膨脹土邊坡施工防治探析

王春露

（安徽省阜陽市水利規(guī)劃設(shè)計院有限公司，安徽 阜陽 236000）

在河道整治領(lǐng)域中，膨脹土對河道工程產(chǎn)生的危害問題一直都是難以妥善解決的技術(shù)難題，它具有濕脹干縮性、滲透性差、多裂隙性等工程特性。當河道堤防土壤性質(zhì)為膨脹土?xí)r，邊坡穩(wěn)定性差，崩岸塌岸現(xiàn)象屢見不鮮。

1 工程概況

阜南縣朱寨鎮(zhèn)三河村河道塌方項目位于朱寨鎮(zhèn)三河左岸。2021 年2 月河道管理單位巡視時發(fā)現(xiàn)該處堤防迎水側(cè)岸坡出現(xiàn)裂縫，4 月底連續(xù)降雨后裂縫擴大，向上、下游兩側(cè)延伸，并整體向河床下滑，最大滑深達1.5m，受其影響，岸坡內(nèi)樹木傾倒。經(jīng)分析，邊坡滑動主要原因為：（1）河道兩岸局部填土厚度大，結(jié)構(gòu)松散，工程性質(zhì)差，容易垮塌；（2）河道兩岸岸坡較陡，河道現(xiàn)狀邊坡一般在1∶1.5 左右，使河岸整體穩(wěn)定性較差；（3）2021 年4—6 月份降雨較大，河道水位較高，邊坡長期受河水浸泡，膨脹土產(chǎn)生脹縮變形，土體抗剪強度大幅降低，退水后兩岸地下水向河道滲流，在滲流作用下岸坡產(chǎn)生滑塌。

針對該段塌岸，工程共開展5 層深度的地層勘探，發(fā)現(xiàn)第1 層為素填土（Q4ml）；第2 層為粉質(zhì)粘土（Q3al）；第3 層為重粉質(zhì)砂壤土（Q3al）；第4 層為粉質(zhì)粘土（Q3al）；第5 層為重粉質(zhì)壤土、粉質(zhì)黏土（Q3al）。其中，第5 層土體性質(zhì)主要為膨脹土，土質(zhì)含鐵錳質(zhì)結(jié)核，呈棕黃、棕黃夾灰色，硬可塑狀，局部硬塑，屬中等壓縮性土，本層自由膨脹率為18%～99%，平均值53.2%，一般具弱～中等膨脹潛勢。

根據(jù)勘測和現(xiàn)場分析，該段邊坡類型為自然形成的天然岸坡，滑塌后很可能會造成整段堤防失穩(wěn)坍塌，導(dǎo)致背水側(cè)保護區(qū)內(nèi)較大的人員傷亡和財產(chǎn)損失，應(yīng)按二級堤防標準整治。

2 脹縮變形的影響因素

2.1 內(nèi)因

影響膨脹土脹縮變形主要的內(nèi)部原因主要有:（1）膨脹土主要含大量次生黏土礦物，親水性強，失水時土體收縮，甚至出現(xiàn)干裂，遇水膨脹隆起。（2）化學(xué)成分以Al2O3、Fe2O3、SiO2為主。如SiO2含量大，則脹縮量小,反之則大。（3）黏粒含量愈高，比表面積大，吸水能力愈強，脹縮變形愈大。（4）土的密度越大，孔隙比就越小，則浸水膨脹越強烈，而失水收縮小，反則浸水膨脹越小，失水收縮越大。（5）膨脹土中微觀結(jié)構(gòu)單元體集聚體中疊聚體越多，其吸水膨脹和失水收縮就越大。

2.2 外因

膨脹土脹縮變形的主要外部因素有:（1）氣候影響條件，包括通風(fēng)、光照、溫差、濕度等，土體雨水季節(jié)會吸水膨脹，干旱季節(jié)失水收縮。（2）地形地物，高爽地段，陡坎斜坡，周圍樹木、草地、耕地影響等。（3）地基條件，地層分布、地下水位、河道水文條件影響等。

3 工藝原理及防治方案

3.1 水泥改性土處理膨脹土邊坡工藝原理

通過在膨脹土中加入適量的改性材料改變膨脹土的組成成分（采用4%水泥摻入），使二者充分混合，發(fā)生化學(xué)及物理反應(yīng)，改善土體的物理及化學(xué)力學(xué)性能，限制了膨脹土脹縮變形，提高其強度和水的穩(wěn)定性，從而控制其膨脹性。

采用置換方式切斷地表水浸入通道，隔絕大氣環(huán)境和河道水流對原弱膨脹土河道基面的影響，使河道邊坡土體處在相對穩(wěn)定環(huán)境中，防止因含水量發(fā)生較大變化產(chǎn)生膨脹、收縮變形，可有效防止膨脹土邊坡產(chǎn)生塌岸滑坡。

3.2 膨脹土防治方案

本工程按設(shè)計要求對膨脹土采用水泥改性土防治。采用對弱膨脹土邊坡表面換填厚度1.0m 水泥改良土，對中膨脹土表面換填1.5m 厚水泥改性土，在膨脹土露出河道邊坡的兩側(cè)各擴挖水平寬度3.16～4.74m，垂直于坡面的厚度1.0～1.5m，然后回填4%水泥改性土，最后形成河道設(shè)計斷面；若新開挖河床的底部為膨脹土層，則將基腳8m 范圍內(nèi)的河底膨脹土挖除，換填4%水泥改性土，深度1.5m，開挖邊坡1∶2。

