膨脹性裂土病害產生機理及綜合防治措施研究★

張德龍，苗學云，沈朝政

(1.青藏鐵路集團有限公司格爾木工務段,青海 格爾木 816000; 2.中鐵西北科學研究院有限公司,甘肅 蘭州 730000;3.青海省凍土與環境工程重點實驗室,青海 格爾木 816000; 4.南京工業大學交通運輸工程學院,江蘇 南京 210009)

膨脹土問題目前已成為世界性的特殊巖土工程問題,膨脹土脹縮引起房屋建筑、機場、鐵路、公路、水壩、礦井破壞,在美國、加拿大、沙特阿拉伯、意大利等國已有大量報道。膨脹土在我國205個縣(市)均有分布,穿越膨脹土地區的鐵路干線塹坡、路堤、基床及建筑物均遭到輕重不等的危害[1-2]。

膨脹土結構特殊且含有膨脹性的黏土礦物,遇水產生體積增大、失水產生體積收縮,如果約束其體積增大,則產生相應的膨脹壓力,這種性質稱之為膨脹土的脹縮特性[3]。

隨著經濟建設的發展,國外從20世紀30年代開始注意到膨脹土或膨脹巖的破壞現象,并進行了相關研究。50年代末期,有研究學者開始在室內用固結儀定豎向膨脹力。室內側向膨脹力和原位脹縮特性試驗在60年代后期開始逐步進行。由于各行業部門的側重面不同,膨脹力的量測和應用現狀還較落后,世界上僅有少數國家在有關建筑物的設計規范中,依據實測結果列出相關考慮膨脹力的條文。

豎向脹縮特性對建筑結構物產生影響和破壞,主要表現在房屋建筑和水工結構物的不均勻沉降和開裂上,近年來國內外資料報道過大量的實例。陳孚華[4]曾介紹過許多地板開裂、房屋變形、樁基受剪等破壞事例;瓊斯和霍爾茲曾估計膨脹土在美國所造成的損失每年達22.5億元,已超過了洪水、颶風、地震、龍卷風每年所造成平均損失的總和;膨脹土在蘇丹每年的損失量估計已超過600萬美元;國內膨脹土造成的破壞也是非常嚴重的,據不完全統計,我國鐵路穿越膨脹土地區的累計里程已占運營里程的1/6,每年用于維修的費用高達數千萬元[5-6]。此外,在援外工程中,曾發生過這種土地基大規模開裂破壞的事例,這不但使我國和受援國都蒙受了巨大經濟損失,而且也影響了我國援外工程的聲譽。

文章主要通過文獻調研、理論分析并結合中鐵西北院已有的研究成果,歸納總結了膨脹土的脹縮特性、破壞類型以及對塹坡穩定性作用,并在此基礎上提出了目前膨脹土地區病害防治措施,以上研究成果可為膨脹土地區相關工程建設提供技術指導。

1 膨脹土微觀病害產生機理

1.1 膨脹土顆粒組成及分類

1.1.1 礦物組成和粒徑成分

膨脹土的成分主要由黏土礦物和膨脹性礦物組成。其中,黏土礦物包含氧化鋁、硅酸鹽和水,具有很強的吸附性和黏性。膨脹性礦物則是一種含水量較高的礦物,其晶體結構中含有較多的孔隙和空隙,使得其在水分作用下容易膨脹[7]。膨脹土的顆粒成分如表1所示,我國分布的膨脹土主要為黏土或粉質黏土。

表1 膨脹土的粒徑組成

1.1.2 膨脹土分類和判別

鐵路工程分布面廣且項目繁多,所遇到的膨脹土土質差異較大,各項工程建筑對土質的要求也有區別。故采用按特性指標劃分分類標準值,如表2所示,針對不同類型工程項目的需要,結合各地區鐵路工程的經驗,綜合權衡技術規范、規定、設計原則等,力求達到既能表達膨脹土的特性,又能適應生產實際的需要。

表2 膨脹土按特性指標分類表

1)表2中α為輔助判別指標,只限于原狀土的指標。

其中,φf為峰值內摩擦角;φr為殘余內摩擦角。

2)分類等級。a.“弱”為“膨脹土強度衰減微弱”;b.“中等”為“膨脹土強度衰減中等”;c.“強”為“膨脹土強度衰減強烈”。

3)按野外地質特征及自由膨脹率(Fs)兩項條件進行綜合判別的方法如下:

a.當野外特征符合如表1所示的條件,Fs不能滿足不小于40%時:

Fs>35%,定為膨脹土;Fs≤35%,定為非膨脹土。

b.當野外特征不符合如表1所示的條件,雖然滿足Fs≥40%,但規定:

Fs<45%,定為非膨脹土;Fs≥45%,定為膨脹土。

1.2 病害微觀機理

由于自然地質作用形成的土的組織結構的復雜性,土的脹縮機理也極其復雜,目前脹縮特性可能與三種機理相關:

1)黏土礦物晶格擴張。黏土礦物根據內部結晶質的排列不同分為三大類:蒙脫石類、伊利石類和高嶺石類。盡管它們都是由兩種基本單位SiO4四面體和Al-(OH)八面體所構成[8]。但是由于兩種基本單位間聯系的不同,造成了它們與水結合時體積變化的差異。蒙脫石類體積變化大,有時可增大達20倍,而高嶺石的體積變化很小,伊利石居中。

