紅黏土地基工程的勘察及地基處理

趙 龍 穆鵬華

中冀建勘集團有限公司 河北 石家莊 050227

我國西南地區廣泛分布有紅黏土，伴隨著西南地區的持續發展，許多大型項目的開發中遇到了必須在紅黏土地質條件下進行建（構）筑物施工的情況。紅黏土是一種特殊的基巖，其特征在于較高的液體極限、孔隙度、水分含量以及強度，具有較大的表面承載能力，同時它具有較低的壓縮性，在失水的過程中發生收縮。

在巖溶溝、石芽、巖溶槽，石林、巖溶洞穴以及縫隙等巖溶發育的影響下，紅黏土發生不均勻的分布，較大的厚度變化，伴隨深度變化，可塑性也隨之變化，巖土界面波動性很大。地基條件以及巖溶發育明顯影響地基的不均勻沉降、穩定性以及承載力。在工程勘察過程中，有必要增加勘察力度以檢查諸如巖溶發育、塑性變化、土層分布等數據，進而充分開發紅黏土地基的價值[1-19]。在本文中，將結合某一工程實例，重點分析和研究如何勘探并處理紅黏土地區的地基，為相應項目的地基建設提供技術上的參考。

1 紅黏土地基的特征分析

紅黏土是一種碳酸鹽，是巖石系列的裸露巖石形成的諸如紅棕以及棕褐色的高塑性黏土。主要礦物成分是高嶺石，其中含有一定數量的蒙脫石與石英顆粒。它上部硬而下部軟，在裂縫中發育而成，液體極限超過50%，并且在水分流失情況下會產生明顯收縮。我國的碳酸鹽巖分布廣泛，約占全國總面積的1/7，主要分布在廣西壯族自治區、貴州省以及云南省南部。其中，碳酸鹽巖覆蓋了貴州省約73%的地區，由于濕熱環境，貴州紅黏土廣泛分布。受丘陵、山地等地形的影響，斜坡上的紅黏土覆蓋相對較薄，主要分布在巖溶溝、石芽、巖溶槽，石林、巖溶洞穴以及縫隙等低洼地區，存在嚴重的不均勻厚度，隨深度的增加而變化，并且通常在巖石-土壤交界處存在軟塑性或流體性紅黏土。

最先被發現的是由碳酸鹽巖發育成的紅黏土，分布最為廣泛，也是最典型的類型。紅黏土是區域性的特殊土壤。國內外關于紅黏土特性的研究很多，不同的基質巖石以及環境對紅黏土的工程性質會產生不同影響。通常，紅黏土具有以下特征：自然水分含量較高；黏土顆粒的可塑性以及分散性較高；飽和度高，液體極限指數較低；孔隙率較高，密度較低；相對密度較低；具有典型特性，例如低壓縮性與高強度。在工程地基中，具有很多宏觀性質，即裂隙發育，上部堅硬，下部柔軟，表面容易發生收縮。

2 紅黏土地基的應用現狀

對于高速公路和機場項目，不良的紅黏土性能會降低地基的壓實性，使得路基與人行道板產生裂縫，并引發潛在的安全問題。在典型的住宅建設項目中，使用的是沒有地下室的地基，例如筏板地基，然而如果上部具有較大的額外荷載，則建筑重心很可能會出現不均勻分布，并且筏板與地面會產生裂縫，影響該結構的正常使用。特別是在高填方項目中，經過地基處理的紅黏土具有較高的結構強度，通常在天然地基中使用。頂部較大的附加以及振動荷載，會導致不正確的地基處理與較大的地基損壞。

在典型的高原山區，場地具有較大的坡度，土壤呈現不均勻的厚度。尤其是碳酸鹽巖地區，上層的紅黏土層受到溶洞、溶槽、石芽等的影響，土壤層的不均勻性更加明顯。由于場地具有較大的坡度，所以平整后的紅黏土狀況不是恒定的，深基坑表面的硬塑性土層被開挖后，只能使用軟塑性與塑性土層作為持力層，在淺基坑中，雖可使用堅硬的塑性土層作為持力層，但持力層的一部分還受到巖溶溝、石芽、巖溶槽，石林、巖溶洞穴以及縫隙的影響。結構相同的單元內常會發生較大的不均勻沉降、承載性能以及地基的穩定性的改變，使工程研究和地基設計更加困難。

