膨胀性裂土病害产生机理及综合防治措施研究★

张德龙，苗学云，沈朝政

(1.青藏铁路集团有限公司格尔木工务段,青海 格尔木 816000; 2.中铁西北科学研究院有限公司,甘肃 兰州 730000;3.青海省冻土与环境工程重点实验室,青海 格尔木 816000; 4.南京工业大学交通运输工程学院,江苏 南京 210009)

膨胀土问题目前已成为世界性的特殊岩土工程问题,膨胀土胀缩引起房屋建筑、机场、铁路、公路、水坝、矿井破坏,在美国、加拿大、沙特阿拉伯、意大利等国已有大量报道。膨胀土在我国205个县(市)均有分布,穿越膨胀土地区的铁路干线堑坡、路堤、基床及建筑物均遭到轻重不等的危害[1-2]。

膨胀土结构特殊且含有膨胀性的黏土矿物,遇水产生体积增大、失水产生体积收缩,如果约束其体积增大,则产生相应的膨胀压力,这种性质称之为膨胀土的胀缩特性[3]。

随着经济建设的发展,国外从20世纪30年代开始注意到膨胀土或膨胀岩的破坏现象,并进行了相关研究。50年代末期,有研究学者开始在室内用固结仪定竖向膨胀力。室内侧向膨胀力和原位胀缩特性试验在60年代后期开始逐步进行。由于各行业部门的侧重面不同,膨胀力的量测和应用现状还较落后,世界上仅有少数国家在有关建筑物的设计规范中,依据实测结果列出相关考虑膨胀力的条文。

竖向胀缩特性对建筑结构物产生影响和破坏,主要表现在房屋建筑和水工结构物的不均匀沉降和开裂上,近年来国内外资料报道过大量的实例。陈孚华[4]曾介绍过许多地板开裂、房屋变形、桩基受剪等破坏事例;琼斯和霍尔兹曾估计膨胀土在美国所造成的损失每年达22.5亿元,已超过了洪水、飓风、地震、龙卷风每年所造成平均损失的总和;膨胀土在苏丹每年的损失量估计已超过600万美元;国内膨胀土造成的破坏也是非常严重的,据不完全统计,我国铁路穿越膨胀土地区的累计里程已占运营里程的1/6,每年用于维修的费用高达数千万元[5-6]。此外,在援外工程中,曾发生过这种土地基大规模开裂破坏的事例,这不但使我国和受援国都蒙受了巨大经济损失,而且也影响了我国援外工程的声誉。

文章主要通过文献调研、理论分析并结合中铁西北院已有的研究成果,归纳总结了膨胀土的胀缩特性、破坏类型以及对堑坡稳定性作用,并在此基础上提出了目前膨胀土地区病害防治措施,以上研究成果可为膨胀土地区相关工程建设提供技术指导。

1 膨胀土微观病害产生机理

1.1 膨胀土颗粒组成及分类

1.1.1 矿物组成和粒径成分

膨胀土的成分主要由黏土矿物和膨胀性矿物组成。其中,黏土矿物包含氧化铝、硅酸盐和水,具有很强的吸附性和黏性。膨胀性矿物则是一种含水量较高的矿物,其晶体结构中含有较多的孔隙和空隙,使得其在水分作用下容易膨胀[7]。膨胀土的颗粒成分如表1所示,我国分布的膨胀土主要为黏土或粉质黏土。

表1 膨胀土的粒径组成

1.1.2 膨胀土分类和判别

铁路工程分布面广且项目繁多,所遇到的膨胀土土质差异较大,各项工程建筑对土质的要求也有区别。故采用按特性指标划分分类标准值,如表2所示,针对不同类型工程项目的需要,结合各地区铁路工程的经验,综合权衡技术规范、规定、设计原则等,力求达到既能表达膨胀土的特性,又能适应生产实际的需要。

