黑龍江省某灌區(qū)灌區(qū)膨脹土特征及其性質(zhì)研究

胡健 張國正 王凱

1前言

灌區(qū)膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮開裂的特種黏性土。其礦物成分以強(qiáng)親水性礦物蒙脫石和伊利石為主。灌區(qū)膨脹土一直是困擾公路建設(shè)的重大工程問題。解決灌區(qū)膨脹土地區(qū)失穩(wěn)破壞等現(xiàn)象成為了一個刻不容緩的問題。

2主要工程特性

2.1脹縮性

灌區(qū)膨脹土吸水體積膨脹，使其上建筑物隆起，如膨脹受阻即產(chǎn)生膨脹力；失水體積收縮，造成土體開裂，并使其建筑物下沉。灌區(qū)膨脹土在縮陷與液限含水率的收縮量與灌區(qū)膨脹土，稱為極限脹縮潛勢。擊實土的膨脹性遠(yuǎn)比原狀土大，密實度越高，膨脹量與膨脹力越大，這是在灌區(qū)膨脹土路基設(shè)計中特別值得注意的問題[1]。

2.2崩解性

灌區(qū)膨脹土浸水后體積膨脹，在無側(cè)限條件下發(fā)生吸水濕化。不同類型的灌區(qū)膨脹土其崩解性是不一樣的，強(qiáng)灌區(qū)膨脹土浸入水中后，幾分鐘內(nèi)很快就完全崩解；弱灌區(qū)膨脹土浸入水中后，則需經(jīng)過較長時間才能逐步崩解，且有的崩解不完全。此外，灌區(qū)膨脹土的崩解特性還與試樣的起始濕度有關(guān)，一般干燥土試樣崩解迅速且較完全，潮濕土試樣崩解緩慢且不完全。

2.3多裂隙性

灌區(qū)膨脹土路基邊坡的破壞，大多與土中裂隙有關(guān)，且滑動面的形成主要受裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面所控制。

2.4超固結(jié)性

灌區(qū)膨脹土大多具有超固結(jié)性，天然孔隙比較小，干密度較大，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。超固結(jié)灌區(qū)膨脹土路基開挖后，將產(chǎn)生土體超固結(jié)應(yīng)力釋放，邊坡與路基面出現(xiàn)卸載膨脹，并常在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū)和較大的塑性區(qū)，使邊坡容易破壞。

2.5強(qiáng)度衰減性

灌區(qū)膨脹土的抗剪強(qiáng)度為經(jīng)典的變動強(qiáng)度，具有峰值強(qiáng)度極高、殘余強(qiáng)度極低的特性。在大氣風(fēng)化作用帶以內(nèi)，由于土體濕脹干縮效應(yīng)顯著，抗剪強(qiáng)度變化比較大，經(jīng)過多次濕脹干縮循環(huán)以后，粘聚力大幅度下降，而內(nèi)摩擦角則變化不大。一般干濕反復(fù)循環(huán)2-3次以后強(qiáng)度即趨于穩(wěn)定。

3灌區(qū)膨脹土的路基病害

灌區(qū)膨脹土是在自然地質(zhì)過程中形成的一種多裂縫并具有顯著膨脹特性的土體，由于前述的不良工程性質(zhì)，在工程界被認(rèn)為是隱藏的地質(zhì)災(zāi)害，對工程結(jié)構(gòu)具有嚴(yán)重的破壞作用。灌區(qū)膨脹土地區(qū)的公路發(fā)生的病害主要有以下幾個方面：

3.1沉陷變形。

灌區(qū)膨脹土初期結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，施工時不易粉碎及壓實，路堤建成后由于大氣物理風(fēng)化作用和濕脹干縮效應(yīng)，土塊崩解，在路面和路堤自重及汽車荷載作用下，路堤易產(chǎn)生不均勻下沉，路堤愈高，沉陷量愈大嚴(yán)重時可使路面變形破壞。

3.2滑坡。

滑坡具有弧形外貌，有明顯的滑床，滑床后壁陡直，前緣平緩，主要受裂隙控制。滑坡多呈牽引式出現(xiàn)，具疊瓦狀，成群發(fā)生。一般滑體厚為1～3m，多數(shù)小于6m。

3.3溜塌。

邊坡表層、強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的土體吸水過飽，在重力與滲透壓力的作用下，沿坡面向下產(chǎn)生流塑狀溜塌。溜塌多發(fā)生在雨季，與邊坡坡度無關(guān)。

