四川攀枝花釩鈦產業園區膨脹土分析

邱杰，周喜

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四川攀枝花釩鈦產業園區膨脹土分析

邱杰1，周喜2

（1.中冶成都勘察研究總院有限公司攀枝花分公司，攀枝花 617026；2.攀鋼礦業公司設計研究院，攀枝花 617063）

四川攀枝花釩鈦產業園區廣泛分布膨脹土，對園區工程建設帶來不利影響。通過對該區膨脹土的成因、分布、特性等進行調查、研究，對膨脹土的危害、整治進行了闡述，并對膨脹土處理不當的案例進行了總結。提出的主要治理措施為膨脹土填方地基、邊坡，摻石灰是膨脹土改性處理的最有效方法。膨脹土地基，可采用增加基礎埋置深度的防治措施，園區內膨脹土區基礎埋置深度應不小于2m。邊坡工程采用緩邊坡、分級低擋墻方案，并注意挖方方式、順序的合理性。膨脹土區建設，無論何時都應高度重視防水、排水措施。

膨脹土；特性；整治；案例

四川攀枝花釩鈦產業園區，是四川省23個重點開發區之一，是四川省循環經濟試點園區和知識產權試點園區，主要產業為“釩鈦、有色金屬、化工、電冶”。園區位于攀枝花市仁和區金江鎮團山—馬店河地區，廣泛分布膨脹土，對園區工程建設帶來不利影響。因此，對該區膨脹土進行調查、研究，對膨脹土處理不當的案例進行總結，對園區工程建設具有重要意義。

1 膨脹土的成因、分布

1.1 園區的地質背景

四川攀枝花釩鈦產業園區，位于攀枝花市仁和區金江鎮團山—馬店河地區，處于市區東南24km的金沙江畔，規劃面積為25km2。本區海拔1 000～1 500m，地形西高東低，為緩坡地形，平均坡度約10°~15 °。氣候屬于我國亞熱帶西段金沙江―龍川江島狀南亞熱帶干熱河谷氣候區，具有典型的南亞熱帶半干旱季風氣候特點。

園區分布著巖漿巖地層和沉積巖地層，巖漿巖主要為晉寧期石英閃長巖，沉積巖包括：第四系下更新統半成巖的昔格達組粘土巖、粉砂巖，三疊系大箐組（T3）泥巖、長石石英砂巖。其中，大箐組泥巖、長石石英砂巖風化后形成的粘土礦物、碎屑物質為園區膨脹土的物質來源。

1.2 膨脹土的成因

園區膨脹土為含碎塊石的粘土、粉質粘土，層位關系位于第四系下更新統半成巖的昔格達組粘土巖、粉砂巖地層之上，由此確定其形成時間晚于第四系下更新統。據鉆孔揭露及地表觀測，含碎塊石的粘土、粉質粘土中含大量泥巖、砂巖碎塊石，含量約20%～45%，粘性土、碎石、塊石混雜無分選性，碎石、塊石基本無磨圓度，呈次棱角～棱角形，一般粒徑20～100cm，最大大于4m，具有典型的冰磧物特征，見照片1。

照片1 攀鋼鈦業公司15kT/a海綿鈦項目場地冰磧物堆積地貌（地表見砂巖巨石）

第四系以來，攀西地區有兩次冰川活動，一冰期冰磧物為粘性土、砂土、漂（卵）石混合物，含強風化巖漿巖碎屑物，半成巖的昔格達組粘土巖、粉砂巖地層為第一間冰期的冰水沉積物或同一時期的河湖相沉積物，由此，園區膨脹土應為第四系中更新統二冰期冰磧物。

1.3 膨脹土的分布

園區規劃面積25km2，膨脹土分布北至金江火車站，南至馬海達，東至金沙江邊，西至老魚塘鄉，分布范圍遍及大半個園區。膨脹土厚度最薄1～2m，最厚大于30m，下覆基巖與所在位置有關，主要有：第四系下更新統半成巖的昔格達組粘土巖、粉砂巖，三疊系大箐組（T3dq）泥巖、長石石英砂巖，晉寧期石英閃長巖。

