分别为3米、2米、1米，由此计算出的地基土胀缩变形量分别为87毫米、58毫米29毫米；据此查得的地基胀缩等级分别为Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级。从这里可以看到，基础不同的埋深，它所对应的地基胀缩等级也不同，也就是说当建筑物的基础采用不同的埋深时，地基的胀缩变形对它的危害程度也不同。因此，我们对地基土的胀缩等级，可以这样理解，它的确定值是相对的，是可变的，是基于某些条件下的。
六、室内地坪地基的处理
室内地坪地基，一般不受室外大氣影响，但在外墙内侧的地坪地基，也会受到室外地基水分得失的影响，从而引起胀缩。在使用过程中，由于室内管道漏水或地坪受高温，也会影响到地坪地基的胀缩。所以，对室内地坪及其地基，根据具体情况采取一些措施是有必要的。
一般情况下，当基坑、基槽采取局部开挖，室内地坪下地基仍为膨胀土时，室内地坪设计时应根据地基土的胀缩等级和室内使用要求，采用相应的设计措施，如：1地坪下设变形缓冲层及非膨胀土填充层；2采用地面配筋；3采用架空地面等措施。当基坑采用大开挖时，在基础施工完毕后，根据地坪上的使用要求，采用非膨胀土、弱膨胀土、弱膨胀土或掺有石灰的膨胀土做为回填土分层夯实。这样在做室内地坪及室外散水时，就可按一般地基进行设计。
在对峰峰九龙口电厂主厂房设计时，我们就采用了后者。将基础埋深取为3米，基坑大开挖。考虑到厂房内地坪上设备基础和各种管沟较多，要求地坪不许变形。所以我们将需回填的部分，均采用非膨胀土进行回填，并分层夯实，厂房内地坪及室外散水均按一般地基进行设计，既满足了使用要求，又方便了施工。
七、结束语
膨胀土地基是一种复杂的地基，对其影响的因素很多，在工程设计中所涉及的问题也是种类繁多，前面所述仅属于少数几个。但究起实质，各种因素与问题都是围绕着土的结构、土中水分的得失、土所受力的大小、土的胀缩变形量、土体的稳定性等展开的。为了防止膨胀土地基对建筑物的危害，在设计、施工和维护管理等方面有许多防护措施。在工程设计中，究竟采取何种措施为最佳，这就需要设计人切实掌握膨胀土地基的特性，从实际出发，因地制宜，按照“安全可靠、经济合理、方便施工”的原则，制定出最佳方案，以确保建筑物的安全和正常使用。
作者简介：
王宏(1964-)，女，陕西旬阳人，高级工程师，主要从事土木工程的设计与建筑安装施工。
[关键词] 自由膨胀率胀缩等级膨胀力大气影响深度
膨胀土一般系指其粘粒成分主要由强亲水性矿物组成、具有吸水膨胀和失水收缩、且膨胀性能较大的粘性土。膨胀土在我国分布范围很广，遍及达十二省之多，其中我们河北邯郸就有较大范围的分布。我们在工作中就遇到两例：峰峰九龙口电厂和华冶木器厂的工程地质，就属于膨胀土地基。在这两项工程设计中，我查阅了大量资料，做了计算分析，对这两项工程的地基进行了处理，在工作中得到了一些体会，认为在采用膨胀土地基时，首先要清楚以下六个方面的问题。
一、膨胀土的主要特征
膨胀土的物理指标有下列特征：其液限WL大于40%，液性指数IL常小于零，天然含水量接近或略小于塑限，塑性指数IP大于17，且多数在22-35之间，自由膨胀率一般超过40%，土的压缩性小。膨胀土按其粘粒的矿物成分划分，可归纳为两大类：一类是以蒙脱石为主，是一种呈灰白、灰绿等杂色的粘土，其膨胀性最大；另一类是以伊利石为主，是一种呈灰褐色、褐黄、红、黄色的粘土。膨胀土在自然条件下，多呈硬塑或坚硬状态，土中裂隙较发育，有竖向、斜交和水平三种，裂隙面呈油脂或蜡状光泽，时有擦痕和水渍，裂隙中常充填灰绿、灰白色粘土。开挖基坑时，坑壁易于剥落，逢雨容易塌方，但有很好的防渗性能。
膨胀土一般强度较高，压缩性低，容易被误认为较好的建筑地基，但由于它具有吸水膨胀、失水收缩的特性，当利用他做为建筑地基时，如果对它具有吸水膨胀、失水收缩的特性，当利用它作为建筑地基时，如果对它的特性缺乏认识，或在设计和施工中没有采取必要的措施，其结果，就会给建筑物造成危害。
二、影响膨胀土胀缩变形的主要因素