表2 膨胀土按特性指标分类表

1)表2中α为辅助判别指标,只限于原状土的指标。

其中,φf为峰值内摩擦角;φr为残余内摩擦角。

2)分类等级。a.“弱”为“膨胀土强度衰减微弱”;b.“中等”为“膨胀土强度衰减中等”;c.“强”为“膨胀土强度衰减强烈”。

3)按野外地质特征及自由膨胀率(Fs)两项条件进行综合判别的方法如下:

a.当野外特征符合如表1所示的条件,Fs不能满足不小于40%时:

Fs>35%,定为膨胀土;Fs≤35%,定为非膨胀土。

b.当野外特征不符合如表1所示的条件,虽然满足Fs≥40%,但规定:

Fs<45%,定为非膨胀土;Fs≥45%,定为膨胀土。

1.2 病害微观机理

由于自然地质作用形成的土的组织结构的复杂性,土的胀缩机理也极其复杂,目前胀缩特性可能与三种机理相关:

1)黏土矿物晶格扩张。黏土矿物根据内部结晶质的排列不同分为三大类:蒙脱石类、伊利石类和高岭石类。尽管它们都是由两种基本单位SiO4四面体和Al-(OH)八面体所构成[8]。但是由于两种基本单位间联系的不同,造成了它们与水结合时体积变化的差异。蒙脱石类体积变化大,有时可增大达20倍,而高岭石的体积变化很小,伊利石居中。

2)双电层水化膜作用。黏土微粒对极性水分子和水化阳离子有吸附作用,围绕土粒形成了由强结合水和弱结合水组成的水化膜(双电层),黏性土中的黏土颗粒不是直接接触的,而是通过各自的水化膜彼此联接起来。由于黏土含有大量的黏土颗粒,含水量的增减,导致水化膜扩散层厚度的增大或减小,这种水化膜厚度的变化,其结果必然是膨胀土体积的胀缩[9]。

3)超固结土的卸荷膨胀。随着土体开挖,超固结土发生卸荷膨胀,使土体内长期积蓄的应变能逐渐释放,片状和针状的黏土颗粒发生全部或部分的弹性恢复,或发生黏粒排列的变化,造成体积增大。超固结卸荷引起的膨胀的速率是随时间而衰减的,并且这种膨胀是不可逆的[10]。

2 膨胀土病害类型及其堑坡稳定性

2.1 膨胀土堑坡破坏类型

堑坡变形现象种类繁多,根据现场调查和分析,针对其较普遍的变形现象,按其不同的变形特征,分为坡面冲蚀、表层溜坍、边坡坍滑和滑坡四类,各种变形现象的变形特征见表3。

表3 膨胀土破坏类型划分表

1)坡面冲蚀。是膨胀土堑坡坡面变形的一种常见现象,以小冲沟(鸡爪沟)的形式出现,影响深度一般在0.3 m以内,常见的0.1 m～0.2 m。产生坡面冲蚀的主要原因是由于坡面开挖,膨胀土暴露于大气之中,遇水崩解膨胀,失水收缩干裂,破坏了土体的原始结构,呈粒状黏土碎屑,在雨水的集中作用下,冲走部分松散土粒而形成。

2)表层溜坍。系指堑坡表层土体在饱和情况下,产生推移式从坡面溜出的变形现象。它一般发生在堑坡的强风化层内,深度在0.5 m～1.0 m之间,很少超过1.5 m。

发生表层溜坍的原因主要是强风化土体经过干缩湿胀的往复作用,原始结构已遭到破坏,裂隙发育,雨季中,雨水使土体处于流塑状态,强度极低,在重力和渗流压力的作用下,饱和土体产生塑流状推移所致。因此溜坍只能在雨季产生,它可以发生在很缓的边坡上。

3)边坡坍滑。系指因边坡过高、过陡而产生的一种旋转型滑动现象。其破坏面的形状上陡下缓,近似圆柱形曲面。破裂壁依附于张拉裂隙形成,倾角一般在70°以上,滑裂面上常可看到灰绿色的裂隙黏土充填物。坍滑体的厚度一般在3 m～5 m之间。

