淺述渠道工程中膨脹土的處理方

【摘要】由膨脹土的產生原因及工程特性出發，闡述膨脹土的危害，并介紹了實際工程中常用的預防措施和治理方法，最后以砂改性處理研究為例，分析如何對膨脹土的處理方案進行選擇。

【關鍵詞】膨脹土；含水量；預防措施；處理方法

【中圖分類號】TV91 【文獻標識碼】A 【文章編號】1672-5158（2012）08—0194-02

1.前言

在渠道工程土方開挖和填筑過程中，經常會遇到各種各樣的影響工程施工的問題，其中絕大多數問題的根源，可以追溯到土體中含水量的變化，膨脹土就是由于含水量變化而引起的一種較為常見的工程病害的土質，膨脹土具有極大的危害性，如不及時處理或者處理不當，就會造成基底失穩，使構造物沉陷過大或者產生不均勻沉降。

2.膨脹土的工程特性

膨脹土中粘土礦物成分主要是由蒙脫石、伊利石等親水性礦物組成，其自由膨脹率Fs≥40%。此類土是具有吸水膨脹、失水收縮、裂隙性和超固結特性的高塑性粘土。這類土遇水膨脹，變得松軟，強度大幅降低；失水體積收縮，變得堅硬，強度增大，其裂隙性會使其上的結構物隨氣候變化，反復出現不均勻的升降，而產生大量裂縫。此外，膨脹土的超固結性在使路塹邊坡坡腳產生較大剪切力的同時會導致強度的降低發生應變軟化而造成邊坡坍塌。渠道施工中因為采用了含水量較大的粘性土或粉質粘性土作為回填土進行碾壓或夯擊，由于原狀土被擾動，顆粒之間的毛細孔遭到破壞，水分不易滲透和散發，降低了土體的強度，并使之產生了彈性顫動，形成了具有軟塑狀態的膨脹土。

3.膨脹土的危害

3.1 彈簧土含水量大，強度低，容易造成基底失穩，使構造物沉陷過大或者產生不均勻沉降。

3.2 膨脹土含水量較大且顆粒之間的毛細孔遭到破壞，水分不易滲透和散發，一旦冬季氣溫較低，容易產生凍脹現象，破壞渠道的混凝土襯砌板，嚴重影響工程質量。

3.3 膨脹土表面固結，甚至半硬化形成堅硬的土殼體，一旦忽略處理或者處理不當，在高水頭作用下，容易發生潰壩和管涌，危害人身和財產安全。

4.膨脹土的常用處理辦法

由于膨脹土和“軟土”都具有含水量較大，強度較低的特點，因此在對膨脹土進行處理前，應首先判斷土體是膨脹土還是“軟土”。膨脹土的含水量一般高于最優含水量的6%～8%，但低于其液限，飽和度小于60%，內摩擦角大于15度；而“軟土”的含水量一般接近或超過其液限，飽和度大于95%，孔隙比在1.0-1.9之間，內摩擦角幾乎接近于零。在實際工程中，對于膨脹土的處理常采取以下幾種處理方法：

4.1 晾曬法

暫停該渠段的施工，將膨脹土翻出晾曬，待含水量降低符合要求后再進行回填碾壓，但由于膨脹土晾曬將延長工期，因此該方法一般在工期不緊和天氣條件較好的情況下使用。

4.2 碎石鋪墊法

在膨脹土表面鋪一層碎石，然后進行碾壓夯擊，將表層土緊密擠實。該方法一般適用于膨脹土情況不嚴重，且土方填筑質量要求較低的部位。

4.3 換土回填

即挖去膨脹土，重新換填含水量符合要求的土料。這種方法常用于工程量不大，工期較緊的工程。

4.4 干石灰粉改性處理

將膨脹土翻起并粉碎，均勻摻入生石灰粉末，使用該方法的原理為：干石灰粉末不但可以吸收土體中的水分降低含水量，而且可以與土料發生化學反應（干石灰粉末的主要成分為氧化鈣，土的主要成分為二氧化硅、三氧化二鋁及少量的三氧化二鐵）形成強度較高的硅酸鈣，改變了土層原有結構，經碾壓夯實后形成了灰土墊層，具有了一定的抗壓強度和水穩定性。本方法大多在膨脹土情況較為嚴重及氣候條件不利于晾曬的情況下采用，特別是在運距較遠，換填方量較大的情況下，該方法最為簡單有效。

5.砂改性處理研究實例

5.1 工程概況

南水北調中線工程南陽市段一標位于南陽市市區內，設計樁號：TS87+925-TS94+365，全長約6.44千米；渠道過水斷面成梯形，設計流量340m³/s、加大流量410m³/s，最大挖深26m，最大填高11m；標段內共有各類建筑物11座，其中河渠交叉建筑物1座，左岸排水建筑物4座，渠渠交叉建筑物1座，退水閘1座，公路橋3座。