影响膨胀土胀缩变形的主要内在因素有四个方面：1矿物成分：该土若主要有蒙脱石矿物成分组成，它就具有很强的亲水性和既易吸水，又易失水的强烈活动性，胀缩性最大。该土若主要由伊利石矿物成分组成，其活动性也较强，胀缩性也大，但略低于前者。2粘粒含量：土中粘粒含量越多，该土的胀缩性就越强。因为粘土颗粒细小，比面积大，对水分子吸附能力强。3土的密度和含水量：将膨胀土在同样的天然含水量条件下进行浸水，它的孔隙比越小，其收缩越小，膨胀越大；孔隙比越大，土的收缩越大，膨胀越小。此外，土中原有的含水量与土体膨胀所需的含水量相差越大时，则遇水后，土的膨胀越大，而失水后土的收缩则越小。4土的结构强度：结构强度越大，土体限制其胀缩变形能力也越大，当土体结构受到破坏之后，土的胀缩性随之增强。
影响膨胀土胀缩变形的主要外部因素有五个方面：1气候条件：季节性气候变化会引起地基土中水分的增减，从而引起地基土的胀缩变形，但它的影响程度随深度的增加而递减。2地形地貌：低处的膨胀土地基比高处的同类胀缩变形要小得多；在边坡地带，坡脚地段比较肩地段的同类地基的胀缩变形又要小得多；坡地场地上的地基要比平坦场地上的同类地基的胀缩变形要大。3树种的影响:树根的吸水作用，会使土中的水分减少引起地基土的干缩变形；4日照的影响：对具体的建筑物来说，向阳面和背阳面地基受日照的时间和和强度不同，地基土中的水分蒸发也就不同，从而引起地基土的脹缩也不同。5压力大小：当膨胀土在承受竖向压力的情况下，吸水发生膨胀时，若所受的压力越小，土的膨胀越大；所受的压力越大，土的膨胀越小；当所受压力大于该土的膨胀力时，该土就没有膨胀变化了。
三、膨胀土场地及地基的评价
在我们开始做地基设计之前，要具备建筑场地的工程地质报告，报告中将对建筑场地及地基作出评价。进行膨胀土场地的评价，是在查明建筑场地内膨胀土的分布及地形地貌条件，并根据工程地质特征及土的自由膨胀率等指标来综合评价，确定该场地是否属于膨胀土场地；是属于平坦场地，还是属于坡地场地。而膨胀土地基评价，则是根据地基的膨胀、收缩变形对低层砖混房屋的影响程度进行的。它根据地基分级变形量的大小，分为三个胀缩等级，即当地基分级变形量SC（单位为mm）分别为：15≤SC＜35、35≤SC＜70、SC≥70mm时，所对应的胀缩等级分别为I级、Ⅱ级、Ⅲ级。
在此需要注意两点：一点是前面所提到的场地是指设计场地，并非原始场地。第二点是所采用的地基分级变形量是在地基所受压力为50KPa的作用下产生的。也就是说，当地基所受压力小于或大于50KPa时，该地基的分级变形量就不同了，由此所相应的地基胀缩等级也不同了。弄清这一点很重要，它能提示我们在工程设计中，应根据地基的实际受力情况，计算其变形量，确定胀缩等级，从而采取相应的措施。例如我们在对峰峰九龙口电厂主厂房地基设计时，就曾遇到此问题。
在工程地质报告中，对该地基的评价为Ⅲ级胀缩等级，并提出可换土或桩基的措施。它在计算中采用的压力为50KPa,基础埋深3米。计算土层厚度为基底下2米，得出的分级变形量为SC=75mm，实属Ⅲ级胀缩等级。报告中写到，该区的膨胀土在天然状态下的膨胀力一般在50～150KPa之间，仅有少数超过150KPa。实际上，我们计算出主厂房柱基下压力都超过200KPa，已大于该区膨胀土的膨胀力。在这种情况下，地基即便浸水，它也不存在膨胀变形，只存在收缩变形。我们采用基底压力为200KPa时，所计算出的地基分级变形量仅为12mm，低于I级胀缩等级的最低标准值，并且低于规范中规定的框架结构有填充墙时的容许变形量20mm。所以，此时可按一般地基设计，不必采取换土或桩基等措施。
四、地基的设计与计算
膨胀土地基的设计与计算，应根据建筑场地的地形地貌和建筑结构形式区别对待：①位于平坦场地上的建筑物地基按变形控制设计。②位于坡地场地上的建筑物地基，除按变形控制设计外，还应验算地基的稳定性。③当建筑物是木结构、钢结构或钢筋砼排架结构时，可按一般地基进行设计。④建造在常年地下水位较高的低洼场地上的建筑物，也可按一般地基进行计算。
膨胀土地基的变形，包含两种，一种是膨胀变形，一种是收缩变形。在设计中，这两种变形是否都要考虑，这取决于建筑物周围的环境条件：①当离地表1米处地基土的天然含水量等于或接近最小值或者地面有覆盖无蒸发可能时，以及在建筑物使用期间经常有水浸湿地基，可只计算膨胀变形量。②当离地表1米处地基土的天然含水量大于1.2倍塑限含水量时，或直接受高温作用的地基，可只计算收缩变形量。③除遇上述情况外在其他情况下，要计算膨胀、收缩这两种变形量。
