引江濟淮工程膨脹土分析及應用要點

劉軍

引江濟淮工程由長江下游上段引水，向淮河中游地區補水，是以城鄉供水、江淮航運、改善巢湖和淮河水生態環境等功能的綜合性工程，由引江濟巢、江淮溝通、江水北送共三段組成，輸水總長1048.68km，其中現有河湖634.01km，疏浚擴挖200.01km，新開河道114.66km。新開挖河道中開挖深度20m以上的約10km，最大開挖深度為46m，新開挖河道中膨脹土14.8km、弱膨脹土90.3km，膨脹土占新開河道的91.7%，弱膨脹土和中膨脹土在本工程沿線分布均較長，是研究的重點。全國目前有膨脹土渠道約30條，施工期間因膨脹土處理不當造成滑坡、結構變形等比例占32%，不僅造成了財產損失，甚至危及生命安全，因此對膨脹土穩定問題的研究，對引江濟淮工程施工及運營安全有著重要的意義。

一、對膨脹土的認知

土的含量中主要粘土礦物成分主要由親水礦物（如蒙脫石、伊利石等對濕度狀態變化特別敏感）組成，叫膨脹土。膨脹土具有吸水變得膨脹軟化和失水收縮干裂的主要特點，是遇濕脹、遇干縮，不斷變形的高塑性粘土，膨脹土按等級劃分為弱、中、強三類。根據自由膨脹率指標劃分，40%≤Fs＜60%為弱膨脹土，60%≤Fs＜90%為中膨脹土，Fs＞90%為強膨脹土。膨脹土具有膨脹和收縮性、裂隙性、超固結性、遇水極具軟化和低滲透等特征，膨脹土對工程會造成嚴重危害，被建筑行業公認為較難處理的土體。

工程中膨脹土若不能正確處理，會導致基礎變形、邊坡滑坡、地基開裂等問題，造成受膨脹土影響的工程帶來嚴重的破壞，甚至造成巨大的經濟損失。滑坡是膨脹土邊坡最常見的破壞形式，具有淺層性、長期性、牽引性、平滑性、方向性、季節性和反復性。為了正確識別膨脹土，同時根據膨脹土特性，制定科學、合理的處理措施，保證工程較長時間內穩定，達到安全，防治膨脹土造成的工程病害。

二、膨脹土變形破壞主要原因

1.受氣候影響變形破壞

受氣候干濕循環的環境影響下，膨脹土土體反復循環脹縮，伴隨著大量裂隙的產生，導致巖土性質弱化，力學指標衰減，強度參數降低，滲透性增加等，造成結構破壞。

2.受渠道開挖變形破壞

膨脹土具有超固結性，受渠道開挖深度影響，膨脹土上部覆土荷載逐漸卸除，從而造成開挖處土體產生膨脹和變形，孔隙率增加，飽和度降低，使土體變得松弛和應力釋放。先從坡腳局部破壞，開挖深度越深，側向滑動荷載越大，然后向上逐級牽引形成膨脹土邊坡，或者造成結構面變化而滑坡。

3.受土體蠕動變形破壞

受雨水或地表水的浸泡影響，膨脹土發生淺表層蠕動變形，對渠道襯砌進行破壞，進而造成渠道、滲水、漏水，時間越長將對渠坡穩定帶來危害。

三、膨脹土主要處理措施

膨脹土處理方法主要從防水、防裂隙、防風化和防強度的劇烈衰減等角度，采用措施使土體形成與外部環境相對隔絕封閉。目前常用的處理方法有主動處理法和被動處理法。主動處理法有非膨脹土換填法、膨脹土水泥改性土換填法、鋪設土工膜法等；被動處理法有土工格柵填土法、抗滑樁或擋土墻支檔法、混凝土預制塊或砌石法、錨桿或噴射混凝土法、混凝土面層封閉法等。

以上所采用的處理方法大部分施工方法及工藝簡單，且在工程中得到較好應用。根據引江濟淮工程實際地質情況及自身特點，項目以膨脹土水泥改性土換填法為主，該方法對水泥改性土生成的試驗分析、參數確定、施工方法、質量控制等要求高，本文在此進行介紹。

四、膨脹土水泥改性處理

“降低膨脹土體含水率”是改性土最直觀的必要條件。因膨脹土遇水膨脹、失水干縮，需將膨脹土進行改良處理。采用填料拌和機摻拌設備，將膨脹土料和5%的水泥充分攪拌均勻，利用兩者的物理及化學反應，改變膨脹土的力學性質，使土的強度、水穩定性增強，膨脹性得到控制。碾壓后形成的換填層，一是使大氣不能直接作用于膨脹土基礎，二是基面的膨脹潛能被吸收，使得因含水量變化而引起的原膨脹土基礎自身所產生的脹縮應力減小，防止產生邊坡滑坡危害。主要采用土料開采運輸→翻曬→碎土→水泥改性土拌制的流程進行改性處理。

