浅析膨胀土工程特性及处理措施研究

卢旺

中国建筑材料工业地质勘查中心陕西总队 陕西 西安 710003

膨胀性岩土主要由黏土矿物组成，具有良好的亲水性能，当环境温度和湿度发生变化时，膨胀性岩土会发生体积变化，并产生明显的内应力。近年来，我国工程建设飞速发展，为进一步提升工程建设质量和安全，在工程建设中遇到膨胀性岩土，必须加强工程地质勘察工作，尤其需要注重膨胀性岩土的勘察和处理。

本文旨在通过对膨胀土的工程特性进行研究，解析膨胀土地区的主要病害，对膨胀土的地基处理提出合理建议，并结合案例分析评价处理效果。

1 膨胀土的工程特性

膨胀土的工程特性主要有两种，一种是物理特性，另一种是的力学特性。

（1）膨胀土的物理特性

膨胀土的物理特性[1]主要表现在五个方面：①胀缩性：膨胀土吸水膨胀，失水收缩；②崩解性：膨胀土失水体积收缩，在重力作用下脱离母体而发生崩解。强膨胀性越强，崩解也更显著[2]；③裂隙性：随着不断地涨缩变化，使得土体结构松散，造成土体表面的应力集中，裂隙便在土表面产生，且随着时间不断向土体内部发展形成裂隙；④膨胀土一旦开挖形成超固结，应力释放，原本结构致密的土体被破坏，导致土的强度变低，这便是超固结性；⑤地基开挖暴露在环境中，易风化破坏，产生碎裂、剥落和泥化等现象，这是风化特性[3]。

（2）膨胀土的力学特性

膨胀土的力学特性主要体现在结构特征、渗透性、强度和变形等四个方面：①膨胀土地层表面裂隙较为发达，这成为了良好的导水通道，这便是结构特性[4]；②膨胀土具有极小的渗透性，随着含水率的增加，渗透系数在一定范围内先减小，达到一定程度后，渗透系数逐渐增大，这便是渗透性；③膨胀土的峰值强度一般比较高，然而膨胀土一旦失稳破坏，其抗剪强度却快速下降[5]；④膨胀土的变形主要有荷载作用下的压缩变形和与气候共同作用下的湿胀干缩变形。

2 膨胀性岩土的主要病害

膨胀性岩土是软岩的一种，受环境温度、湿度的影响，其体积会随之发生改变[6]。因此，膨胀性地区经常发生坍塌、剥落、滑坡等一系列地质问题，进而影响工程施工、安全和质量，具体表现如下：

①膨胀性岩土坍塌的主要原因是土体在经受不断地胀缩过程使得岩土体结构发生变化从而发生坍塌。膨胀性岩土主要包括黏土、第三系泥岩等，当土壤的膨胀力超过地面承载力时，坍塌现象就会发生，坍塌裂缝会贯穿整个地面；②膨胀性岩土滑坡是由于土体中的亲水矿物在吸水后容易膨胀，上部岩土体下滑力增大，抗滑力减弱，进而失去稳定性，而发生滑动；③在干燥环境中，膨胀性岩土更容易发生剥落，在泥岩边坡表面，泥岩失水体积收缩，在重力作用下脱离母体而发生崩解。一般来说，膨胀性越强，剥落问题也更严重；④坡面冲蚀：膨胀性岩土因涨缩性的原因，一般土体结构较为松散，稳定性较差。在雨季或地表径流作用下，膨胀性黏土坡面容易受到水流冲刷的影响，从而破坏坡面完整性[7]。

3 膨胀土地区的工程地质勘察

工程地质勘察在工程项目中扮演着重要的角色，通过进行有效的地质勘察工作，可以及时发现存在的隐患问题，并提出处理措施建议。膨胀土地区的工程地质勘察工作主要包括以下内容：

（1）查明工程地质条件：工程地质勘察的首要目的是查明工程地质条件，通过勘察，可以查明膨胀土的类型、分布范围、土层厚度、发育规律、现状特征等基本情况，特别要查明地下水的埋深及分布情况，这对工程设计和施工具有重要意义。

