馬恒春 靳國(guó)禮

1 概述

膨脹土是在自然地質(zhì)過(guò)程中形成的一種多裂隙并具有顯著脹縮性的地質(zhì)體，粘粒成分主要由強(qiáng)親水性礦物蒙脫石及其混層粘土礦物組成，具有超固結(jié)性、裂隙性、遇水膨脹、失水收縮開(kāi)裂且反復(fù)變形等與正常固結(jié)粘土不相同的工程性質(zhì)。由于其不良工程特性導(dǎo)致的工程問(wèn)題或地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生以及在世界各國(guó)的廣泛分布，膨脹土及其工程問(wèn)題一直是當(dāng)今巖土工程和工程地質(zhì)領(lǐng)域中世界性的重大工程問(wèn)題之一。

2 膨脹土路塹邊坡的破壞類(lèi)型

膨脹土路塹邊坡的破壞可分為三種類(lèi)型:受風(fēng)化作用層控制的淺表層破壞模式;受裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面控制的淺層破壞模式;受層間軟弱結(jié)構(gòu)面控制的破壞模式[1]。

3 膨脹土路塹邊坡的破壞機(jī)理

1)膨脹土的脹縮機(jī)理。膨脹土脹縮機(jī)理可以理解為具有晶層結(jié)構(gòu)的蒙脫石或蒙脫石混層礦物，在電解質(zhì)溶液的作用下，土中的水分子受到層間交換性陽(yáng)離子的靜點(diǎn)勢(shì)、組成晶層的正負(fù)離子的靜電作用、氫鍵、滲透壓、層間相互作用力、層間陽(yáng)離子與晶層間作用力、范德華力和土處于非飽和狀態(tài)下的基質(zhì)吸力等的共同作用，具有溢出層間的收縮勢(shì)和使空隙水分進(jìn)入層間的膨脹勢(shì)，使得膨脹土失水收縮，吸水膨脹[2]。2)膨脹土的干燥活化和機(jī)械活化作用。大量膨脹土原狀樣膨脹性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果表明，無(wú)論是膨脹力還是不同荷載下膨脹變形量指標(biāo)均不大，且土的膨脹勢(shì)大小的影響并不顯著，這無(wú)法解釋膨脹土地基上所發(fā)生的強(qiáng)烈變形現(xiàn)象。但風(fēng)干后樣品膨脹性指標(biāo)測(cè)定結(jié)果卻表明，無(wú)論是膨脹力還是不同荷載下膨脹量卻是天然土的5倍～10倍，因此干燥失水后雨季的強(qiáng)烈吸水膨脹變形和巨大膨脹力將是膨脹土地基和路面強(qiáng)烈隆起變形的根本原因。公路瀝青混凝土路面普遍發(fā)生的隆起變形和鐵路路基發(fā)生的坍塌破壞，除與水分聚集有關(guān)外，也與地基土夯實(shí)碾壓重塑后結(jié)構(gòu)遭到破壞的機(jī)械活化以及火車(chē)動(dòng)荷載的反復(fù)作用形成路床土的機(jī)械活化密切相關(guān)。3)膨脹土的裂隙性(不連續(xù)性)。裂隙性主要是指膨脹土中密集分布的以低角度為主的剪切裂隙(而不是指土體表面上寬下窄的垂直收縮裂隙)。根據(jù)分布形態(tài)和力學(xué)特性，膨脹土的裂隙可分為:干燥收縮裂隙、卸荷裂隙、膨脹裂隙、構(gòu)造裂隙等。大量的工程勘測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)研表明，膨脹土的裂隙性對(duì)建筑物地基來(lái)說(shuō)并不十分關(guān)鍵，但對(duì)暴露于大氣中的公路、鐵路及水渠的邊坡卻是至關(guān)重要的，也是造成膨脹土地區(qū)道路建設(shè)中“逢塹必滑”的重要原因。4)膨脹土的超固結(jié)性。大量研究和調(diào)查表明[3]，超固結(jié)性粘土的水平應(yīng)力比自重應(yīng)力大1倍～2倍，因此超固結(jié)硬粘土淺層高的水平應(yīng)力導(dǎo)致邊坡開(kāi)挖中在高水平應(yīng)力作用下強(qiáng)烈的卸荷松弛效應(yīng)的發(fā)生，造成微裂隙間的位移、張拉，土體松脹即大變形作用的發(fā)生，即所謂的“應(yīng)變軟化效應(yīng)”，并在坡腳處形成大范圍的剪應(yīng)力集中區(qū)，從而降低邊坡的穩(wěn)定性。5)膨脹土的強(qiáng)度衰減性。所謂強(qiáng)度衰減特性是指巖土體在水的作用下強(qiáng)度強(qiáng)烈降低的性質(zhì)，雖然任何巖土在水的作用下其強(qiáng)度都有浸水軟化現(xiàn)象，但由于膨脹性硬粘土的應(yīng)變軟化效應(yīng)以及在邊坡開(kāi)挖過(guò)程中因土體暴露而發(fā)生的強(qiáng)烈干燥失水作用所引起的吸力勢(shì)增高，當(dāng)雨季到來(lái)，在坡面水流作用下不僅造成裂隙充水，而且發(fā)生土塊強(qiáng)烈吸水膨脹作用，因此體積膨脹的同時(shí)造成抗剪強(qiáng)度的強(qiáng)烈衰減，其抗剪強(qiáng)度的衰減率可達(dá)20%～50%[4]。因吸水膨脹作用所發(fā)生的強(qiáng)度衰減作用隨深度增加而減少，強(qiáng)度衰減的空間變化決定膨脹土滑坡的淺層性?？傊?，膨脹土路塹邊坡破壞往往具有成群分布、淺層性、牽引性、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造性以及多次滑動(dòng)性、潛伏性等特點(diǎn)，它們主要受到邊坡開(kāi)挖效應(yīng)的影響，即裂隙性及其結(jié)構(gòu)控制作用、超固結(jié)性與應(yīng)變軟化效應(yīng)、膨脹性與強(qiáng)度衰減性效應(yīng)，也就是說(shuō)地質(zhì)構(gòu)造、土質(zhì)條件以及氣候因素是產(chǎn)生破壞的前提條件，水則是造成破壞的直接肇因。

