淺析膨脹土工程特性及處理措施研究

盧旺

中國建筑材料工業地質勘查中心陜西總隊 陜西 西安 710003

膨脹性巖土主要由黏土礦物組成，具有良好的親水性能，當環境溫度和濕度發生變化時，膨脹性巖土會發生體積變化，并產生明顯的內應力。近年來，我國工程建設飛速發展，為進一步提升工程建設質量和安全，在工程建設中遇到膨脹性巖土，必須加強工程地質勘察工作，尤其需要注重膨脹性巖土的勘察和處理。

本文旨在通過對膨脹土的工程特性進行研究，解析膨脹土地區的主要病害，對膨脹土的地基處理提出合理建議，并結合案例分析評價處理效果。

1 膨脹土的工程特性

膨脹土的工程特性主要有兩種，一種是物理特性，另一種是的力學特性。

（1）膨脹土的物理特性

膨脹土的物理特性[1]主要表現在五個方面：①脹縮性：膨脹土吸水膨脹，失水收縮；②崩解性：膨脹土失水體積收縮，在重力作用下脫離母體而發生崩解。強膨脹性越強，崩解也更顯著[2]；③裂隙性：隨著不斷地漲縮變化，使得土體結構松散，造成土體表面的應力集中，裂隙便在土表面產生，且隨著時間不斷向土體內部發展形成裂隙；④膨脹土一旦開挖形成超固結，應力釋放，原本結構致密的土體被破壞，導致土的強度變低，這便是超固結性；⑤地基開挖暴露在環境中，易風化破壞，產生碎裂、剝落和泥化等現象，這是風化特性[3]。

（2）膨脹土的力學特性

膨脹土的力學特性主要體現在結構特征、滲透性、強度和變形等四個方面：①膨脹土地層表面裂隙較為發達，這成為了良好的導水通道，這便是結構特性[4]；②膨脹土具有極小的滲透性，隨著含水率的增加，滲透系數在一定范圍內先減小，達到一定程度后，滲透系數逐漸增大，這便是滲透性；③膨脹土的峰值強度一般比較高，然而膨脹土一旦失穩破壞，其抗剪強度卻快速下降[5]；④膨脹土的變形主要有荷載作用下的壓縮變形和與氣候共同作用下的濕脹干縮變形。

2 膨脹性巖土的主要病害

膨脹性巖土是軟巖的一種，受環境溫度、濕度的影響，其體積會隨之發生改變[6]。因此，膨脹性地區經常發生坍塌、剝落、滑坡等一系列地質問題，進而影響工程施工、安全和質量，具體表現如下：

①膨脹性巖土坍塌的主要原因是土體在經受不斷地脹縮過程使得巖土體結構發生變化從而發生坍塌。膨脹性巖土主要包括黏土、第三系泥巖等，當土壤的膨脹力超過地面承載力時，坍塌現象就會發生，坍塌裂縫會貫穿整個地面；②膨脹性巖土滑坡是由于土體中的親水礦物在吸水后容易膨脹，上部巖土體下滑力增大，抗滑力減弱，進而失去穩定性，而發生滑動；③在干燥環境中，膨脹性巖土更容易發生剝落，在泥巖邊坡表面，泥巖失水體積收縮，在重力作用下脫離母體而發生崩解。一般來說，膨脹性越強，剝落問題也更嚴重；④坡面沖蝕：膨脹性巖土因漲縮性的原因，一般土體結構較為松散，穩定性較差。在雨季或地表徑流作用下，膨脹性黏土坡面容易受到水流沖刷的影響，從而破壞坡面完整性[7]。

3 膨脹土地區的工程地質勘察

工程地質勘察在工程項目中扮演著重要的角色，通過進行有效的地質勘察工作，可以及時發現存在的隱患問題，并提出處理措施建議。膨脹土地區的工程地質勘察工作主要包括以下內容：

（1）查明工程地質條件：工程地質勘察的首要目的是查明工程地質條件，通過勘察，可以查明膨脹土的類型、分布范圍、土層厚度、發育規律、現狀特征等基本情況，特別要查明地下水的埋深及分布情況，這對工程設計和施工具有重要意義。