2 膨脹土的特性

2.1 膨脹土的礦物成分

膨脹土是一種以蒙脫石、伊利石為基本礦物成分的粘性土，由于土中粘粒成分主要由親水性礦物組成，使得膨脹土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的特性。根據對園區膨脹土粒徑小于2μm的粘土礦物成分采用差熱分析、X-射線衍射分析并測定蒙脫石含量，園區膨脹土礦物成分以蒙脫石為主，其次為伊利石、高嶺石，蒙脫石含量12.72%～16.36%，可見園區膨脹土為以蒙脫石為主的膨脹土類型。

照片2 鉆孔巖芯膨脹土中的光滑面

照片3 開挖面膨脹土中的裂隙

2.2 膨脹土的結構、構造

園區膨脹土呈灰白、灰綠、黃褐色，土中多發育光滑面，傾角一般20°～60°，少量傾角小于20°，部分大于60°，土中光滑面發育程度不一，通過鉆探揭露，光滑面發育主要分為兩類：一類光滑面呈雜亂發育狀，其發育密度較大，一般間距1～5cm，但其延伸有限，一般5～10cm，少量見擦痕；另外一類光滑面發育較為規律，在鉆孔巖芯中呈全段面展布狀，其面極光滑，一般傾角40°～60°，局部大于60°，少量見擦痕，一般間距15～50cm。剛取出的巖芯稍用力即可沿光滑面折斷，巖芯失水干燥后，首先自動沿光滑面裂開斷裂，光滑面手捻具有似滑石粉感，見照片2。土體開挖面見裂隙，暴露地表后裂隙微張，裂隙大部分有起伏，少量平直，延伸一般數米～十余米，見照片3。

表1 標準貫入試驗成果統計表

注：由于土層中含碎塊，致使標準貫入試驗數據偏高

膨脹土為含碎塊石的粘土、粉質粘土，碎塊石多以孤石形式存在，少量為透鏡體，膨脹土底部偶見較純的厚度1～3m粘土。

2.3 膨脹土的膨脹潛勢

膨脹土的膨脹潛勢，可按自由膨脹率劃分[1]：40%≤δef＜65%，為弱膨脹土；65%≤δef＜90%，為中等膨脹土；δef≥90%，為強膨脹土。據中冶集團十九冶中心實驗室試驗對58件試樣測定[4]，園區膨脹土δef=27%～64%，平均44.9%，因此，園區膨脹土屬弱膨脹土。

根據蒙脫石含量劃分[2]：7%≤M＜17%，為弱膨脹土；17%≤M＜27%，為中等膨脹土；M≥27%，為強膨脹土。園區膨脹土M=12.72%～16.36%，園區膨脹土也屬弱膨脹土。

2.4 膨脹土的物理力學性質

根據膨脹土的原位測試、室內土工試驗及抗剪強度反算，成果數據統計如下[4-5]：

1）標準貫入試驗、重型動力觸探試驗成果統計見表1、表2；

2）靜載荷試驗成果統計見表3；

3）靜載荷試驗成果統計見表4；

4）室內土工試驗成果統計見表5；

5）鉆孔波速測試成果統計見表6；

6）抗剪強度反算成果

表2 重型動力觸探試驗成果統計表

攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目，由于工期要求特別緊，邊坡施工采用大面積開挖，造成多處滑坡，為準確把握膨脹土的抗剪強度指標，我們對邊坡進行了反算。例如，L滑坡位置邊坡（膨脹土邊坡），坡腳平臺標高1 218m，坡頂平臺標高1 230m，坡高12m，當時按1∶1坡比開挖，即出現滑坡及南側大面積蠕動變形區。由此，坡高12m，邊坡坡比1∶1，假設邊坡處于極限平衡狀態，邊坡穩定性系數為Ks=1，取天然重度γ=21.0kN/m3，采用圓弧滑動法進行反算，計算機自動搜索最危險滑面圓心（0.627，16.360）m，半徑R=16.373m，反算得抗剪強度：C=22kPa,φ=15.3°。

表3 靜載荷試驗成果統計表

表4 現場直接剪切試驗成果統計表

表5 土的物理力學試驗成果統計表

根據以上統計數據及反算成果，結合其它地區膨脹土的經驗，園區膨脹土的物理力學指標建議見表7。

表6 鉆孔波速測試成果統計表

表7 膨脹土的物理力學指標建議值

2.5 膨脹土的工程特性

園區膨脹土一般呈硬塑狀，強度較高，中低壓縮性，易被認為是建筑性能很好的地基土，如果對其特征缺乏認識，往往會給建（構）筑物、邊坡造成危害。膨脹土是一種特殊性土，具以下三大工程特性：