3 工程概況

本項目在我國南部的特定地區。該區域為溶蝕地形，整體地質是由巖石溶蝕、侵蝕、風化形成的。整個地形位置往往在南部偏低、北部較高，建筑區域內的土壤層由硬塑紅黏土、可塑紅黏土以及軟塑-流塑紅黏土構成，并伴有石芽、溶溝、溶槽以及溶洞等。施工現場以南約有22 800 m2的高填土區，回填區最大深度可達12 m。由于整個項目的建設工期短，在該地區的施工過程中，外部環境會對其產生明顯的影響，所以，挖出的紅黏土將不被視為地基回填的材料。回填土具有相對較軟的結構，回填土的承載力大幅度降低，地表的承載力增加，整個地基的承載力在80～100 kPa之間，項目地基整體的壓縮系數在0.90左右。回填區有未進行地基處理的混凝土，無法完全滿足回填的設計指標以及項目的使用規范要求。

4 紅黏土地基的勘察措施分析

4.1 紅黏土地基項目的勘察原則

根據國家與地方的相應法規，并結合筆者在當地的工作經驗，紅黏土地基工程的勘察工作應從下述幾個方面著手：

1）基于建筑物的結構形式，勘察地基的承載能力大小，巖溶溝、巖溶槽、石芽、石林的巖溶發育程度，土壤厚度的變化。根據地基形式，結合現有的地質資料，分析進行勘察的途徑與方法，確定鉆孔的數量與布局情況。鉆孔的布局以及數量必須符合主應力層中土壤層厚度的變化，并確定土壤溶洞、巖溶洞穴、巖溶槽、巖溶溝槽、石芽以及石林等的分布，并對其下沉變形、穩定性、承載性能進行評估。通過測試大量的土壤樣品，獲得各種條件下紅黏土的物理和機械指標，并通過靜力觸探試驗、載荷測試、物理以及原位測試等現場測試方法，驗證力學參數是否合理。測試不均勻沉降和地基穩定性是否符合標準，并對持力層的承載力進行評估。

2）所有場地需進行3個或更多的鉆孔，并且每隔0.5 m從地面取一次土壤樣品以測試水分含量，用于測量紅黏土狀況的變化，確定紅黏土的深度以及分布情況。

3）基于地層平整后的狀態變化、地層分布、荷載分布以及結構形態，給出不同區域地基變形與承載力的計算參數。

4）在調查基坑的邊坡時，有必要確認土層厚度的變化，并根據深度測量紅黏土狀態的變化。如果屬于硬塑性均勻的厚層，即塑性紅黏土，則其穩定性良好，可以按一般土層分析邊坡的穩定性以及側向土壓力計算。如果土層厚度不均勻，則基巖-土層界面起伏，基巖-土層界面為軟塑性以及流塑性土，可進行一般的邊坡穩定性分析以及側向土壓力計算。此外，還需要分析土層。計算沿巖石-土壤層滑動的穩定性，計算沿巖石-土壤層發生滑動的土壤層的剩余滑動力，在最不利的情況下做好支撐結構的設計。紅黏土的斷裂進展特征以及復浸特征對土的抗剪強度有很大的影響。對于具有Ⅱ型斷裂以及復浸特征的紅黏土，應使用三軸剪切與無約束的抗壓強度指標，做好側向壓力與邊坡穩定性的分析和計算。計算邊坡穩定性分析和土壓力計算時，使用直接剪切裝置的高速剪切強度指標，必須折減剪切強度的各項指標。

