膨脹土路塹邊坡破壞研究

馬恒春 靳國禮

1 概述

膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，粘粒成分主要由強親水性礦物蒙脫石及其混層粘土礦物組成，具有超固結(jié)性、裂隙性、遇水膨脹、失水收縮開裂且反復(fù)變形等與正常固結(jié)粘土不相同的工程性質(zhì)。由于其不良工程特性導(dǎo)致的工程問題或地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生以及在世界各國的廣泛分布，膨脹土及其工程問題一直是當今巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域中世界性的重大工程問題之一。

2 膨脹土路塹邊坡的破壞類型

膨脹土路塹邊坡的破壞可分為三種類型:受風(fēng)化作用層控制的淺表層破壞模式;受裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面控制的淺層破壞模式;受層間軟弱結(jié)構(gòu)面控制的破壞模式[1]。

3 膨脹土路塹邊坡的破壞機理

1)膨脹土的脹縮機理。膨脹土脹縮機理可以理解為具有晶層結(jié)構(gòu)的蒙脫石或蒙脫石混層礦物，在電解質(zhì)溶液的作用下，土中的水分子受到層間交換性陽離子的靜點勢、組成晶層的正負離子的靜電作用、氫鍵、滲透壓、層間相互作用力、層間陽離子與晶層間作用力、范德華力和土處于非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力等的共同作用，具有溢出層間的收縮勢和使空隙水分進入層間的膨脹勢，使得膨脹土失水收縮，吸水膨脹[2]。2)膨脹土的干燥活化和機械活化作用。大量膨脹土原狀樣膨脹性指標測定結(jié)果表明，無論是膨脹力還是不同荷載下膨脹變形量指標均不大，且土的膨脹勢大小的影響并不顯著，這無法解釋膨脹土地基上所發(fā)生的強烈變形現(xiàn)象。但風(fēng)干后樣品膨脹性指標測定結(jié)果卻表明，無論是膨脹力還是不同荷載下膨脹量卻是天然土的5倍～10倍，因此干燥失水后雨季的強烈吸水膨脹變形和巨大膨脹力將是膨脹土地基和路面強烈隆起變形的根本原因。公路瀝青混凝土路面普遍發(fā)生的隆起變形和鐵路路基發(fā)生的坍塌破壞，除與水分聚集有關(guān)外，也與地基土夯實碾壓重塑后結(jié)構(gòu)遭到破壞的機械活化以及火車動荷載的反復(fù)作用形成路床土的機械活化密切相關(guān)。3)膨脹土的裂隙性(不連續(xù)性)。裂隙性主要是指膨脹土中密集分布的以低角度為主的剪切裂隙(而不是指土體表面上寬下窄的垂直收縮裂隙)。根據(jù)分布形態(tài)和力學(xué)特性，膨脹土的裂隙可分為:干燥收縮裂隙、卸荷裂隙、膨脹裂隙、構(gòu)造裂隙等。大量的工程勘測及現(xiàn)場調(diào)研表明，膨脹土的裂隙性對建筑物地基來說并不十分關(guān)鍵，但對暴露于大氣中的公路、鐵路及水渠的邊坡卻是至關(guān)重要的，也是造成膨脹土地區(qū)道路建設(shè)中“逢塹必滑”的重要原因。4)膨脹土的超固結(jié)性。大量研究和調(diào)查表明[3]，超固結(jié)性粘土的水平應(yīng)力比自重應(yīng)力大1倍～2倍，因此超固結(jié)硬粘土淺層高的水平應(yīng)力導(dǎo)致邊坡開挖中在高水平應(yīng)力作用下強烈的卸荷松弛效應(yīng)的發(fā)生，造成微裂隙間的位移、張拉，土體松脹即大變形作用的發(fā)生，即所謂的“應(yīng)變軟化效應(yīng)”，并在坡腳處形成大范圍的剪應(yīng)力集中區(qū)，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。5)膨脹土的強度衰減性。所謂強度衰減特性是指巖土體在水的作用下強度強烈降低的性質(zhì)，雖然任何巖土在水的作用下其強度都有浸水軟化現(xiàn)象，但由于膨脹性硬粘土的應(yīng)變軟化效應(yīng)以及在邊坡開挖過程中因土體暴露而發(fā)生的強烈干燥失水作用所引起的吸力勢增高，當雨季到來，在坡面水流作用下不僅造成裂隙充水，而且發(fā)生土塊強烈吸水膨脹作用，因此體積膨脹的同時造成抗剪強度的強烈衰減，其抗剪強度的衰減率可達20%～50%[4]。因吸水膨脹作用所發(fā)生的強度衰減作用隨深度增加而減少，強度衰減的空間變化決定膨脹土滑坡的淺層性?？傊蛎浲谅穳q邊坡破壞往往具有成群分布、淺層性、牽引性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造性以及多次滑動性、潛伏性等特點，它們主要受到邊坡開挖效應(yīng)的影響，即裂隙性及其結(jié)構(gòu)控制作用、超固結(jié)性與應(yīng)變軟化效應(yīng)、膨脹性與強度衰減性效應(yīng)，也就是說地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)條件以及氣候因素是產(chǎn)生破壞的前提條件，水則是造成破壞的直接肇因。