边坡坍滑产生的主要原因是:

a.边坡设计不合理,过高过陡;b.由于膨胀土超固结性带来的初始应力场的影响,高水平应力造成高剪应力;c.裂隙破坏了土体的连续性和原始结构,大大削弱了土体的强度,降低了抵抗剪应力的能力,造成局部应力集中;d.裂隙为水的浸入提供了有利的条件,为强亲水矿物提供了足够的水量,加速了膨胀变形、应变软化和风化作用等。

4)滑坡。系指滑体物质,以坡顶斜坡为主,由于边坡开挖切断了软弱层以及其他原因致使堑顶斜坡土体滑动的变形现象,其中包括由边坡坍滑逐级牵引堑顶斜坡滑动,最后以整体形式下滑的变形现象。

膨胀土地区的滑坡也是一种极其普遍的变形现象。它的主要特点是规模较小,厚度不大,多呈逐级牵引的形式出现,滑面倾角较缓,与滑体表面坡度大体一致。滑体含水量小呈软塑与可塑状。滑体裂缝密布,呈阶梯形叠瓦状,变形以平移为主。

滑坡的产生虽然与边坡开挖有一定的关系,但与边坡的坡高坡比并无直接联系,如放缓边坡,并不能解决滑坡的问题。因此,必须将滑坡与边坡坍滑加以区别。

2.2 膨胀土对堑坡稳定性的作用

1)对膨胀土堑坡表层的作用。由于膨胀土中含有亲水性黏土矿物,具有干缩湿胀特性,堑坡如果未经过防护,则一开始就会经历干缩湿胀循环对膨胀力的影响,在该作用力下,表土原始组构逐渐破坏,裂隙逐渐发育,土质松散容重降低,使得1.0 m附近的表土的无侧限抗压强度降到最低值。这些因素造成了膨胀土堑坡表土极易吸水饱和,在重力增加和强度大大降低的条件下发生溜坍。它大多发生在1.0 m附近,和边坡变形观测资料是吻合的,也和膨胀土堑坡内随深度的指标变化相吻合[11]。

综上所述,使膨胀土表层土性变坏的决定因素是膨胀土的干缩湿胀特性。要防止堑坡膨胀土表层溜坍,唯一的方法就是对裂土堑坡坡面进行防护,防护的形式应根据膨胀土的性质而定。但对于植物防护,宜采用防止冲刷性能好、根系可延伸到强活动层以下的多年生草本植物和灌木植物相结合的方式。

2)对堑坡稳定性的作用。通过对膨胀土堑坡土体含水量的观测,膨胀土堑坡含水量受降水、蒸发等因素的影响,周期性地发生变化。含水量增加会使土体产生膨胀并产生相应的膨胀力,含水量减少会使土体发生收缩并产生裂隙[12]。膨胀土堑坡长期受气候变化所造成的堑坡胀缩变形,从表4中可以看出干缩湿胀变形主要集中在强活动层和弱活动层这两层膨胀土中,其变形量占堑坡总变形量的95%以上。通过变形观测表明这种胀缩变形影响深度可达4 m～5 m。干缩湿胀作用使膨胀土堑坡土体的强度有所降低,同时含水量的增加会使膨胀土堑坡土体内部产生膨胀力[13]。

表4 膨胀土堑坡干缩湿胀变形累计表

雨季堑坡土体容量的增加和强度的降低,造成了裂土堑坡在雨季大量出现堑坡坍滑等不良地质现象。

3)对支挡建筑物的作用。膨胀土中由于亲水矿物的存在,遇水就要膨胀,而膨胀受阻时就要对建筑物在其上的各类建筑物产生相应的膨胀压力。因此在膨胀土地区设计支挡建筑物时,除了考虑土压力外,还需要考虑由于含水量可能变化所产生的膨胀力[14]。

裂土堑坡变形量主要集中在强活动层和弱活动层中,若考虑干缩湿胀变形累计量的85%的膨胀土厚度时,垂直方向只需考虑1.2 m,水平方向只需考虑2.0 m对支挡建筑物的影响。在支挡建筑物和膨胀土之间回填膨胀土,宜考虑用砂垫层。