1.檢驗及施工工藝試驗

施工前，進行室內試驗獲取土的含水率、粘粒含量、膨脹率、塑性指標、水泥摻量等弱膨脹土或中膨脹土土料的各項指標參數。現場做碾壓施工工藝試驗，進一步確定施工所需的碾壓機械、碾壓遍數、壓實機械、以及鋪土厚度等參數。參數在整個施工過程中，根據現場情況不斷調整。

2.開采運輸

土料采用挖掘機開采挖裝，自卸汽車運輸，推土機在堆放區推平，同時根據施工組織、土料及場地情況采用土料場集中堆放及就近堆放兩種。在堆放場周圍做好臨時排水溝，出現地下水時，設置開挖滲溝及集水坑進行降水。土料開采時做到同層、齊頭并進，不得沒有規劃任意開采，同時采取立面開采或者平面開采的方式。開采出的土料運至堆放場堆放。

3.翻曬

將土料運輸至翻曬場，然后將土料用推土機推平，晾曬，采用旋耕機不斷旋耕翻曬的方法進行降水，直至含水率滿足破碎的要求，最后收運至拌合場。

4.碎土

在拌制水泥改性土之前，膨脹土土料中的土塊或粒徑10cm以上的鈣質結核應清除。土料采用液壓碎土機在拌和場內進行破碎，上料碎土、攏堆采用輪胎式裝載機進行，碎好的土料用塑料布進行臨時覆蓋。破碎的土料粒徑大小應符合相關技術標準要求。

5.水泥改性土拌制

水泥改性土集中拌制，通過試驗，繪制水泥含量標準曲線，便于水泥改性土中的水泥含量檢測，再通過水泥改性土用穩定土拌合機拌制試驗，為拌合機設備運行提供拌合參數。土料、水泥和水的重量由拌合機的計量系統根據試驗確定的參數進行控制。拌合時間不得小于兩分鐘。拌合好的料原取樣進行均勻性檢測，不合格時應分析原因，必要時調整設備控制參數。水泥改性土的水泥含量采用EDTA滴定法測定，水泥摻量的平均值不得小于設計摻量，也不得大于有關技術要求。

五、膨脹土水泥改性土的應用要點

膨脹土在換填前，清理干凈基面并經驗收合格。采用臺階法進行攤鋪保證土體結合性，攤鋪厚度與臺階厚度一致。攤鋪時根據碾壓試驗所取得的參數嚴格控制攤鋪厚度，壓實度每層控制厚度為25cm，同時采用插釬法進行檢測。現場碾壓采用先靜壓2遍后震壓的方式，震壓6遍后滿足96%的壓實度。用羊角碾振動壓路機進行碾壓，碾壓完成后壓實度采用環刀法檢測，檢測合格后方可填筑下一層。

換填完成后，利用挖掘機進行削坡，人工配合施工。經驗豐富的挖掘機操作司機先按照樣槽來進行削坡，削坡的方向與渠道的軸線垂直，從上至下順坡向進行。為最大限度利用削坡余料，土料統一集聚在坡下后裝車運送到拌合場再次拌合后使用。削坡時預留出5～10cm的薄土層，在挖掘機的斗齒前焊接一塊鋼板作為“刮板”，垂直于渠道軸線，沿坡長自上而下刮除預留的薄土層，鋼板的厚約20mm，長度與挖掘機斗寬相同，寬度約為15cm，前緣齊平于斗齒。人工將坡面遺留的松土用平頭鐵鍬清理到挖掘機附近，隨“刮板”攏堆。坡面上按坡度放樣，每5m一個斷面釘木樁，并將尼龍線固定在樁位上，掛線完成后釘樁加密，人工整理坡面至其坡度和平整度滿足設計和規范的要求。

保證水泥改性土后期強度的形成及取芯，水泥改性土成型后禁止車輛碾壓，同時灑水后用塑料薄膜或彩條布覆蓋保濕養護，根據每天溫度情況確定灑水保濕養護次數，使水泥改性土層表面始終保持濕潤。

六、結語

通過對膨脹土的自身特性、危害及常用處理方法的分析，結合膨脹土處理在引江濟淮工程實踐中的應用，重點對膨脹土水泥改性土換填法的生產工藝及填筑方法進行介紹，為此類型工程提供了工藝和技術措施依據，對類似工程具有借鑒意義。