4 處治時應(yīng)考慮的因素

膨脹土對道路路基工程具有特殊的破壞作用，修筑在膨脹土地區(qū)的公路和鐵路路基幾乎都是“逢塹必滑，有堤必坍”，而且這種破壞作用還具有多次反復(fù)性和長期潛在危害性。因此研究膨脹土路基邊坡處治方案設(shè)計時應(yīng)特別重視以上問題，根據(jù)膨脹土特有的工程性質(zhì)以及其破壞規(guī)律，并結(jié)合我國實際國情，提出切合實際且有較好針對性和經(jīng)濟性的專門處治措施，如剛?cè)嵯酀?、柔性支護等措施。在處治中應(yīng)考慮以下因素:

1)膨脹土地質(zhì)災(zāi)害的分布具有鮮明的地域性，即某些地域膨脹土地質(zhì)災(zāi)害異常嚴重，而某些地域則比較輕微。產(chǎn)生這種地域性分布的原因:a.與土的成分和性質(zhì)有關(guān);b.與各地域的氣候干濕條件有關(guān)。2)在研究中，應(yīng)做好模擬干濕循環(huán)條件下的膨脹土邊坡的原位強度試驗和開挖膨脹土邊坡的現(xiàn)場跟蹤觀測，并在此基礎(chǔ)上建立更適于膨脹土路基邊坡破壞模式的穩(wěn)定性分析方法。3)用保濕防滲的思想進行膨脹土路堤包蓋處理時，涉及到封閉厚度的確定及封閉效果評價的問題，因此，應(yīng)確定膨脹土活動層深度。4)膨脹土的路基工程問題說到底還是個地質(zhì)問題，千萬不能脫離其工程所在地的地質(zhì)特征來進行研究或開展設(shè)計，應(yīng)重視把握施工現(xiàn)場的實際地質(zhì)情況。5)膨脹土路塹邊坡防護措施的選型及設(shè)計應(yīng)考慮配套的綜合排水系統(tǒng)。

5 工程實例及原因分析

由于含水量的變化是膨脹土體積變化的本質(zhì)和核心，也是膨脹土地區(qū)公路、鐵路路基發(fā)生破壞的主要肇因，因此膨脹土地區(qū)路基處治的原則主要是保濕防滲，也就是設(shè)法采取措施保證邊坡土體含水量不發(fā)生大的變化。圍繞這個思路，鐵路、公路部門在膨脹土地區(qū)修路時，如遇到開挖的邊坡穩(wěn)定性不足，通常采用剛性支護措施，如抗滑樁、擋土墻以及聯(lián)合這兩種結(jié)構(gòu)物進行加固，而對于大面積的膨脹土邊坡坡面，主要采用全封閉的漿砌片石、掛網(wǎng)噴漿等進行防護。