（2）查明不良地质情况：工程地质勘察需要评估地质灾害发生风险，如膨胀土地区的滑坡、崩塌、地面沉降等，以此判断膨胀土地区的场地稳定性，为减少地质灾害风险提供依据。

（3）查明水文地质条件：勘察需要查明地下水的赋存条件、渗透规律和地下水的化学成分，因为有效地防止水分渗入土体，减少土体吸水和膨胀量，才能有效地阻止膨胀土对工程的侵蚀和破坏。

（4）查明膨胀土物理力学性质：在完成工程地质勘察后，需要对原位测试及试验数据进行物理力学统计和综合评价，这些数据是土体工程地质性能的直接反映，是设计依据的必要地质参数。

（5）提出处理措施建议：对工程地质条件进行分析和总结，对查明的膨胀土分布范围及覆盖厚度进行论述，判定涨缩等级，提供地质参数，评价其稳定性，提出合理的防治建议和施工注意事项等内容。

4 膨胀土地区的处理措施

4.1 预防措施

预防措施是为了在工程建设之初，采取一系列的措施，从根本上防止膨胀土的发生和发展，预防措施包括以下方面：

（1）加固土体：采用加筋土工墙、草方筏基础等加固土体措施，可以增强土体的抗拉性能和抗剪强度，防止土体的变形和破坏。

（2）防止水分渗入：采用人工铺设隔离材料、自然隔离等隔离处理措施，如防水层等，可以有效地防止水分渗入土体，减少土体吸水和膨胀量，有效地阻止膨胀土对工程的侵蚀和破坏。

（3）加强排水：采用水平和垂直排水、地下水位降低等措施，可以有效地减少土体吸水和膨胀量。

（4）控制荷载：采用加厚填土、降低建筑物高度等措施，可以有效地减少荷载对土体的影响，控制膨胀土的变形和破坏。

4.2 治理措施

（1）换填法：解决膨胀土问题，最简单的方法就是根据膨胀土的厚度及强弱和大气影响深度确定换填深度，挖除膨胀土，换填好土，如非膨胀土或细粒土等。

（2）物理化学改性：通过在膨胀土中加入改性剂，这些掺料可以有效的降低膨胀土的胀缩性。

（3）封闭包盖法：通过上覆其它土层对膨胀土进行封闭，阻隔大气循环作用，且造价低，施工便利。

（4）退化治理：采用降低地下水位、加强排水、人工补偿和注浆加固等退化治理措施，可以使膨胀土发生退化，减轻其对工程的影响。

（5）加固处理：采用注浆、加筋土工墙、固结加固、土改物等加固处理措施，可以增强土体的抗拉性能和抗剪强度，防止土体的变形和破坏，使其具有更好的工程性能和稳定性。

（6）支挡治理：对于因膨胀土而产生的病害问题，可以设置预应力锚索、土钉锚杆、重力式挡土墙、抗滑桩等强支护措施。

5 工程案例分析

为深入了解膨胀土地区的岩土工程问题和处置措施，本节以“广西南百高速K773+760～K773+960左侧膨胀土路堤滑塌”为案例，为工程建设提供参考范例。

5.1 工程概况

广西南百高速于2007年12月通车运，2016年9月K773+760～K773+960路段左侧路堤发生变形，路堤边缘形成约0.8～1.8m 的错台，建设单位立即展开应急处治措施：①挖除已变形的松散土体；②路堤底部修建重力式挡；③墙顶利用好土回填压实；④仍在蠕变的路段左侧路堤采用树根桩对路堤边坡坡体进行加固，树根桩矩形布置。2016年12 月完成施工，但完工后根据监测数据，左侧路基施工完成后仍在继续变形，到2017 年3 月下行线主车道路面发生滑塌，形成错台高达1.8m，路堤底部挡墙被完全冲出破坏，路面也出现纵横向裂缝[8]。

5.2 工程地质条件

病害地带属于构造剥蚀残丘地貌，地形起伏较小，坡面高差约30m。地层主要为填土、残坡积黏土，下伏古近系始～渐新统百岗组（E2b）泥岩。场区内未见地质构造发育。地表水主要为大气降雨及右江河水；地下水主要为松散覆盖层中孔隙水、岩基岩裂隙水为主。