3.4縱裂。

路肩部常因機(jī)械碾壓不到，填土達(dá)不到要求的密實度，后期沉降量相對較大，加之路肩臨空，對大氣風(fēng)化作用特別敏感，干濕交替頻繁，肩部土體收縮遠(yuǎn)大于堤身，故在路肩上常發(fā)生順路線方向的開裂，形成數(shù)十米至上百米的張開裂縫，縫寬約2～4m，大多距路肩外緣0.5～1.0m。

4灌區(qū)膨脹土路基常用處理方式

4.1換填

即將灌區(qū)膨脹土換成工程性質(zhì)較好的土質(zhì)，換填深度應(yīng)根據(jù)灌區(qū)膨脹土脹縮性的強(qiáng)弱和當(dāng)?shù)氐臍夂驐l件確定。換土是灌區(qū)膨脹土路基處理方法中最簡單有效的方法。由于各地的氣候不同，各地灌區(qū)膨脹土的臨界深度和臨界含水量也有所不同，換土深度要考慮受地面降水的影響而使土體含水量急劇變化的深度，基本上在1～2m，即強(qiáng)灌區(qū)膨脹土為2m，中弱灌區(qū)膨脹土為1～1.5m，具體換土深度要根據(jù)調(diào)查后的臨界深度來確定。換土一般適用于小面積換土，對于土源緊張的膨脹上地區(qū)而言，在道路工程中大面積、大體積換土是不切實際的[2]。

4.2濕度控制

由于灌區(qū)膨脹土路基具有顯著吸水膨脹和失水收縮的特性，因此，首先應(yīng)考慮盡可能對路基邊坡和路肩土體采取保濕防滲措施，防止土體干縮濕脹而導(dǎo)致路基強(qiáng)度下降。濕度控制包括預(yù)濕和保持含水量穩(wěn)定。為控制由于灌區(qū)膨脹土含水量變化而引起的脹縮變形，盡量減少路基含水量受外界大氣的影響，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布和粘土將灌區(qū)膨脹土路基進(jìn)行包封，避免灌區(qū)膨脹土與外界大氣有接觸，盡量減少灌區(qū)膨脹土內(nèi)部的濕度變化。

4.3改性處理

目前，國內(nèi)外普遍采用石灰、粉煤灰、水泥等進(jìn)行改良處治，亦可用其中的兩種或三種進(jìn)行綜合處治。其中最常用的方法是摻石灰改良。石灰的固化作用是通過離子交換，次生碳酸鈣膠結(jié)性、粘土顆粒與石灰相互作用形成新的含水硅酸鈣、硅酸等新礦物而顯現(xiàn)出來的。采用摻石灰改性灌區(qū)膨脹土，石灰劑量為4%～l2%，摻石灰改性后應(yīng)達(dá)到脹縮總率小于0.7，以接近零為最佳，根據(jù)不同路段灌區(qū)膨脹土的具體情況，通過試驗確定具體的摻灰率。

4.4邊坡防護(hù)與加固

對于灌區(qū)膨脹土邊坡，必須采取有效措施進(jìn)行防護(hù)和加固。常用的防護(hù)和加固方式有：一種是土工格柵。充分利用土工網(wǎng)格的抗拉強(qiáng)度、土與網(wǎng)格的相互咬合摩擦作用對邊坡進(jìn)行加固。另一種是邊坡支擋結(jié)構(gòu)。

常用的邊坡支擋結(jié)構(gòu)有：

（1）網(wǎng)格式加筋土擋土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定灌區(qū)膨脹土邊坡；

（2）用土釘墻處理灌區(qū)膨脹土路塹邊坡；

（3）十字形錨桿骨架護(hù)坡和梁形錨桿骨架護(hù)坡。

5結(jié)論

隨著近年來工程的興建，不少地區(qū)都遇到了灌區(qū)膨脹土施工問題，許多新建路基在施工—過程中就開始出現(xiàn)各種變形病害，有的地段土基一邊施工開挖，一邊溜塌、坍滑，有的地段土基剛剛施工建成，則出現(xiàn)整段土基吸水膨脹軟化，地基表層膨脹，導(dǎo)致無法鋪筑路面等。由于灌區(qū)膨脹土的這種特殊工程性，易使這些地區(qū)的工程建筑，特別是水工建筑遭受嚴(yán)重的破壞，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。因而日益引起政府有關(guān)部門和學(xué)術(shù)界、工程界的高度重視。

參考文獻(xiàn)：

[1]巖土工程師實用手冊[M].化學(xué)工業(yè)出版社，崔可銳，2007.

[2]理論土力學(xué)[M]. 中國水利水電出版社 ，沈珠江著， 2000.

[3]工程建設(shè)中的膨脹土問題[M]. 中國建筑工業(yè)出版社 ，劉特洪著，1997.