1）脹縮性，膨脹土的粘土礦物成分以親水性礦物蒙脫石、伊利石為主，決定了膨脹土是一種吸水膨

脹、失水收縮開裂的特殊粘性土。膨脹土遇水膨脹，在極端情況下，如果完全受約束而不產生膨脹，則產生膨脹力；如果完全不受約束，則膨脹力為零，而發生最大膨脹。一般情況下，大氣影響深度范圍內的膨脹土，既會發生一定的膨脹變形，又會產生一定的膨脹力。膨脹土失水收縮，在同樣條件下，土體初始含水量越高，收縮變形就越大。膨脹土的膨脹、收縮是可逆的，這是膨脹土地基上建（構）筑物變形長期不能穩定的主要原因。

2）易滑性，膨脹土中存在大量方向不一的光滑面、裂隙，使土體的完整性受到破壞，其中最危險的為順坡向傾角20°～30°的光滑面。開挖出現臨空面，或邊坡受外界加載、水的影響，當邊坡土體剪應力強度超過了土體及光滑面的抗剪強度，將導致光滑面彼此貫通而形成滑坡。由于膨脹土淺層受氣候變化、風化程度、裂隙發育程度等因素影響，其抗剪強度明顯低于深部，膨脹土淺層尤其更易發生滑坡。

3）遇水強度迅速衰減，膨脹土含大量親水性礦物，土的含水量較低情況下，土體呈硬塑狀，強度較高，但當含水量增加，其強度迅速衰減。例如，與冰川有關的膨脹土，當含水量為18%，膨脹土承載力為400kPa，含水量為24%，膨脹土承載力為170kPa[3]。強度迅速衰減還體現在抗剪強度上，即粘聚力C、內摩擦角φ的降低，這也是膨脹土邊坡穩定性受水的影響很大的內在原因。

3 膨脹土的危害

膨脹土具有較大的吸水膨脹、失水收縮的變形特征。建造在膨脹土地基上的建（構）筑物，隨季節性氣候的變化會反復不斷地產生不均勻的升降，而使建（構）筑物破壞。膨脹土地區建（構）筑物開裂破壞具有地區性成群出現的特點，遇干旱年份裂縫發展更為嚴重。發生變形破壞的建（構）筑物，多為一、二層的磚混結構的房屋或輕型構筑物，因為這類建（構）筑物的重量輕，整體穩定性差，基礎埋置較淺，地基土易受外界因素的影響而產生脹縮變形，故極易裂損。園區建區前早期低矮建（構）筑物，如攀枝花市大西南實業有限公司（原渡口鋼鐵廠）的一、二層的磚混結構的房屋，裂損較嚴重。

膨脹土若用作支擋構筑物后側填料，膨脹土吸水膨脹后，將形成作用于支擋構筑物上的水平推力，這將增加支擋構筑的不穩定性，如果設計時認識不足，可能導致支擋構筑傾斜、開裂，甚至倒塌。

膨脹土邊坡穩定性很差，淺層尤其更易發生滑坡。園區地形西高東低，為緩坡地形，原始地形地表沖溝發育，水塘密布，低洼處常見泉眼出露，地下水一般埋深較淺。特殊的地形、水文地質條件，更為滑坡提供了外在條件，致使園區滑坡頻發，據統計，園區內大大小小滑坡數十處，擋墻開裂損壞十分常見，例如：攀枝花市大西南實業有限公司（原渡口鋼鐵廠）與園區二號路之間，滑坡就有4處。

4 膨脹土的整治措施

對于采用膨脹土作為填料的填方地基、邊坡，摻石灰是膨脹土改性處理的最有效方法。一般情況下，石灰劑量宜控制在4%～10%范圍內。摻石灰的最佳配比，以處理后應達到弱膨脹土的低限指標之下，可作為非膨脹土對待。但對于大型工程，必須考慮投入費用，在處理費用與處理成果之間作權衡，例如攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目，預計摻石灰處理膨脹土的費用超過1億元人民幣，考慮到場地膨脹土僅為弱膨脹土，因而放棄摻石灰處理而采用其它措施：如場坪回填采用與非膨脹土混合后再回填，或將膨脹土深埋于大氣影響深度之下。