4.2 工程地質勘察

根據工程勘察相應規范的內容規定，紅黏土地基勘察重點應放在地基均勻性、裂縫的發育以及狀態分布上。具體為：研究土壤的深度、密度、發育、分布、延伸方向等特征以及裂縫的成因；研究紅黏土的地表水、地下水的分布情況與動態變化和垂直分區具有的關聯性；研究下伏基巖具有的巖溶發育以及巖性等特征并探究紅黏土的厚度變化和土壤特征間的關聯性；研究不同地形中原生、次生的紅黏土厚度、分布、材料成分以及土壤特性的差異與特征。

4.3 勘探工作

在紅黏土區域中放置勘探點的深度與間距，具體如下：

1）勘探點的間隔情況。勘探點應沿著建筑物的拐角點和軸線進行設置。在初步勘探過程中，勘探點間距應為30～50 m。在詳細調查過程中，對于條形地基以及均勻變形的紅黏土地基，勘探點間距應為12～24 m。不均勻變形的紅黏土的地基，勘探點間距應為6～12 m。獨立的基底需要以一柱一孔的方式布置，而大面積的基底應以一柱多孔的形式布置。

2）勘探點的深度設置。勘探點的深度是從地基的底部開始計算的。均勻變形的紅黏土地基可以通過建筑荷載的大小以及地基的形狀來確定。獨立柱地基勘探點深度為寬度的1.5倍，條形地基勘探點深度為寬度的3倍，樁地基勘探點深度為樁徑的3倍，在5 m以內。變形不均勻的紅黏土地基取決于所計算的地基變形深度。一旦在指定深度內有巖石，則勘探點需要穿過巖石表面或強烈風化的巖石。

4.4 采樣

1）抽樣。紅黏土地基采樣是根據土壤質量單位進行的，參與統計的每個土壤質量單位的度量值必須為6或更大。

2）質量等級為Ⅰ到Ⅱ的原狀土壤需要在相應質量等級的土壤提取器中使用。處于軟塑性以及液態塑性狀態的土壤樣品應通過活塞式土壤提取器進行快速靜態連續壓縮，用重錘以較小的沖擊力取樣。可以在勘探井中切割土壤樣品，并連續取樣Ⅲ級潮濕的土壤，以確定土壤的狀況。

4.5 現場測試工作

現場測試可以通過靜力觸探試驗和載荷測試來執行。側面壓力測試和跨板剪切測試可用于紅黏土的軟態與液態塑性狀態測試。現場測試點需要根據土壤質量單位進行計算，必須小于3，并在現場分布均勻，且進行統計的每個土壤單位的測量值必須大于或等于6。

4.6 室內測試

室內測試分為常規測試、三軸剪切測試、收縮測試以及復浸水測試。

1）常規測試。常規測試項目包括塑性極限、液性極限、剪切測試、水分含量、質量與壓縮模量。基于紅黏土的含水量以及流動性指數判斷紅黏土的情況，計算出地基的沉降量與承載力特征值。

2）三軸剪切測試也稱為無約束壓縮試驗，它用于評估帶有裂紋發育類型的紅黏土當中裂紋對地基承載力以及強度的影響。

3）收縮測試以及復浸水測試。在自然以及復浸水狀態下評估紅黏土的收縮性與膨脹性。

5 紅黏土地基處理的技術分析

5.1 設計原則

在項目設計階段，主要控制地基的各種變量，以使紅黏土地基整體的承載力滿足項目的建設要求，并合理地結合場地的地質條件進行梁板結構處理，提高效率。然而，此類處理方法需要大量的資金投入以及較長的建設時間。經由多次比較和論證，對項目進行了實地調查，以確保項目建設期完全滿足項目建設要求。

5.2 紅黏土區的地基形式與處理關鍵點

紅黏土具有天然水含量高的特征，同時紅黏土是特殊區域性土壤，在國內外，與紅黏土有關的文獻以及研究類型相對較多。在各類環境中，整個項目的紅黏土特性也存在很大的差異性。該地區是喀斯特地貌，具有較高的巖溶發育度，紅黏土具有沿裂縫發展的強烈特征，其厚度沿垂直于平面的方向有嚴重的不均勻分布情況，整個土壤層的厚度變化更加明顯。在紅黏土地區進行工程施工很可能會導致地基整體的沉降不均勻。