（2）查明不良地質情況：工程地質勘察需要評估地質災害發生風險，如膨脹土地區的滑坡、崩塌、地面沉降等，以此判斷膨脹土地區的場地穩定性，為減少地質災害風險提供依據。

（3）查明水文地質條件：勘察需要查明地下水的賦存條件、滲透規律和地下水的化學成分，因為有效地防止水分滲入土體，減少土體吸水和膨脹量，才能有效地阻止膨脹土對工程的侵蝕和破壞。

（4）查明膨脹土物理力學性質：在完成工程地質勘察后，需要對原位測試及試驗數據進行物理力學統計和綜合評價，這些數據是土體工程地質性能的直接反映，是設計依據的必要地質參數。

（5）提出處理措施建議：對工程地質條件進行分析和總結，對查明的膨脹土分布范圍及覆蓋厚度進行論述，判定漲縮等級，提供地質參數，評價其穩定性，提出合理的防治建議和施工注意事項等內容。

4 膨脹土地區的處理措施

4.1 預防措施

預防措施是為了在工程建設之初，采取一系列的措施，從根本上防止膨脹土的發生和發展，預防措施包括以下方面：

（1）加固土體：采用加筋土工墻、草方筏基礎等加固土體措施，可以增強土體的抗拉性能和抗剪強度，防止土體的變形和破壞。

（2）防止水分滲入：采用人工鋪設隔離材料、自然隔離等隔離處理措施，如防水層等，可以有效地防止水分滲入土體，減少土體吸水和膨脹量，有效地阻止膨脹土對工程的侵蝕和破壞。

（3）加強排水：采用水平和垂直排水、地下水位降低等措施，可以有效地減少土體吸水和膨脹量。

（4）控制荷載：采用加厚填土、降低建筑物高度等措施，可以有效地減少荷載對土體的影響，控制膨脹土的變形和破壞。

4.2 治理措施

（1）換填法：解決膨脹土問題，最簡單的方法就是根據膨脹土的厚度及強弱和大氣影響深度確定換填深度，挖除膨脹土，換填好土，如非膨脹土或細粒土等。

（2）物理化學改性：通過在膨脹土中加入改性劑，這些摻料可以有效的降低膨脹土的脹縮性。

（3）封閉包蓋法：通過上覆其它土層對膨脹土進行封閉，阻隔大氣循環作用，且造價低，施工便利。

（4）退化治理：采用降低地下水位、加強排水、人工補償和注漿加固等退化治理措施，可以使膨脹土發生退化，減輕其對工程的影響。

（5）加固處理：采用注漿、加筋土工墻、固結加固、土改物等加固處理措施，可以增強土體的抗拉性能和抗剪強度，防止土體的變形和破壞，使其具有更好的工程性能和穩定性。

（6）支擋治理：對于因膨脹土而產生的病害問題，可以設置預應力錨索、土釘錨桿、重力式擋土墻、抗滑樁等強支護措施。

5 工程案例分析

為深入了解膨脹土地區的巖土工程問題和處置措施，本節以“廣西南百高速K773+760～K773+960左側膨脹土路堤滑塌”為案例，為工程建設提供參考范例。

5.1 工程概況

廣西南百高速于2007年12月通車運，2016年9月K773+760～K773+960路段左側路堤發生變形，路堤邊緣形成約0.8～1.8m 的錯臺，建設單位立即展開應急處治措施：①挖除已變形的松散土體；②路堤底部修建重力式擋；③墻頂利用好土回填壓實；④仍在蠕變的路段左側路堤采用樹根樁對路堤邊坡坡體進行加固，樹根樁矩形布置。2016年12 月完成施工，但完工后根據監測數據，左側路基施工完成后仍在繼續變形，到2017 年3 月下行線主車道路面發生滑塌，形成錯臺高達1.8m，路堤底部擋墻被完全沖出破壞，路面也出現縱橫向裂縫[8]。

5.2 工程地質條件

病害地帶屬于構造剝蝕殘丘地貌，地形起伏較小，坡面高差約30m。地層主要為填土、殘坡積黏土，下伏古近系始～漸新統百崗組（E2b）泥巖。場區內未見地質構造發育。地表水主要為大氣降雨及右江河水；地下水主要為松散覆蓋層中孔隙水、巖基巖裂隙水為主。