3 膨胀土地区病害防治技术措施

3.1 路基病害防治措施

1)边坡坡度。一般来说,由于膨胀土的特殊性,其边坡坡度应比一般黏性土地区的坡度放缓1级～2级。但对3 m～5 m以下的较低边坡来说,在某些条件下是可以不必放缓的,不过需有坡脚挡墙及坡面防护等措施加以保证[15]。

2)平台。除侧沟平台之外,较高边坡一般需要半坡平台,它对减小边坡的相对高度和减小坡脚出现较大的应力集中均很有作用,还必需辅以其他的措施。

3)基床。按规范要求,膨胀土不能用来作基床土,通常采用封闭隔离、换土换碴、作纵横向盲沟排水、垫沙垫石碴、作混凝土或浆砌片石的刚性基床等[16]。

3.2 边坡防护措施

目前解决膨胀土边坡病害问题的方法中,从已有广泛讨论和应用的情况看,可分为两大类:改性法和封闭法。

1)改性法。其是通过土壤改良的一种护坡方式,一般采用水泥或石灰土进行改良,将改良土与膨胀土进行置换,从而避免膨胀土遇水膨胀后病害产生[17]。

2)封闭法。一般应用于弱膨胀土边坡,采用混凝土或水泥土将边坡面进行封闭,减小外部水分深入膨胀土边坡,通过封闭的防护层来隔绝外界水分侵蚀作用,从而保护边坡的稳定性。

3)其他措施。对于滑面埋藏较深、有明显滑动或滑动趋势较为明显的膨胀土边坡,要考虑用支挡措施来保持膨胀土边坡稳定,常用的方法有:挡土墙、抗滑桩。

3.3 建筑物防护措施

1)浆砌片石护坡。浆砌片石护坡是采用砂浆与毛石料砌筑的砌体结构,石料属不规则形状,短边厚度15 cm左右,有时也用块石,一般接近长方体的为片石,接近正方体为块石,一般采用坐浆法进行砌筑。该方法为膨胀土地区使用最多的一种边坡防护形式,也是最有效的一种工程措施[18]。

2)坡脚挡墙。膨胀土地区边坡下部均设置坡脚挡墙,一般2 m～3 m高,基底放在侧沟或路堤坡脚地坪以下0.5 m左右(滑坡地段除外)。

3)骨架护坡。一般有方格形和拱形两种形式,骨架宽0.4 m左右,嵌入边坡内的深度为0.3 m～0.5 m,骨架间距为3 m～5 m。

3.4 其他防治措施

1)膨胀土地区路堤边坡防治溜坍的工程措施建议采用边坡渗沟,渗沟宽1.5 m～2.0 m,嵌入边坡内的深度一般为2 m,沟底用浆砌片石封底,并作成台阶,以适应边坡坡度[19]。

2)膨胀土地区路堤与路堑边坡存在的坡面冲蚀病害,建议采用草皮护坡可以减少一些边坡溜坍[20]。

4 结论

1)膨胀土的胀缩机理是极其复杂的,主要成因为膨胀性颗粒成分及结构变性特征引起的膨胀与收缩,其变形机理主要与内部晶格扩张、水化膜扩散层厚度变化以及超固结土发生卸荷膨胀有关。

2)根据膨胀土胀缩特性,从病害产生的位置、形态特征、变形原因及破坏速度等角度,划分了膨胀土“四类”破坏类型,分别为坡面冲蚀、表层溜坍、边坡坍滑、滑坡。

3)通过堑坡深度、垂直方向、坡顶及坡底水平方向变形量提出了膨胀土堑坡四个活动层,即0 m～1.2 m为强活动层;1.2 m～2.5 m(水平3.0 m)为弱活动层;2.5 m(水平3.0 m)～4.0 m(水平5.0 m)为微活动层;4.0 m(水平5.0 m)以下为不活动层。

4)针对膨胀土地区不同病害情况,根据其病害产生的原因,采取的主要技术措施为放坡、土壤改性、结构物支挡、防排水及植物护坡等,具体防治措施应结合病害成因分析基础之上,针对性的选择以上措施进行处置,考虑安全冗余原则,可采取综合各项措施进行整治。