5.3 處理紅黏土地基的各項技術

在紅黏土地區不同工程的施工中，地基的不良特性容易導致地基整體的壓實不足，從而導致某些道路施工路面中的地基開裂嚴重。建筑物本身的整體安全性能降低，其他不利問題也對工程施工造成了重大的潛在安全隱患。在常規建設項目中，結構需要通過地基以及地下室來承載上方荷載，然而在項目開發實踐中，如果建筑物上部荷載很大，且紅黏土地基前期處理不到位，會造成建筑物地基表面開裂，并直接影響建筑的穩定性。經過多年的分析與實踐，紅黏土地基的處理方法可歸納為以下幾點。

5.3.1 晾曬法

紅黏土地基完全干燥后，能很好地降低混凝土中的含水量，并且可以經由晾曬的形式將紅黏土完全壓實。這種處理形式需依靠良好的天氣完成，然而由于我國南方的降雨相對頻繁，所以此種處理方式實施難度較大。在實際的項目開發環節中，總體效果不太明顯。

5.3.2 換填墊層法

該方法主要使用各種材料代替原有地基土層，在實施過程中主要使用壓實性能高的合成材料（例如碎石、礫石），并更換緩沖層來處理地基，使地基的整體穩定性得到保證。在置換環節中，將替換紅黏土層以完成軋制操作。這種處理方法適合地基壓實面積小的工程，然而對于一些大面積回填工程，總體經濟成本較高，工期長，不能有效地應用于實際的項目開發中。

5.3.3 深層攪拌法

使用鉆孔機（主要是深層攪拌機械）將固化劑注入原始土壤層中，然后通過攪拌機將其均勻攪拌，使固化劑以及軟土地基完全融合。固化的材料通常為粉煤灰、石灰以及水泥等化學類型的材料。

5.3.4 強夯法

這種方法用于提高軟土地基的整體承載力。重錘夯實方法可使較大質量的重錘在指定的高度自由下落，從而快速壓實整個軟土地基。強夯法適用于某些類型的砂子、礫石以及黏性土壤。一些高飽和度的紅黏土在強夯過程中，需要在基坑中填加一定量的石塊或礫石，可以保證紅黏土地基整體的穩定性。通過夯實實驗，該方法在某些低降雨量的地區具有明顯的應用效果，可以有效提高建筑物地基的整體穩定性與安全性。

5.4 紅黏土地基的處理工作

5.4.1 非均勻地基的處理

在紅黏土地區，通常有紅黏土和其他具有不同土壤結構特征的中間層，且紅黏土層具有很大的厚度變化，會造成地基發生不均勻下沉。這種不均勻的地基應改變其寬度，調整周邊斷面地基的壓力，對地基的埋深進行調整，使地基下可壓土的厚度保持均勻。暴露的石芽可采用壓縮材料制成的褥墊進行處理。在土壤厚度和條件分布不均的地區，采用低壓縮性的材料進行處理。

5.4.2 修正地基的承載力

修正紅黏土地基對應的承載力設計值時，需要區分地基特征、地層成因以及結構特點，并考慮濕度條件的動力影響。如果地基埋得較淺，外地基發生傾斜，地表開闊，或水平荷載較大，則應分析裂縫存在以及土體結構對承載力的影響作用。另外，計算紅黏土承載力時，需要對工程試驗和標準試驗明確的承載力進行綜合計算，并確保數值準確。

5.4.3 預防裂縫和脹縮的處理措施

紅黏土中經常會發生裂縫，土壤會膨脹和收縮，這些將對地基與邊坡產生不利影響。由于本工程所在地區的紅黏土裂縫較多，在開挖基坑時要及時預防裂縫和脹縮，不要長時間裸露基坑，也不能讓基坑長時間浸水。在石芽暴露以及土壤發生干濕循環收縮的地段，由于地表侵蝕，水會滲入并使地面發生變形，所以盡量不要在裂縫密集帶或深度裂縫區域進行施工處理。