對于膨脹土地基、邊坡，可采用以下整治措施：

針對脹縮性的措施：園區大氣影響深度為4米，大氣急劇影響深度為大氣影響深度的0.45倍，即１.8米基礎，基礎埋置深度應大于大氣急劇影響深度，建議最小埋置深度采用2m；必要時可采用級配砂石墊層，墊層厚度不應小于300mm。支擋構筑物背后，應設砂石濾水層，一是緩沖膨脹土脹縮對支擋構筑物的影響，二是起到排水作用，以降低支擋構筑物背后地下水位。

針對易滑性的措施：采用緩邊坡、分級低擋墻方案，挖方時應放坡分段跳槽開挖，從上往下、從后往前進行，并即時支護，同時做好邊坡施工安全監測。

針對遇水強度迅速衰減的措施：對建筑物的周圍應作好地下水道管網、地表排水溝的防漏措施，對場坪采取良好的排水防滲措施，對擋墻基礎進行封閉。

5 園區膨脹土處理不當案例點評

1）案例1：攀枝花市大西南實業有限公司（原渡口鋼鐵廠）低層磚結構的廠房裂損，見照片4。

該廠房為園區建區前早期建筑物，一層，磚混結構，房屋東北角大鐵門嚴重變形，鐵門上方墻體出現兩條裂縫，長約2m，裂縫寬1cm，廠房已成危房。

點評：地基土為膨脹土，基礎埋深太淺，未大于大氣急劇影響深度，受膨脹土脹縮影響，地基土反復不斷地產生不均勻的升降，而使廠房裂損。特別注意：園區地基土為膨脹土的磚混結構建（構）筑物，基礎埋深應大于大氣急劇影響深度，建議最小埋置深度采用2m。

照片4 大西南實業有限公司低層磚混結構的廠房裂損

照片5 攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目西南部滑坡

2）案例2：攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目西南部開挖不當形成滑坡，見照片5。

該滑坡（L滑坡）發生于2008年3月22日，造成已開挖的邊坡毀壞，滑坡前后長約72m，左右寬約109m，滑坡體體積約30 000m3，滑坡處邊坡坡腳平臺標高1 218m，坡頂平臺標高1 230m，坡高12m，當時按1∶1坡比開挖，形成的滑坡。

點評：邊坡土質為膨脹土，由于工期要求特別緊，邊坡施工采用大面積開挖，開挖坡比1∶1太陡，而導致滑坡。特別注意：膨脹土邊坡，應采用緩邊坡，挖方時應放坡分段跳槽開挖，從上往下、從后往前進行，并即時支護。

3）案例3：攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目I擋墻I2+210～240m段垮塌，見照片6。

I擋墻墻高12m，為衡重式漿砌毛石擋墻，2010年4月11日，I擋墻I2+210～240m段垮塌，垮塌范圍30m。

照片6 攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目I擋墻I2+210～240m段垮塌

照片7 攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目m擋墻墻腳開挖出水

點評：地基土為三疊系（T3dq）強風化泥巖，墻后回填為膨脹土，墻后有一條臨時性排水管溝，溝內積水，且溝底、溝壁開裂，向墻后填土內滲水。擋墻抗滑穩定性良好，基腳未發生位移，由于墻后膨脹土遇水膨脹且抗剪強度衰減，墻后土體膨脹力、土壓力超過擋墻的強度，擋墻從墻腳以上3m處斷裂。特別注意：膨脹土不宜作為墻后回填填料，如果因某種原因將膨脹土（弱膨脹土）作為墻后回填填料，墻后應設砂石濾水層，一是緩沖膨脹土脹縮對擋墻的影響，二是起到排水作用，以降低墻后地下水位，該擋墻墻后未設砂石濾水層，僅在泄水孔后設碎石堆囊。

4）案例4：攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目擋墻基槽積水，導致多處擋墻變形過大，見照片7。