4 碾壓試驗

4.1 試驗?zāi)康?/h3>

（1）通過水泥改性土室內(nèi)試驗確定水泥改性土相關(guān)技術(shù)參數(shù)。

（2）通過現(xiàn)場碾壓試驗確定合理的施工技術(shù)參數(shù)和工藝參數(shù)。

4.2 技術(shù)要求

（1）水泥改性土所用土料為無膨脹性土或弱膨脹土；（2）用于生產(chǎn)改性土的土料合適的含水量宜為18%～26%，水泥改良土的含水率控制最優(yōu)含水率范圍為+1%～+3%；（3）4%的水泥摻量改性土采用不同自由膨脹率土料；（4）碎土成品料土粒粒徑級配合格要求：最大的粒徑不應(yīng)大于10cm，10cm～5cm 的粒徑含量不應(yīng)大于5%，5cm～5mm粒徑的含量不應(yīng)大于50%；（5）成品料水泥含量EDTA 滴定法測定其水泥摻入量的平均值不得小于其設(shè)計的摻量；（6）水泥改性土要求符合設(shè)計方案。

4.3 實驗室試驗

（1）在河道開挖可利用料中取樣，做擊實試驗和自由膨脹率試驗，取得土料的最優(yōu)含水量、最大干密度以及自由膨脹率等物理力學(xué)參數(shù)；（2）水泥凝結(jié)的時間、抗折的強度、安定性、抗壓強度等檢測。

4.4 現(xiàn)場試驗

試驗場地選擇河底段，清理出一塊30m×15m（長×寬）的場地，采用壓路機對該場地進行碾壓。測量人員用白灰線放出試驗場地，按長度方向劃分為6 個區(qū)間，每個區(qū)間12m×5m，測量記錄下原始地面高程。分四層碾壓，每層虛鋪厚度30cm。第一層鋪設(shè)土料最優(yōu)含水率為ω，第二層鋪設(shè)土料最優(yōu)含水率為ω1=ω+1%，第三層鋪設(shè)土料為ω2=ω+2%，第四層鋪設(shè)土料為ω3=ω+3%。

4.5 檢測

根據(jù)試驗方案：鋪土厚度30cm，壓實度采用環(huán)刀法的檢測手段，凸塊振動碾需要靜壓2～8 遍，檢測自碾壓6 遍（靜壓2 遍、振動4 遍）開始，碾壓8 遍（靜壓2 遍、振動6 遍），碾壓10 遍（靜壓2 遍、振動8遍），各檢測一次壓實度。設(shè)定6 個取樣區(qū)域，每個取樣區(qū)域12m×5m，在設(shè)定的碾壓遍數(shù)下每個取樣區(qū)域各取2 個試樣，在固定碾壓遍數(shù)下一次取樣12 個。每一次取樣應(yīng)在壓實基面隨機選取取樣點，確保取樣部位有代表性，取樣后現(xiàn)場稱重，得到碾壓后的土料的實密度，然后對土樣進行燒失法烘干，稱得干土重量，計算得到土的干密度，繼而推算出壓實度。環(huán)刀法取樣位置取每層壓實厚度的下部1/3，若取得1/3下部厚度不足環(huán)刀的高度時，這時環(huán)刀的底面應(yīng)以到達下層頂面且確保環(huán)刀取滿土樣為準,計算現(xiàn)場實測干密度和實驗室測的最大干密度的比值，現(xiàn)場壓實后的密度狀況越好，表示壓實度越高，密實度越大，代表其材料整體性能越好。

4.6 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)取樣分析得到碾壓遍數(shù)與壓實度、干密度之間的關(guān)系，從而確定碾壓試驗的參數(shù)。

5 施工流程

嚴格按試驗確定的施工參數(shù)，按照土料開采、運輸→碎土→水泥改性土拌合→EDTA 滴定測定水泥含量→水泥土運輸→攤鋪→碾壓→取樣檢測→削坡的工藝流程進行施工與質(zhì)量控制。

工程完成后，該段堤防土壤性質(zhì)得到有效改善，經(jīng)現(xiàn)場檢驗邊坡穩(wěn)定性大幅提高，并經(jīng)受了2022 年汛期考驗，未再次出現(xiàn)邊坡坍滑現(xiàn)象。

6 結(jié)束語

本文主要從膨脹土特性、處理方案、脹縮變形的影響因素及碾壓試驗等方面進行分析論述，將水泥改性土應(yīng)用于河道膨脹土治理工程中，解決了土體受環(huán)境變化產(chǎn)生脹縮變形導(dǎo)致土的抗剪強度衰減問題，防止了邊坡坡腳產(chǎn)生較大的剪應(yīng)力和強度的應(yīng)變軟化造成的邊坡坍滑，提高了堤防的穩(wěn)定性和安全性，可為膨脹土性質(zhì)邊坡處理工程提供參考■