膨脹土工程特性及處理方法

【摘 要】膨脹土是一種特殊性巖土，具有吸水后體積增大、失水后體積縮小，脹縮變形變顯特性。對高速公路的工程建設及營運起到極大的破壞作用。沈四高速公路樁號K693+500-K694+700存在膨脹土。本文對膨脹土的工程特性、工程危害進行論述，并對膨脹土的治理方案提出了建議。

【關鍵詞】高速公路；膨脹土；路基；處理方法

1 膨脹土工程地質條件

1.1 地形地貌

膨脹土所在地貌區內地貌為微丘地貌為主，地形平緩，無明顯自然陡坎。膨脹土路段地面標高一般在88.50-116.80米。

1.2 水文、氣象

膨脹土區屬半干旱，半濕潤大陸性季風氣候區，冬冷夏熱，春秋兩季多風。最高氣溫36.6～37.6℃，最低氣溫-34.3～-36.7，年平均降水量600～700mm，年平均蒸發量1600～1800mm。從11月中旬至翌年4月為冰凍期。

區內地下水主要分布在遼河支流河谷平原中。大氣降水入滲為主要補給方式，其次為河流入滲補給；排泄方式以地下水徑流、河水排泄及人工開采排泄為主。地下水類型為第四系松散堆積物孔隙水。

2 膨脹土工程特性

2.1 判別和分類

膨脹土地區進行工程建設，首先必須正確識別膨脹土和非膨脹土，并準確判斷膨脹土膨脹時的強弱和工程性質特點，然后才能在工程設計和施工中做到有的放矢，采取切實有效的方法進行處理。以往的工程建設經驗已經證明：膨脹土并不可怕，可怕的是對膨脹土判斷失誤，沒有進行正確的處理而導致工程病害的發生。對于膨脹土的判別和分類，有不同的方法。如通過膨脹性礦物（蒙脫石、伊利石、高嶺石）的含量、膨脹土的液限和塑性指數、自由膨脹率等。在高速公路中，廣泛采用的是現場定性和室內定量指標相結合的方法，即工程地質特征及土的自由膨脹率、最大吸濕含水率、塑性指數指標綜合判斷。

膨脹土的初步判別根據工程地質特征及土的自由膨脹率等指標綜合判定。即：（1）裂隙發育，常有光滑面與擦痕，有點裂隙中充填灰白色、灰綠色粘土，在自然條件下呈硬塑狀態；（2）多出露于二級或二級以上的階地、山前丘陵和盆地邊緣，地形平緩，無明顯自然陡坎；（3）常見淺層滑坡、地裂、新開挖坑槽壁易發生坍塌等；（4）建筑物裂縫隨氣候而張開或閉合；（5）自由膨脹率大于或等于40%。

根據《公路路基設計規范》（JTG D30-2004）膨脹土詳判指標、膨脹潛勢分級：

自由膨脹率Fs≥40，最大吸濕含水率ωf≥2.5，塑性指數Ip≥15，為膨脹土。

當自由膨脹率40≤Fs<60，2.5≤ωf<4.8，15≤Ip<28，膨脹潛勢為弱膨脹土。

當自由膨脹率60≤Fs<90，4.8≤ωf<6.8，28≤Ip<40，膨脹潛勢為中膨脹土。

當自由膨脹率90≤Fs，6.8≤ωf，40≤Ip，膨脹潛勢為強膨脹土。

2.2 沈四高速公路膨脹土的性質

膨脹土地質時代為白堊系（K1y）。表層巖性為粉質粘土及粉質粘土混碎石，厚度2.6-8.4米，下部分布為厚層膨脹土。膨脹土地層，埋深較淺，揭露深度為2.6-8.4米。

其礦物成分指標如下：蒙脫石含量平均值為3.7%，最大值為4.8%；蒙托石、高齡石及伊利石總含量平均值為22.8%，最大值為31.6%。膨脹性試驗指標：自由膨脹率平均值為59.8%，最大值為83.6%；標準吸濕含水率平均值1.10%，最大值為1.48，塑性指數平均值為17.7，最大值為19.7。

根據《公路路基設計規范》（JTG D30-2004）綜合判定：膨脹潛勢分級為弱膨脹土。

膨脹土濕度系數：ψw=1.152-0.726a-0.00107c，經計算膨脹土濕度系數為0.54，經查表大氣影響深度為5.0米。

3 膨脹土工程危害

膨脹土具有吸水膨脹、失水收縮特性，易造成路堤開裂、邊坡失穩等災害，如處理不當，將為工程建設埋下禍根，嚴重影響其后期運營。膨脹土工程危害主要有以下兩種

3.1 路基危害

膨脹土路基受水浸泡后，土體膨脹，輕者表面易形成10cm左右的蓬松層，重者則在50-80cm深度范圍內形成“橡皮泥”，強度急劇降低；若在干旱季節，隨著水分的散失，土體將嚴重干縮龜裂，雨水可通過裂縫直接灌入土體深處，土體膨脹濕軟，承載能力降低；干旱季節，土體干燥密實，親水性增大，膨脹量變大，并產生膨脹力，當膨脹力超過臨界荷載時，路基出現嚴重的崩解，從而造成路基局部坍塌、隆起或裂縫。

3.2 邊坡危害

膨脹土地段邊坡變形較明顯，濕脹干縮效應和物理風化作用，使邊坡土塊崩解，土體抗剪強度衰減，從而易形成邊坡的溜塌、小型滑坡等病害現象。

4 膨脹土處理

常見的膨脹土地基處理方法有以下幾種：

4.1 改性處理法。在膨脹土中按一定的比例摻入無機料（如粉煤灰、礦渣、砂礫石和水泥或其混合物），通過與膨脹土的物理化學作用進行膨脹土的改性處理，以達到降低膨脹土的膨脹潛勢、增加強度和提高水穩性的目的。

4.2 換土法。用普通土或灰土來替換膨脹土，膨脹土層較薄的地段，可直接挖除，徹底根治其危害；對于膨脹土層較厚的地基可采用部分挖除，鋪設砂、碎石墊層的方法抑制膨脹土的升降變形引起的危害。

4.3 保濕法。保持膨脹土地基中的含水量不變來抑制地基的脹縮變形，需在施工時采取一定的措施。如利用土工布或粘土將膨脹土路基進行包封，避免膨脹土與外界大氣直接接觸，盡量減少膨脹土內部的濕度變化。

根據以上幾種處理方法，結合沈四高速膨脹土實際情況，提出以下處理原則：

（1）路基設計應做好防水、排水系統設計，路基面應設置土工布阻斷降水入滲路基，路基邊坡用粘土進行包封，防制膨脹土含水量發生變化，抑制脹縮變形。

（2）對填方路基段，基底為膨脹土時，宜挖除地表0.3-0.6m的膨脹土，并將路床換填非膨脹土或摻灰處理，做好防水處理；

（3）對挖方路基，路塹路床0.8m范圍內的膨脹土進行超挖，換填規定的填料。挖方邊溝采用漿砌片石密封，阻止雨水、雪水入滲，引起膨脹變形；空氣干燥時，漿砌片石也能起到隔絕空氣的作用，減少膨脹土收縮變形，避免脹裂和拉裂作用，使路基達到穩定。挖方邊坡采用自然邊坡坡比，防止出現溜塌。對挖方較大地段，坡腳處設置擋土墻防止出現小型滑坡。

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[責任編輯：曹明明]