膨脹土邊坡的防護與支護措施

□王先忠 □劉 蓓 □宋五朋（河南省水利勘測有限公司）

1 概述

膨脹土是一種含有大量親水性礦物、濕度變化時有較大體積變化、變形受約束時產生較大內應力的粘性土。

膨脹土的礦物成分主要是蒙脫石、伊利石土和高嶺土等親水性礦物組成,為一種高塑性粘土，有較強的脹縮性，多含有鈣質或鐵錳質結構，一般呈棕、黃、褐色及灰白，一般承載力較高，垂直方向為主的網狀裂隙發育，具有吸水膨脹、失水收縮和反復脹縮變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發育等特性，性質極不穩定。

膨脹土在我國的分布范圍很廣，如廣西、云南、河南、湖北、四川、陜西、河北、安徽、江蘇等地均有不同范圍的分布。河南省境內膨脹土的平面分布相對集中，主要分布在鶴壁周邊地區以及禹州、平頂山、駐馬店一線以西這兩個區域內，地貌單元屬低山、丘陵地貌，主要為第四系中更新統的粉質粘土、粘土及上第三系粘土巖（粘土巖是一種主要由粒徑＜0.39×10-2mm的細顆粒物質組成的并含有大量粘土礦物的沉積巖。疏松未固結者稱為粘土，固結成巖者稱為泥巖和頁巖），因成因特點，不同程度上含鐵錳質氧化物及鈣質結核。

河南省南水北調配套工程（以下簡稱配套工程）涉及區域多，線路長，在膨脹土分布區域多有涉及。在配套工程輸水線路施工開挖中，輸水線路基槽施工開挖邊坡高度3～5m左右，局部6～9m，穿總干渠基槽施工開挖邊坡高度一般10～20 m左右，穿越頂管豎井施工開挖邊坡高度一般6～10m左右，膨脹土的脹縮特性對邊坡穩定性危害很大。為此，通過分析影響膨脹土脹縮變形的主要因素，結合膨脹土結構特性，從而對膨脹土采取有效的防護、支護措施，增加配套工程基槽、豎井施工開挖的邊坡穩定性，保證配套工程的順利施工。

2 影響膨脹土脹縮變形的主要因素

2.1 粘粒含量

膨脹土的粘粒含量高，多達35%～85%，屬液限＞40%的高塑性粘土，粘土顆粒小，分散性大，比表面積大，則表面能大，故其遇水對水分子的吸附能力高。因此，土中粘粒含量愈多，土的塑性指數愈高，則土體的脹縮性愈大。

2.2 粘土礦物

膨脹土的粘土礦物成分主要是蒙脫石、伊利石、高嶺土，它們具有很強的親水性，吸水時體積膨脹，失水時體積收縮。親水性粘土礦物愈多，則土體的脹縮性愈大，其在膨脹性上蒙脫石＞伊利石＞高嶺土。

2.3 含水率

天然含水率是制約膨脹土收縮性的關鍵因素之一，立即產生垂直和水平兩個方向的體積膨脹。含水率的輕微變化，僅1%～2%的量值，就足以引起有害的膨脹。含水率增加，干密度減小，膨脹性就降低；相反強度增加但膨脹性增加。但應注意的是，含水量增加，會引起土的強度降低。

2.4 密度

土的密度大，孔隙比就小，浸水膨脹強烈，而失水收縮小；相反，土的密度小，孔隙比就大，浸水膨脹小，失水收縮大。而孔隙比處于中間值時，土的脹縮變形都較大。膨脹力可以方便的用作衡量粘土的膨脹特性的一種尺度，對某種給定的粘土來說，其膨脹壓力是常數，它僅隨干容重而變化。對于未擾動的粘土來講，干容重是土的原位特征。

綜上所述，膨脹土具有脹縮變形特征，可歸因于膨脹土的內在因素及外部因素兩個方面。內在因素主要為粘粒含量和粘土礦物；外在因素主要為水對膨脹土的作用，土中原有含水率與土體膨脹時所需含水率相差越大，則遇水后土的膨脹越大，失水后的收縮越小，而土的密度與含水率息息相關。