5.3 巖土體工程地質特征

經過詳細勘察及土工試驗結果：

素填土（Q4me）：成分為粉質粘土混卵礫石，自由膨脹率大于30%，脹縮總率介于1～2.5%之間，相對膨脹率δxe50 介于0～0.7%之間，弱脹縮。

黏土（Q4el+dl）：自由膨脹率大于34%，脹縮總率＞4.5%之間，相對膨脹率δxe50＞0.7%，屬A1 亞類，強脹縮土，土層天然含水量介于縮限和脹限之間，天然狀態下遇水膨脹，失水收縮，在壓力荷載條件下，以收縮變形為主。

全風化泥巖（E2b）：同黏土，自由膨脹率大于34%，脹縮總率＞4.5%之間，屬A1 亞類，強脹縮土。

強～中風化泥巖（E2b），暫無膨脹性，但具強崩解性，崩解后與全風化泥巖性狀相近，具備成為強脹縮土的潛勢。

5.4 滑塌原因分析

綜合滑塌體的工程地質特征及形成條件，坡體主要由素填土組成，稍密狀，具弱脹縮性，下部地層為黏土（Q4el+dl）和全風化泥巖（E2b），二者屬強脹縮土，天然狀態下遇水膨脹，失水收縮，并受右江水流不斷的浸潤土體，粘土飽水時間增長，土體抗剪能力逐步降低，擋墻抗滑能力逐漸變差。而后緣土體的上層滯水，受氣象及蒸發作用影響，地下水位在地基土中上下浮動，地基土經歷多次干濕循環，產生脹縮荷載，并在脹縮累積荷載的作用下，土體內部裂隙增多、增大，儲水、輸水條件逐漸加強，干濕循環的強度進一步增大，而土體強度則快速變差，同時坡腳擋土墻抗滑能力也變差，最終產生滑塌。

5.5 穩定性計算

邊坡正處于滑動狀態，非正常工況Ⅰ（自重+暴雨）條件下安全系數取 0.95，按已知潛在滑動面及安全系數情況，以計算臨界穩定狀態下剪切破壞帶巖土層剪切參數c、φ值為計算目標，各巖土層參數按表1選取，反演驗算結果見表2。

圖1 正常工況Ⅰ邊坡整體穩定安全系數計算結果圖

表1 巖土層物理力學參數推薦值表

表2 滑面參數反算成果表

通過計算發現，路堤邊坡在設置抗滑樁后如不在坡體內布設土工格柵筋材，在非正常工況Ⅰ下邊坡整體安全系數為1.188，無法滿足《公路路基設計規范》（JTG D30-2015）表3.6.11 對應工況下的安全系數要求，且還需考慮天然地基對路堤填土的脹縮荷載，故而建議對邊坡回填方還須進行加筋處理。

5.6 處置方案

綜合病害段工程地質、水文地質和路堤滑塌形成原因，我提出采用綜合處置方案：①采用在滑坡后緣設置兩排鋼板樁進行臨時防護，確保路面車輛及工程施工安全；②對路堤填土采用加筋柔性防護處理，填土背部設置碎石排水帶、背前碎石排水盲溝排水結構帶，坡底設置片石反壓區，多層次排出坡體深層地下水；③坡腳以中風化泥巖為持力層設置抗滑樁，并在病害段兩側路堤底部設置抗滑樁板式擋墻，并做好封底工作；④對邊坡回填方進行加筋處理；⑤對路基進行注漿加固，對路面進行重鋪；⑥加強路基邊坡監測工作。

通過采取的一系列綜合處置措施，膨脹土路段路堤失穩問題得到了很好的控制，為道路的質量可靠和安全運營得到了有效保障，更為膨脹土地區同類病害處置問題提供了參考范例。

6 結語

本文對膨脹土的工程問題進行了深入探究和分析，總結了膨脹土的工程特性及主要病害特征，膨脹土地區的工程地質勘察及處理措施研究、工程案例分析等方面的內容。筆者認為只有不斷探索和創新，加強技術研發和實踐應用，才能有效地解決膨脹土地區的工程地質問題，希望未來的研究能夠進一步拓展和深入，為膨脹土地區的巖土工程問題提供更加科學、可靠的解決方案和理論基礎。