4 處治時(shí)應(yīng)考慮的因素

膨脹土對(duì)道路路基工程具有特殊的破壞作用，修筑在膨脹土地區(qū)的公路和鐵路路基幾乎都是“逢塹必滑，有堤必坍”，而且這種破壞作用還具有多次反復(fù)性和長(zhǎng)期潛在危害性。因此研究膨脹土路基邊坡處治方案設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)特別重視以上問(wèn)題，根據(jù)膨脹土特有的工程性質(zhì)以及其破壞規(guī)律，并結(jié)合我國(guó)實(shí)際國(guó)情，提出切合實(shí)際且有較好針對(duì)性和經(jīng)濟(jì)性的專(zhuān)門(mén)處治措施，如剛?cè)嵯酀?jì)、柔性支護(hù)等措施。在處治中應(yīng)考慮以下因素:

1)膨脹土地質(zhì)災(zāi)害的分布具有鮮明的地域性，即某些地域膨脹土地質(zhì)災(zāi)害異常嚴(yán)重，而某些地域則比較輕微。產(chǎn)生這種地域性分布的原因:a.與土的成分和性質(zhì)有關(guān);b.與各地域的氣候干濕條件有關(guān)。2)在研究中，應(yīng)做好模擬干濕循環(huán)條件下的膨脹土邊坡的原位強(qiáng)度試驗(yàn)和開(kāi)挖膨脹土邊坡的現(xiàn)場(chǎng)跟蹤觀測(cè)，并在此基礎(chǔ)上建立更適于膨脹土路基邊坡破壞模式的穩(wěn)定性分析方法。3)用保濕防滲的思想進(jìn)行膨脹土路堤包蓋處理時(shí)，涉及到封閉厚度的確定及封閉效果評(píng)價(jià)的問(wèn)題，因此，應(yīng)確定膨脹土活動(dòng)層深度。4)膨脹土的路基工程問(wèn)題說(shuō)到底還是個(gè)地質(zhì)問(wèn)題，千萬(wàn)不能脫離其工程所在地的地質(zhì)特征來(lái)進(jìn)行研究或開(kāi)展設(shè)計(jì)，應(yīng)重視把握施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際地質(zhì)情況。5)膨脹土路塹邊坡防護(hù)措施的選型及設(shè)計(jì)應(yīng)考慮配套的綜合排水系統(tǒng)。

5 工程實(shí)例及原因分析

由于含水量的變化是膨脹土體積變化的本質(zhì)和核心，也是膨脹土地區(qū)公路、鐵路路基發(fā)生破壞的主要肇因，因此膨脹土地區(qū)路基處治的原則主要是保濕防滲，也就是設(shè)法采取措施保證邊坡土體含水量不發(fā)生大的變化。圍繞這個(gè)思路，鐵路、公路部門(mén)在膨脹土地區(qū)修路時(shí)，如遇到開(kāi)挖的邊坡穩(wěn)定性不足，通常采用剛性支護(hù)措施，如抗滑樁、擋土墻以及聯(lián)合這兩種結(jié)構(gòu)物進(jìn)行加固，而對(duì)于大面積的膨脹土邊坡坡面，主要采用全封閉的漿砌片石、掛網(wǎng)噴漿等進(jìn)行防護(hù)。