攀鋼鈦業公司15kt/a海綿鈦項目擋墻基槽普遍積水，經對P、K、M、I擋墻墻腳開挖，一般在地面下0.5～1.2m出水。

點評：由于砌筑擋墻的毛石間存在大量孔縫（砂漿飽和度不可能達到100%，毛石間大量間隙未被填充），毛石擋墻成為透水擋墻，雨水、施工用水、生活用水，從墻后、墻前順墻體下滲，進入基槽，因基槽積水無法排出，形成積水長期浸泡擋墻基腳，導致多處擋墻變形過大。特別注意：對墻后地面一定范圍進行密封隔水，并將墻頂、墻腳地面應做成散水，墻后必須設置砂卵石濾水層排水，濾水層下及墻前設置隔水層，若為漿砌毛石擋墻，可在墻前地面略偏上高度位置（濾水層下）在漿砌毛石擋墻墻體設置一定厚度的混凝土隔水層。

5）案例5：攀鋼鈦業公司鈦冶煉廠1#擋墻北端滑坡，見照片8。

1#擋墻高12m，為衡重式漿砌毛石擋墻，擋墻北端約60m范圍外傾且發生滑移，墻體最大位移1.0m左右。同時，擋墻內側約50m范圍內受其影響，圍墻拉裂、地面出現拉張裂縫、地面下沉、電線桿傾斜。

點評：地基土為膨脹土，墻后回填也為膨脹土。墻后有一條排水管溝，溝內積水，且溝底、溝壁開裂，向墻后填土內滲水。擋墻墻趾前有一條排水溝向沉降縫內滲水，水已經滲入擋墻基礎底部。水滲入后，土的重度增大，同時膨脹土遇水易軟化，墻后、墻基礎地基抗剪強度降低，整個土體滑動，形成滑坡，造成擋墻變形、破壞。特別注意：膨脹土遇水強度迅速衰減，水的影響是園區滑坡頻發的重要原因，邊坡、支擋工程，必須采取良好的排水防滲措施。

照片8 攀鋼鈦業公司鈦冶煉廠1#擋墻北端滑坡

總之，園區內工程建設過程中對膨脹土因認識不夠而處理不當，導致工程事故的教訓是深刻的，以上案例較為典型，供同仁參考。

6 結論

1）園區膨脹土的形成、分布，有其特定的地質環境，園區膨脹土為第四系中更新統二冰期冰磧物，分布范圍遍及整個園區，三疊系大箐組（T3dq）泥巖、長石石英砂巖風化物后形成的粘土礦物、碎屑物質為園區膨脹土的物質來源。

2）膨脹土的礦物成分、結構構造決定了膨脹土的物理力學性質及工程特性。園區膨脹土為以蒙脫石為主的膨脹土類型，土中光滑面、裂隙發育，為弱膨脹土，但對其脹縮性、易滑性、遇水強度迅速衰減必須高度重視。

3）膨脹土的危害與其工程特性密切相關，園區常見的危害為低矮磚混結構建（構）物的裂損及滑坡頻發。

4）膨脹土填方地基、邊坡，摻石灰是膨脹土改性處理的最有效方法。膨脹土地基，可采用增加基礎埋置深度的防治措施，園區內膨脹土區基礎埋置深度應不小于2m。邊坡工程采用緩邊坡、分級低擋墻方案，并注意挖方方式、順序的合理性。膨脹土區建設，無論何時都應高度重視防水、排水措施。

5）園區內工程建設過程中對膨脹土處理不當而導致工程事故的教訓是深刻的，希望同仁能從本文提供的案例中吸取教訓。

[1] 中華人民共和國城鄉建設環境保護部．膨脹土地區建筑技術規范（GB50112-2013）[S]．北京：中國建筑工業出版社，2010：10．

[2] 中華人民共和國鐵道部．鐵路工程特殊巖土勘察規程（TB 10038-2012）[S]． 2012：31．

[3] 《工程地質手冊》編寫委員會．工程地質手冊（第4板）[M]．北京：中國建筑工業出版社，2007：484．

[4] 中冶成都勘察研究總院有限公司．攀鋼（集團）鈦業有限責任公司15kt/a海綿鈦項目擋墻詳勘階段巖土工程勘察報告[R]. 2007：8-11．

[5] 中國有色金屬工業昆明勘察設計研究院．攀鋼（集團）公司18萬噸/年氯化渣工程施工圖設計階段巖土工程勘察報告[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，地質及工程地質專業，工程師，主要從事巖土工程勘察工作。

[P642.3]

A

1006-0995（2019）01-0117-06

10.3969/j.issn.1006-0995.2019.01.028