黑龍江省某灌區灌區膨脹土特征及其性質研究

胡健 張國正 王凱

1前言

灌區膨脹土是一種吸水膨脹、失水收縮開裂的特種黏性土。其礦物成分以強親水性礦物蒙脫石和伊利石為主。灌區膨脹土一直是困擾公路建設的重大工程問題。解決灌區膨脹土地區失穩破壞等現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

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

2.2崩解性

灌區膨脹土浸水后體積膨脹，在無側限條件下發生吸水濕化。不同類型的灌區膨脹土其崩解性是不一樣的，強灌區膨脹土浸入水中后，幾分鐘內很快就完全崩解；弱灌區膨脹土浸入水中后，則需經過較長時間才能逐步崩解，且有的崩解不完全。此外，灌區膨脹土的崩解特性還與試樣的起始濕度有關，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

灌區膨脹土路基邊坡的破壞，大多與土中裂隙有關，且滑動面的形成主要受裂隙軟弱結構面所控制。

2.4超固結性

灌區膨脹土大多具有超固結性，天然孔隙比較小，干密度較大，初始結構強度較高。超固結灌區膨脹土路基開挖后，將產生土體超固結應力釋放，邊坡與路基面出現卸載膨脹，并常在坡腳形成應力集中區和較大的塑性區，使邊坡容易破壞。

2.5強度衰減性

灌區膨脹土的抗剪強度為經典的變動強度，具有峰值強度極高、殘余強度極低的特性。在大氣風化作用帶以內，由于土體濕脹干縮效應顯著，抗剪強度變化比較大，經過多次濕脹干縮循環以后，粘聚力大幅度下降，而內摩擦角則變化不大。一般干濕反復循環2-3次以后強度即趨于穩定。

3灌區膨脹土的路基病害

灌區膨脹土是在自然地質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，在工程界被認為是隱藏的地質災害，對工程結構具有嚴重的破壞作用。灌區膨脹土地區的公路發生的病害主要有以下幾個方面：

3.1沉陷變形。

灌區膨脹土初期結構強度較高，施工時不易粉碎及壓實，路堤建成后由于大氣物理風化作用和濕脹干縮效應，土塊崩解，在路面和路堤自重及汽車荷載作用下，路堤易產生不均勻下沉，路堤愈高，沉陷量愈大嚴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，具疊瓦狀，成群發生。一般滑體厚為1～3m，多數小于6m。

3.3溜塌。

邊坡表層、強風化層內的土體吸水過飽，在重力與滲透壓力的作用下，沿坡面向下產生流塑狀溜塌。溜塌多發生在雨季，與邊坡坡度無關。

3.4縱裂。

路肩部常因機械碾壓不到，填土達不到要求的密實度，后期沉降量相對較大，加之路肩臨空，對大氣風化作用特別敏感，干濕交替頻繁，肩部土體收縮遠大于堤身，故在路肩上常發生順路線方向的開裂，形成數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灌區膨脹土路基常用處理方式

4.1換填

即將灌區膨脹土換成工程性質較好的土質，換填深度應根據灌區膨脹土脹縮性的強弱和當地的氣候條件確定。換土是灌區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，即強灌區膨脹土為2m，中弱灌區膨脹土為1～1.5m，具體換土深度要根據調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致路基強度下降。濕度控制包括預濕和保持含水量穩定。為控制由于灌區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膨脹土路基進行包封，避免灌區膨脹土與外界大氣有接觸，盡量減少灌區膨脹土內部的濕度變化。

4.3改性處理

目前，國內外普遍采用石灰、粉煤灰、水泥等進行改良處治，亦可用其中的兩種或三種進行綜合處治。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出來的。采用摻石灰改性灌區膨脹土，石灰劑量為4%～l2%，摻石灰改性后應達到脹縮總率小于0.7，以接近零為最佳，根據不同路段灌區膨脹土的具體情況，通過試驗確定具體的摻灰率。

4.4邊坡防護與加固

對于灌區膨脹土邊坡，必須采取有效措施進行防護和加固。常用的防護和加固方式有：一種是土工格柵。充分利用土工網格的抗拉強度、土與網格的相互咬合摩擦作用對邊坡進行加固。另一種是邊坡支擋結構。

常用的邊坡支擋結構有：

（1）網格式加筋土擋土結構穩定灌區膨脹土邊坡；

（2）用土釘墻處理灌區膨脹土路塹邊坡；

（3）十字形錨桿骨架護坡和梁形錨桿骨架護坡。

5結論

隨著近年來工程的興建，不少地區都遇到了灌區膨脹土施工問題，許多新建路基在施工—過程中就開始出現各種變形病害，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，則出現整段土基吸水膨脹軟化，地基表層膨脹，導致無法鋪筑路面等。由于灌區膨脹土的這種特殊工程性，易使這些地區的工程建筑，特別是水工建筑遭受嚴重的破壞，造成巨大的經濟損失。因而日益引起政府有關部門和學術界、工程界的高度重視。

參考文獻：

[1]巖土工程師實用手冊[M].化學工業出版社，崔可銳，2007.

[2]理論土力學[M]. 中國水利水電出版社 ，沈珠江著， 2000.

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