5.3 岩土体工程地质特征

经过详细勘察及土工试验结果：

素填土（Q4me）：成分为粉质粘土混卵砾石，自由膨胀率大于30%，胀缩总率介于1～2.5%之间，相对膨胀率δxe50 介于0～0.7%之间，弱胀缩。

黏土（Q4el+dl）：自由膨胀率大于34%，胀缩总率＞4.5%之间，相对膨胀率δxe50＞0.7%，属A1 亚类，强胀缩土，土层天然含水量介于缩限和胀限之间，天然状态下遇水膨胀，失水收缩，在压力荷载条件下，以收缩变形为主。

全风化泥岩（E2b）：同黏土，自由膨胀率大于34%，胀缩总率＞4.5%之间，属A1 亚类，强胀缩土。

强～中风化泥岩（E2b），暂无膨胀性，但具强崩解性，崩解后与全风化泥岩性状相近，具备成为强胀缩土的潜势。

5.4 滑塌原因分析

综合滑塌体的工程地质特征及形成条件，坡体主要由素填土组成，稍密状，具弱胀缩性，下部地层为黏土（Q4el+dl）和全风化泥岩（E2b），二者属强胀缩土，天然状态下遇水膨胀，失水收缩，并受右江水流不断的浸润土体，粘土饱水时间增长，土体抗剪能力逐步降低，挡墙抗滑能力逐渐变差。而后缘土体的上层滞水，受气象及蒸发作用影响，地下水位在地基土中上下浮动，地基土经历多次干湿循环，产生胀缩荷载，并在胀缩累积荷载的作用下，土体内部裂隙增多、增大，储水、输水条件逐渐加强，干湿循环的强度进一步增大，而土体强度则快速变差，同时坡脚挡土墙抗滑能力也变差，最终产生滑塌。

5.5 稳定性计算

边坡正处于滑动状态，非正常工况Ⅰ（自重+暴雨）条件下安全系数取 0.95，按已知潜在滑动面及安全系数情况，以计算临界稳定状态下剪切破坏带岩土层剪切参数c、φ值为计算目标，各岩土层参数按表1选取，反演验算结果见表2。

图1 正常工况Ⅰ边坡整体稳定安全系数计算结果图

表1 岩土层物理力学参数推荐值表

表2 滑面参数反算成果表

通过计算发现，路堤边坡在设置抗滑桩后如不在坡体内布设土工格栅筋材，在非正常工况Ⅰ下边坡整体安全系数为1.188，无法满足《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）表3.6.11 对应工况下的安全系数要求，且还需考虑天然地基对路堤填土的胀缩荷载，故而建议对边坡回填方还须进行加筋处理。

5.6 处置方案

综合病害段工程地质、水文地质和路堤滑塌形成原因，我提出采用综合处置方案：①采用在滑坡后缘设置两排钢板桩进行临时防护，确保路面车辆及工程施工安全；②对路堤填土采用加筋柔性防护处理，填土背部设置碎石排水带、背前碎石排水盲沟排水结构带，坡底设置片石反压区，多层次排出坡体深层地下水；③坡脚以中风化泥岩为持力层设置抗滑桩，并在病害段两侧路堤底部设置抗滑桩板式挡墙，并做好封底工作；④对边坡回填方进行加筋处理；⑤对路基进行注浆加固，对路面进行重铺；⑥加强路基边坡监测工作。

通过采取的一系列综合处置措施，膨胀土路段路堤失稳问题得到了很好的控制，为道路的质量可靠和安全运营得到了有效保障，更为膨胀土地区同类病害处置问题提供了参考范例。

6 结语

本文对膨胀土的工程问题进行了深入探究和分析，总结了膨胀土的工程特性及主要病害特征，膨胀土地区的工程地质勘察及处理措施研究、工程案例分析等方面的内容。笔者认为只有不断探索和创新，加强技术研发和实践应用，才能有效地解决膨胀土地区的工程地质问题，希望未来的研究能够进一步拓展和深入，为膨胀土地区的岩土工程问题提供更加科学、可靠的解决方案和理论基础。