3 比較可行的膨脹土邊坡防護與支護措施

配套工程一般輸水線路施工方便、快捷、工期短，基槽開挖深度較低，一般采取快挖、快填，以減少膨脹土的暴露時間，并采取覆蓋保水材料等保護臨時邊坡措施，在膨脹土的膨脹性尚未完全爆發之前就完成基坑回填。

配套工程中對于深基坑以及施工工期較長邊坡，比較可行的膨脹土邊坡防護與支擋措施有：

3.1 腳墻+支撐滲溝+片石骨架+土釘墻

尤其是支撐滲溝，倍受青睞。這種方法主要用于地表水、地下水比較豐富的膨脹土邊坡的防護與支護。

其中，腳墻穩定了坡腳，亦起到穩定坡面及抵擋土體側向膨脹力；支撐滲溝+片石骨架既可及時疏導土體中的水，保持土體一定的含水量，亦可對邊坡起加固作用，防止邊坡發生漲層溜塌；土釘墻是一種原位土體加筋技術，將基坑邊坡通過由鋼筋制成的土釘進行加固，邊坡表面鋪設一道鋼筋網再噴射一層混凝土面層和土方邊坡相結合的邊坡加固型支護施工方法。土釘墻能提高土體的整體剛度和結構整體性，有效抑制應力釋放和膨脹變形，加強邊界約束作用，且坡面全封閉使坡面保持天然含水量，防止含水率降低、干濕循環造成的土體結構破壞。

對于環境適宜的永久邊坡，亦可采取草皮或干砌片石代替土釘墻。草皮或干砌片石以減輕坡面的不穩定性和侵蝕，多用于永久性邊坡坡面的保護。

3.2 擋墻+土釘墻

用于無地下水的膨脹土邊坡的防護與支護擋墻主要用于抵抗土的側向壓力、膨脹力，收縮邊坡，重力式擋墻對膨脹性向下增強的工點有效，擋墻固腳尤為重要，墻背反濾層也可減少膨脹力，要求在墻和膨脹土之間填有一定厚度的非膨脹材料以降低膨脹壓力的影響。該措施增加適宜的排水措施，亦可用于地下水較少的膨脹土邊坡的防護與支護。

類似的支護、保護措施，亦可采取坡腳抗滑樁+錨桿框架+掛網噴混凝土的聯合防護措施。特別要求：鉆孔要求干鉆，禁止采用水鉆，以確保錨桿施工不至于惡化邊坡巖體的工程地質條件和保證孔壁的粘結性能。

3.3 預加固施工

在邊坡開挖前，根據工程地質條件，采取預埋抗滑樁、超前水泥注漿等，再行開挖，然后采取合適的聯合保護措施。該措施主要用于土體本身強度較低、場地限制、其它建筑物瀕臨基坑的邊坡支護。

綜上所述，由于膨脹土的內在因素在原位狀態下難以盡量改良，僅水泥注漿改變了土體結構，引起的凝硬反應使粘土層之間的膠結力增大，阻止了膨脹力，從而處于更加穩定狀態。其它無論哪種膨脹土邊坡防護與支護措施聯合防護，均是針對膨脹土的外在因素與土體結構，減少含水率變化，防止因膨脹土脹縮性加劇膨脹巖裂隙發育造成的溜塌、坍塌或滑坡現象。

4 結論

綜上所述，膨脹土具有脹縮變形特征，可歸因于膨脹土的內在因素及外部因素兩個方面。內在因素主要為粘粒含量和粘土礦物；外在因素主要為水對膨脹土的作用，水的遷移是控制土脹、縮特性的關鍵外在因素。由于膨脹土的內在因素在原位狀態下難以盡量改良，故膨脹土邊坡防護與支護措施多是針對膨脹土的外在因素與土體結構而采取的聯合防護。

李洪濤,田微微,王松江.河南膨脹土分布及工程地質特性[J].工程勘察，2010（01）：27-32.