5.4.4 人工邊坡的處理

項目所在區域主要是中低山的丘陵地形，紅黏土區遍布人工邊坡。在評價人工邊坡對應的穩定性，計算土體參數設計值時，需要考慮開挖面因土體收縮以及失水而使土體軟化的缺陷。

5.5 處理紅黏土地基的注意事項

1）排水系統應在土壤層變平后準備好。如果可能，可以將其固化并覆蓋，或者預留一定厚度的土壤層，以防止地基支撐層發生干擾。對于發生均勻變形的地基，地基的面積與形狀主要由地基的結構形狀、承載力以及頂部荷載決定。

2）如果地基的承載力滿足要求，則以柱下的獨立地基的條形地基為準。如果承載能力不符合要求，則可增加地基面積或使用筏式地基。在地基不均勻變形的情況下，即使地基的承載力符合條件，但由于巖石和土壤（如石林、石芽、其他巖石）的差異，地基的沉降以及變形情況將無法滿足要求，此時可在一定范圍內鑿除基底下側的巖體進行調整，以解決不均勻沉降。

3）褥墊層的變形計算參數必須經過單軸壓縮試驗確定，并且褥墊層的厚度必須利用計算來獲得。如果地基的承載力以及變形不符合要求，或者相鄰地基下具有不均勻的土壤狀況與厚度，則可通過更改地基的寬度以及調整地基的深度來解決。

4）如果水平方向的紅黏土較厚且可塑，或者存在較軟的塑性土壤，則可在承載力較小且地基具有極大變形的情況下進行換填處理。必須計算出換填的厚度，并且將換填層壓縮成多層。

6 紅黏土巖土工程的評估措施

6.1 評估地基的承載力

此環節主要根據紅黏土的內聚力與內摩擦角進行確定，根據水分含量、孔隙率以及物理指示劑的液塑比查表確定，需要進行靜力觸探、旁壓、靜載荷等試驗。

6.2 評估地基的脹縮性

紅黏土主要在自然狀態下收縮，當復浸水時，經過一個周期的膨脹和收縮后，部分膨脹逐漸積累，而部分收縮也逐漸積累。所以，注意以下有關膨脹和收縮的問題：對于高溫設備的地基，有必要考慮地基土不均勻收縮和變形的影響。石芽出露地段應分析由于地面水潛蝕、滲透以及侵蝕而引起的地面變形的概率。開挖基坑時，需要使用保濕措施，及時維護邊坡，避免失水與縮水。當在明渠上鉆孔時，必須考慮膨脹和收縮對土壤干濕循環的作用。

6.3 評估地基的均勻度

由于紅黏土形成的不均勻性以及其下巖石表面起伏很大，所以紅黏土的水平與垂直分布是不均勻的。在同一水平面上存在處于不同狀態的土壤單元，并且所有土壤單元的壓縮模量具有很多不同。在相同的荷載下，也很可能發生建筑物沉降和開裂。因此，在開挖紅黏土地基時，必須遵循“及時開挖，淺開挖與及時封閉”的基本標準。

6.4 評估地基的地下水與地表水

紅黏土表面的裂縫發育相對較深，裂縫的水分含量相同。開挖地基后，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縮，當地基被浸泡和軟化時，地基變得不穩定。地表水滲透土壤并長時間作用于土壤，會促進紅黏土中的裂縫軟化。在浸潤范圍中，硬塑土的濕度將顯著增加，并顯著降低承載力，增加地基的可壓縮性。

7 結語

在低層建筑中，通常不使用紅黏土地基，因紅黏土地基的土壤層分布以及厚度會發生很大變化，并且紅黏土地基的狀態不完全相同，地基承載力和沉降變形參數可變，地基支撐層容易受到干擾和破壞，從而影響建筑物的平穩使用。然而，作為工程勘察和地基設計人員，需要合理進行紅黏土地基的勘察與處理工作，進而確保地基的功能，提高建筑的穩定性與安全性。