1)國(guó)內(nèi)鐵道部門(mén)較早開(kāi)展膨脹土路基邊坡穩(wěn)定技術(shù)研究，采用最多的是剛性支護(hù)和坡面全封閉措施，南昆鐵路林逢車(chē)站某路塹防護(hù)與加固方式(擋土墻+分級(jí)漿砌片石護(hù)坡)就是典型的全封閉支護(hù)措施，但是并沒(méi)有收到預(yù)期的效果，邊坡全封閉工程還不能適應(yīng)膨脹巖體的碎裂性和低強(qiáng)度性。全封閉的防護(hù)工程，如漿砌片石、噴射混凝土或加短錨桿，雖有一定的保墑、防止脹縮的功效，但經(jīng)工程實(shí)踐表明，對(duì)碎裂、低強(qiáng)度的塹坡弊大于利。全封閉工程阻礙裂隙水的排泄，巖體含水量的增加會(huì)導(dǎo)致強(qiáng)度降低尤其是結(jié)構(gòu)面抗剪強(qiáng)度的降低，不利于邊坡穩(wěn)定。

2)云南楚大K39+332～K39+684段深路塹邊坡全封閉處置措施(矮擋墻+分級(jí)漿砌片石護(hù)坡，坡率1∶4)，在1996年路塹開(kāi)挖施工過(guò)程中兩側(cè)邊坡出現(xiàn)多次垮塌，經(jīng)過(guò)幾次整治，最后將邊坡放緩至1∶4，并采用兩級(jí)平臺(tái)，設(shè)置了平臺(tái)排水溝的全封閉方案處治方式，耗資近千萬(wàn)，后來(lái)仍有局部發(fā)生破壞，經(jīng)修補(bǔ)基本保持整體穩(wěn)定。

根據(jù)上述分析可知，以往鐵路、公路部門(mén)對(duì)膨脹土路塹邊坡主要采用剛性支護(hù)措施，即以圬工結(jié)構(gòu)為主，這種處治措施盡管也能起到一定作用，但對(duì)于膨脹土這種特殊土體而言，它不是最好的方法。因?yàn)閯傂灾ёo(hù)不允許被支護(hù)土體產(chǎn)生變形，而在干濕循環(huán)、坡后裂隙水或滲透水的作用下邊坡膨脹土體必然發(fā)生濕度變化，當(dāng)土體干縮濕脹后其膨脹變形較大而得不到釋放時(shí)，會(huì)產(chǎn)生很大的膨脹壓力使剛性支護(hù)破壞。

6 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)目前膨脹土地區(qū)路塹邊坡處治工程中存在的問(wèn)題，長(zhǎng)沙理工大學(xué)在交通部西部交通建設(shè)科技項(xiàng)目“膨脹土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究”中提出了膨脹土路塹柔性處治的新技術(shù)[7]。

柔性支護(hù)主要指以土工織物加筋邊坡土體為主，輔以其他必要綜合處理措施的處理方案。其特點(diǎn)是不但能承受土壓力而且允許土體產(chǎn)生一定變形，可吸收邊坡土體因超固結(jié)引起的應(yīng)力釋放和含水量變化產(chǎn)生的膨脹力。廖世文(1984)的研究表明，若允許膨脹土的線膨脹量達(dá)0.3%，其膨脹力可比無(wú)膨脹時(shí)最大的膨脹力降低25%。因此非常適合膨脹土路塹邊坡。

[1]長(zhǎng)沙理工大學(xué).膨脹土地區(qū)公路修筑成套技術(shù)研究報(bào)告[R].2007.

[2]馮玉勇，張永雙，曲永新.南昆鐵路百色盆地膨脹土路堤病害機(jī)理研究[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2001，23(4):463-467.

[3]蔣忠信，秦小林，李 敏，等.南昆鐵路膨脹巖(土)及其防治的研究[J].中國(guó)地質(zhì)災(zāi)害與防治學(xué)報(bào)，1995(6):27-28.

[4]廖世文.膨脹土與鐵道工程[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1984.

[5]楊和平，鄭 鵬.南友路膨脹土塹坡滑坍的地質(zhì)調(diào)查與思考[J].長(zhǎng)沙理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2004，1(1):14-20.

[6]楊和平，曲永新，鄭健龍.寧明膨脹土研究的新進(jìn)展[J].巖土工程學(xué)報(bào)，2005，17(9):981-987.

[7]鄭建龍，楊和平.膨脹土處治理論、技術(shù)與實(shí)踐[M].北京:人民交通出版社，2004.