在计算地基土的分级变形量时，其方法与计算一般地基变形量相比，有两点相同，又有两点差别。两相同点是都采用分层综合法，且都从基础底开始往下计算；两点差别一是前者采用的压力是基底处自重压力和附加压力之和，而后者仅为基底附加压力；二是计算深度不同，前者只计算至大气影响深度，后者则计算至基底附加压力扩散后所产生的压缩量的大小来决定。
大气影响深度是自然气候作用下，由降水、蒸发、地温因素引起土升降变形的有效深度。在各气候区，其大气影响深度是不同的，它的取值可根据对各区土的深层变形，含水量、地温的观测资料确定。也可根据各区土的温度确定系数确定，约为3～5米。大气影响特别显著的深度被称为大气影响急剧深度，一般取大气影响深度的45%。
五、基础埋置深度
建在膨胀土地基上的建筑物，在确定其基础埋深时所要考虑的因素，除了具有一般地基所考虑的因素外，还要考虑该建筑场地的类型、胀缩等级、大气影响深度及大气影响急剧层深度，建筑物的结构类型和作用在地基上的荷载大小等因素。其中大气影响深度是一个较为重要的因素。由于大气对地基土中水分的影响随深度的增加而递减，所以要避开受大气影响胀缩变形活动剧烈的土层，以减少建筑物的不均匀变形程度，我们来确定一个最小埋深是很必要的。规范里规定膨胀土地基上的建筑物，基础埋深不应小于1米。当在平坦场地上建低层砖混房屋时，如果以基础埋深做为主要防治措施时，其基础埋深应取大气影响急剧层深度。
一般说来，增加基础埋深，可减少基底下引起胀缩变形的土层计算厚度，从而减小基底下地基土的变形量，降低地基的胀缩等级。例如，我们在对峰峰九龙口电厂主厂房地基设计时，曾做了计算比较：取大气影响深度为5米，地基所受压力为50KPa，当基础埋深分别取为2米、3米、4米时，基底下大气影响土层的计算厚度就分别为3米、2米、1米，由此计算出的地基土胀缩变形量分别为87毫米、58毫米29毫米；据此查得的地基胀缩等级分别为Ⅲ级、Ⅱ级、Ⅰ级。从这里可以看到，基础不同的埋深，它所对应的地基胀缩等级也不同，也就是说当建筑物的基础采用不同的埋深时，地基的胀缩变形对它的危害程度也不同。因此，我们对地基土的胀缩等级，可以这样理解，它的确定值是相对的，是可变的，是基于某些条件下的。
六、室内地坪地基的处理
室内地坪地基，一般不受室外大氣影响，但在外墙内侧的地坪地基，也会受到室外地基水分得失的影响，从而引起胀缩。在使用过程中，由于室内管道漏水或地坪受高温，也会影响到地坪地基的胀缩。所以，对室内地坪及其地基，根据具体情况采取一些措施是有必要的。
一般情况下，当基坑、基槽采取局部开挖，室内地坪下地基仍为膨胀土时，室内地坪设计时应根据地基土的胀缩等级和室内使用要求，采用相应的设计措施，如：1地坪下设变形缓冲层及非膨胀土填充层；2采用地面配筋；3采用架空地面等措施。当基坑采用大开挖时，在基础施工完毕后，根据地坪上的使用要求，采用非膨胀土、弱膨胀土、弱膨胀土或掺有石灰的膨胀土做为回填土分层夯实。这样在做室内地坪及室外散水时，就可按一般地基进行设计。
在对峰峰九龙口电厂主厂房设计时，我们就采用了后者。将基础埋深取为3米，基坑大开挖。考虑到厂房内地坪上设备基础和各种管沟较多，要求地坪不许变形。所以我们将需回填的部分，均采用非膨胀土进行回填，并分层夯实，厂房内地坪及室外散水均按一般地基进行设计，既满足了使用要求，又方便了施工。
七、结束语
膨胀土地基是一种复杂的地基，对其影响的因素很多，在工程设计中所涉及的问题也是种类繁多，前面所述仅属于少数几个。但究起实质，各种因素与问题都是围绕着土的结构、土中水分的得失、土所受力的大小、土的胀缩变形量、土体的稳定性等展开的。为了防止膨胀土地基对建筑物的危害，在设计、施工和维护管理等方面有许多防护措施。在工程设计中，究竟采取何种措施为最佳，这就需要设计人切实掌握膨胀土地基的特性，从实际出发，因地制宜，按照“安全可靠、经济合理、方便施工”的原则，制定出最佳方案，以确保建筑物的安全和正常使用。
作者简介：
王宏(1964-)，女，陕西旬阳人，高级工程师，主要从事土木工程的设计与建筑安装施工。