本標段涉及膨脹土范圍較廣，穿渠建筑物較多，填筑高度比較大，水頭壓力比較高，基于膨脹土對渠道和結構物質量的影響較大，所以對膨脹土的處理是關乎工程質量的關鍵工作。

5.2 傳統治理方法

本標段涉及膨脹土范圍較廣，須換填非膨脹土方量較大。對于弱膨脹土渠堤、路塹、路堤，常采用干石灰等材料改性或框架梁、漿砌石等剛性防護。但是采用石灰等改性膨脹土，影響環境，污染地下水，并且采用石灰改性膨脹土成本較高。對于剛性防護，可以在一定程度上緩解膨脹土的危害，但是不能從根本上解決大氣風化影響深度范圍內膨脹土體的脹縮問題。雖然剛性防護下膨脹土的脹縮變形不大，但是也會對剛性防護結構起到破壞作用，逐漸形成裂縫，造成外來水從裂縫中浸入，加劇膨脹土的脹縮變形，甚至造成連鎖破壞。

5.3 砂改性土的試驗段研究

為了能在實際生產中更好的利用砂改性土，在南水北調南陽一標大井南接引線路中選取了KO+800-KO+880八十米的路段對砂改性土的實際應用進行了試驗段研究。試驗用土為本標TS91+700-TS92+000取的開挖膨脹土，砂為普通的中砂。

5.3.1 拌合

砂改性土的拌合，可采用路拌拌合和場拌伴合；我標段采用路拌拌合。首先，在路基上虛鋪28cm厚的土，翻曬至土的含水量適中（在試驗段中土的含水量為18%左右）。然后在含水量適中的土表面較均勻虛鋪5cm左右厚的砂子。在路面上隨機選4個點取中層土測砂改性土中砂的體積分數，用旋耕犁不停的犁拌，直至土和砂摻和均勻。表1為犁拌遍數與砂改性土中砂的體積分數的關系。

結果表明，用旋耕犁在路面犁拌四遍后可使砂改性土中砂和土拌合基本均勻。

5.3.2 砂改性土的自由膨脹率

拌合完成后取試驗段現場土樣做自由膨脹率試驗，試驗結果如下表所示。

從上表中可以明顯的看到，拌合均勻后的砂改性土自由膨脹率與不摻砂的素土相比有明顯降低。現場拌合的砂改性土的自由膨脹率基本滿足設計要求。

5.3.3 碾壓

砂改性土拌合均勻后進行碾壓試驗。用光面碾進行碾壓，碾壓方式為先靜壓兩遍，然后弱振兩遍再強振兩遍～八遍，碾壓時靜壓速度控制在1.5Km/h之內，弱振和強振速度控制在2Km/h之內。壓實度采用灌砂法檢測：自光面碾弱振兩遍開始到強振八遍，每碾壓兩遍結束后進行一次壓實度檢測。

經現場實測，在弱振兩遍、強振兩遍到八遍時，壓實度呈遞增形勢。強振兩遍后可達到下路堤對壓實度大于92%的要求，強振四遍后可達到上路堤對壓實度大于94%的要求，強振六遍以上可達到公路下路床以上工程部位對壓實度的要求。

5.3.4 試驗結論

通過對南水北調南陽市段一標膨脹土的砂改性室內試驗及試驗段研究，得到以下結論：

砂的摻量越高改性土的自由膨脹率越小，土的滲透超大，在土中摻加10%-30%體積百分比的砂，改性土的自由膨脹率下降了15%到33%；且自由膨脹率隨摻砂體積百分比的增大呈較好的線性降低的關系。摻15%體積百分比的砂改性土在重型擊實下得到的最優含水率和最大干密度分別為14.7%和1.82g/cm³，雖然土的滲透系數有所提高但仍能滿足設計單位對橋梁路基引道、非過水斷面等非關鍵部位填筑用土的設計要求。

砂改性土實際應用試驗段的研究表明，在現場犁拌四遍以上土和砂可拌合均勻，現場砂改陛土的自由膨脹率能滿足設計要求。

砂改性雖然能降低土的自由膨脹率，但土的顆粒成分有了很大的變化。使土的滲透系數明顯增加增大，不易用于渠道防滲關鍵部位填筑，在水利工程中，只能用于沒有防滲要求的非鍵部位填筑，例如渠道過水斷面以上的防護堤、橋梁引道路基填筑等。

6.結語

在渠道工程施工中，膨脹土是時常遇到的工程病害，具有極大的危害性，在施工前一定要嚴格檢測土料的含水量，對可能產生膨脹土的情況做好預測、資料收集和分析，制定出合理有效的處理預案。對于施工過程中所出現的膨脹土，應根據施工條件進行比較，選擇最為合理有效且經濟省時的方法進行處理，確保工程質量和工期。