1)國內(nèi)鐵道部門較早開展膨脹土路基邊坡穩(wěn)定技術(shù)研究，采用最多的是剛性支護和坡面全封閉措施，南昆鐵路林逢車站某路塹防護與加固方式(擋土墻+分級漿砌片石護坡)就是典型的全封閉支護措施，但是并沒有收到預(yù)期的效果，邊坡全封閉工程還不能適應(yīng)膨脹巖體的碎裂性和低強度性。全封閉的防護工程，如漿砌片石、噴射混凝土或加短錨桿，雖有一定的保墑、防止脹縮的功效，但經(jīng)工程實踐表明，對碎裂、低強度的塹坡弊大于利。全封閉工程阻礙裂隙水的排泄，巖體含水量的增加會導(dǎo)致強度降低尤其是結(jié)構(gòu)面抗剪強度的降低，不利于邊坡穩(wěn)定。

2)云南楚大K39+332～K39+684段深路塹邊坡全封閉處置措施(矮擋墻+分級漿砌片石護坡，坡率1∶4)，在1996年路塹開挖施工過程中兩側(cè)邊坡出現(xiàn)多次垮塌，經(jīng)過幾次整治，最后將邊坡放緩至1∶4，并采用兩級平臺，設(shè)置了平臺排水溝的全封閉方案處治方式，耗資近千萬，后來仍有局部發(fā)生破壞，經(jīng)修補基本保持整體穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析可知，以往鐵路、公路部門對膨脹土路塹邊坡主要采用剛性支護措施，即以圬工結(jié)構(gòu)為主，這種處治措施盡管也能起到一定作用，但對于膨脹土這種特殊土體而言，它不是最好的方法。因為剛性支護不允許被支護土體產(chǎn)生變形，而在干濕循環(huán)、坡后裂隙水或滲透水的作用下邊坡膨脹土體必然發(fā)生濕度變化，當土體干縮濕脹后其膨脹變形較大而得不到釋放時，會產(chǎn)生很大的膨脹壓力使剛性支護破壞。

6 結(jié)語

針對目前膨脹土地區(qū)路塹邊坡處治工程中存在的問題，長沙理工大學(xué)在交通部西部交通建設(shè)科技項目“膨脹土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究”中提出了膨脹土路塹柔性處治的新技術(shù)[7]。

柔性支護主要指以土工織物加筋邊坡土體為主，輔以其他必要綜合處理措施的處理方案。其特點是不但能承受土壓力而且允許土體產(chǎn)生一定變形，可吸收邊坡土體因超固結(jié)引起的應(yīng)力釋放和含水量變化產(chǎn)生的膨脹力。廖世文(1984)的研究表明，若允許膨脹土的線膨脹量達0.3%，其膨脹力可比無膨脹時最大的膨脹力降低25%。因此非常適合膨脹土路塹邊坡。

[1]長沙理工大學(xué).膨脹土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究報告[R].2007.

[2]馮玉勇，張永雙，曲永新.南昆鐵路百色盆地膨脹土路堤病害機理研究[J].巖土工程學(xué)報，2001，23(4):463-467.

[3]蔣忠信，秦小林，李 敏，等.南昆鐵路膨脹巖(土)及其防治的研究[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報，1995(6):27-28.

[4]廖世文.膨脹土與鐵道工程[M].北京:中國鐵道出版社，1984.

[5]楊和平，鄭 鵬.南友路膨脹土塹坡滑坍的地質(zhì)調(diào)查與思考[J].長沙理工大學(xué)學(xué)報，2004，1(1):14-20.

[6]楊和平，曲永新，鄭健龍.寧明膨脹土研究的新進展[J].巖土工程學(xué)報，2005，17(9):981-987.

[7]鄭建龍，楊和平.膨脹土處治理論、技術(shù)與實踐[M].北京:人民交通出版社，2004.