黑龙江省某灌区灌区膨胀土特征及其性质研究

胡健 张国正 王凯

1前言

灌区膨胀土是一种吸水膨胀、失水收缩开裂的特种黏性土。其矿物成分以强亲水性矿物蒙脱石和伊利石为主。灌区膨胀土一直是困扰公路建设的重大工程问题。解决灌区膨胀土地区失稳破坏等现象成为了一个刻不容缓的问题。

2主要工程特性

2.1胀缩性

灌区膨胀土吸水体积膨胀，使其上建筑物隆起，如膨胀受阻即产生膨胀力；失水体积收缩，造成土体开裂，并使其建筑物下沉。灌区膨胀土在缩陷与液限含水率的收缩量与灌区膨胀土，称为极限胀缩潜势。击实土的膨胀性远比原状土大，密实度越高，膨胀量与膨胀力越大，这是在灌区膨胀土路基设计中特别值得注意的问题[1]。

2.2崩解性

灌区膨胀土浸水后体积膨胀，在无侧限条件下发生吸水湿化。不同类型的灌区膨胀土其崩解性是不一样的，强灌区膨胀土浸入水中后，几分钟内很快就完全崩解；弱灌区膨胀土浸入水中后，则需经过较长时间才能逐步崩解，且有的崩解不完全。此外，灌区膨胀土的崩解特性还与试样的起始湿度有关，一般干燥土试样崩解迅速且较完全，潮湿土试样崩解缓慢且不完全。

2.3多裂隙性

灌区膨胀土路基边坡的破坏，大多与土中裂隙有关，且滑动面的形成主要受裂隙软弱结构面所控制。

2.4超固结性

灌区膨胀土大多具有超固结性，天然孔隙比较小，干密度较大，初始结构强度较高。超固结灌区膨胀土路基开挖后，将产生土体超固结应力释放，边坡与路基面出现卸载膨胀，并常在坡脚形成应力集中区和较大的塑性区，使边坡容易破坏。

2.5强度衰减性

灌区膨胀土的抗剪强度为经典的变动强度，具有峰值强度极高、残余强度极低的特性。在大气风化作用带以内，由于土体湿胀干缩效应显著，抗剪强度变化比较大，经过多次湿胀干缩循环以后，粘聚力大幅度下降，而内摩擦角则变化不大。一般干湿反复循环2-3次以后强度即趋于稳定。

3灌区膨胀土的路基病害

灌区膨胀土是在自然地质过程中形成的一种多裂缝并具有显著膨胀特性的土体，由于前述的不良工程性质，在工程界被认为是隐藏的地质灾害，對工程结构具有严重的破坏作用。灌区膨胀土地区的公路发生的病害主要有以下几个方面：

3.1沉陷变形。

灌区膨胀土初期结构强度较高，施工时不易粉碎及压实，路堤建成后由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，土块崩解，在路面和路堤自重及汽车荷载作用下，路堤易产生不均匀下沉，路堤愈高，沉陷量愈大严重时可使路面变形破坏。

3.2滑坡。

滑坡具有弧形外貌，有明显的滑床，滑床后壁陡直，前缘平缓，主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现，具叠瓦状，成群发生。一般滑体厚为1～3m，多数小于6m。

3.3溜塌。

边坡表层、强风化层内的土体吸水过饱，在重力与渗透压力的作用下，沿坡面向下产生流塑状溜塌。溜塌多发生在雨季，与边坡坡度无关。

3.4纵裂。

路肩部常因机械碾压不到，填土达不到要求的密实度，后期沉降量相对较大，加之路肩临空，对大气风化作用特别敏感，干湿交替频繁，肩部土体收缩远大于堤身，故在路肩上常发生顺路线方向的开裂，形成数十米至上百米的张开裂缝，缝宽约2～4m，大多距路肩外缘0.5～1.0m。

4灌区膨胀土路基常用处理方式

4.1换填

即将灌区膨胀土换成工程性质较好的土质，换填深度应根据灌区膨胀土胀缩性的强弱和当地的气候条件确定。换土是灌区膨胀土路基处理方法中最简单有效的方法。由于各地的气候不同，各地灌区膨胀土的临界深度和临界含水量也有所不同，换土深度要考虑受地面降水的影响而使土体含水量急剧变化的深度，基本上在1～2m，即强灌区膨胀土为2m，中弱灌区膨胀土为1～1.5m，具体换土深度要根据调查后的临界深度来确定。换土一般适用于小面积换土，对于土源紧张的膨胀上地区而言，在道路工程中大面积、大体积换土是不切实际的[2]。

4.2湿度控制

由于灌区膨胀土路基具有显著吸水膨胀和失水收缩的特性，因此，首先应考虑尽可能对路基边坡和路肩土体采取保湿防渗措施，防止土体干缩湿胀而导致路基强度下降。湿度控制包括预湿和保持含水量稳定。为控制由于灌区膨胀土含水量变化而引起的胀缩变形，尽量减少路基含水量受外界大气的影响，需在施工中采取一定的措施。如利用土工布和粘土将灌区膨胀土路基进行包封，避免灌区膨胀土与外界大气有接触，尽量减少灌区膨胀土内部的湿度变化。

4.3改性处理

目前，国内外普遍采用石灰、粉煤灰、水泥等进行改良处治，亦可用其中的两种或三种进行综合处治。其中最常用的方法是掺石灰改良。石灰的固化作用是通过离子交换，次生碳酸钙胶结性、粘土颗粒与石灰相互作用形成新的含水硅酸钙、硅酸等新矿物而显现出来的。采用掺石灰改性灌区膨胀土，石灰剂量为4%～l2%，掺石灰改性后应达到胀缩总率小于0.7，以接近零为最佳，根据不同路段灌区膨胀土的具体情况，通过试验确定具体的掺灰率。

4.4边坡防护与加固

对于灌区膨胀土边坡，必须采取有效措施进行防护和加固。常用的防护和加固方式有：一种是土工格栅。充分利用土工网格的抗拉强度、土与网格的相互咬合摩擦作用对边坡进行加固。另一种是边坡支挡结构。

常用的边坡支挡结构有：

（1）网格式加筋土挡土结构稳定灌区膨胀土边坡；

（2）用土钉墙处理灌区膨胀土路堑边坡；

（3）十字形锚杆骨架护坡和梁形锚杆骨架护坡。

5结论

随着近年来工程的兴建，不少地区都遇到了灌区膨胀土施工问题，许多新建路基在施工—过程中就开始出现各种变形病害，有的地段土基一边施工开挖，一边溜塌、坍滑，有的地段土基刚刚施工建成，则出现整段土基吸水膨胀软化，地基表层膨胀，导致无法铺筑路面等。由于灌区膨胀土的这种特殊工程性，易使这些地区的工程建筑，特别是水工建筑遭受严重的破坏，造成巨大的经济损失。因而日益引起政府有关部门和学术界、工程界的高度重视。

参考文献：

[1]岩土工程师实用手册[M].化学工业出版社，崔可锐，2007.

[2]理论土力学[M]. 中国水利水电出版社 ，沈珠江著， 2000.

[3]工程建设中的膨胀土问题[M]. 中国建筑工业出版社 ，刘特洪著，1997.