2)雙電層水化膜作用。黏土微粒對極性水分子和水化陽離子有吸附作用,圍繞土粒形成了由強結合水和弱結合水組成的水化膜(雙電層),黏性土中的黏土顆粒不是直接接觸的,而是通過各自的水化膜彼此聯接起來。由于黏土含有大量的黏土顆粒,含水量的增減,導致水化膜擴散層厚度的增大或減小,這種水化膜厚度的變化,其結果必然是膨脹土體積的脹縮[9]。

3)超固結土的卸荷膨脹。隨著土體開挖,超固結土發生卸荷膨脹,使土體內長期積蓄的應變能逐漸釋放,片狀和針狀的黏土顆粒發生全部或部分的彈性恢復,或發生黏粒排列的變化,造成體積增大。超固結卸荷引起的膨脹的速率是隨時間而衰減的,并且這種膨脹是不可逆的[10]。

2 膨脹土病害類型及其塹坡穩定性

2.1 膨脹土塹坡破壞類型

塹坡變形現象種類繁多,根據現場調查和分析,針對其較普遍的變形現象,按其不同的變形特征,分為坡面沖蝕、表層溜坍、邊坡坍滑和滑坡四類,各種變形現象的變形特征見表3。

表3 膨脹土破壞類型劃分表

1)坡面沖蝕。是膨脹土塹坡坡面變形的一種常見現象,以小沖溝(雞爪溝)的形式出現,影響深度一般在0.3 m以內,常見的0.1 m～0.2 m。產生坡面沖蝕的主要原因是由于坡面開挖,膨脹土暴露于大氣之中,遇水崩解膨脹,失水收縮干裂,破壞了土體的原始結構,呈粒狀黏土碎屑,在雨水的集中作用下,沖走部分松散土粒而形成。

2)表層溜坍。系指塹坡表層土體在飽和情況下,產生推移式從坡面溜出的變形現象。它一般發生在塹坡的強風化層內,深度在0.5 m～1.0 m之間,很少超過1.5 m。

發生表層溜坍的原因主要是強風化土體經過干縮濕脹的往復作用,原始結構已遭到破壞,裂隙發育,雨季中,雨水使土體處于流塑狀態,強度極低,在重力和滲流壓力的作用下,飽和土體產生塑流狀推移所致。因此溜坍只能在雨季產生,它可以發生在很緩的邊坡上。

3)邊坡坍滑。系指因邊坡過高、過陡而產生的一種旋轉型滑動現象。其破壞面的形狀上陡下緩,近似圓柱形曲面。破裂壁依附于張拉裂隙形成,傾角一般在70°以上,滑裂面上常可看到灰綠色的裂隙黏土充填物。坍滑體的厚度一般在3 m～5 m之間。

邊坡坍滑產生的主要原因是:

a.邊坡設計不合理,過高過陡;b.由于膨脹土超固結性帶來的初始應力場的影響,高水平應力造成高剪應力;c.裂隙破壞了土體的連續性和原始結構,大大削弱了土體的強度,降低了抵抗剪應力的能力,造成局部應力集中;d.裂隙為水的浸入提供了有利的條件,為強親水礦物提供了足夠的水量,加速了膨脹變形、應變軟化和風化作用等。

4)滑坡。系指滑體物質,以坡頂斜坡為主,由于邊坡開挖切斷了軟弱層以及其他原因致使塹頂斜坡土體滑動的變形現象,其中包括由邊坡坍滑逐級牽引塹頂斜坡滑動,最后以整體形式下滑的變形現象。

膨脹土地區的滑坡也是一種極其普遍的變形現象。它的主要特點是規模較小,厚度不大,多呈逐級牽引的形式出現,滑面傾角較緩,與滑體表面坡度大體一致。滑體含水量小呈軟塑與可塑狀。滑體裂縫密布,呈階梯形疊瓦狀,變形以平移為主。

滑坡的產生雖然與邊坡開挖有一定的關系,但與邊坡的坡高坡比并無直接聯系,如放緩邊坡,并不能解決滑坡的問題。因此,必須將滑坡與邊坡坍滑加以區別。

2.2 膨脹土對塹坡穩定性的作用

1)對膨脹土塹坡表層的作用。由于膨脹土中含有親水性黏土礦物,具有干縮濕脹特性,塹坡如果未經過防護,則一開始就會經歷干縮濕脹循環對膨脹力的影響,在該作用力下,表土原始組構逐漸破壞,裂隙逐漸發育,土質松散容重降低,使得1.0 m附近的表土的無側限抗壓強度降到最低值。這些因素造成了膨脹土塹坡表土極易吸水飽和,在重力增加和強度大大降低的條件下發生溜坍。它大多發生在1.0 m附近,和邊坡變形觀測資料是吻合的,也和膨脹土塹坡內隨深度的指標變化相吻合[11]。

綜上所述,使膨脹土表層土性變壞的決定因素是膨脹土的干縮濕脹特性。要防止塹坡膨脹土表層溜坍,唯一的方法就是對裂土塹坡坡面進行防護,防護的形式應根據膨脹土的性質而定。但對于植物防護,宜采用防止沖刷性能好、根系可延伸到強活動層以下的多年生草本植物和灌木植物相結合的方式。

2)對塹坡穩定性的作用。通過對膨脹土塹坡土體含水量的觀測,膨脹土塹坡含水量受降水、蒸發等因素的影響,周期性地發生變化。含水量增加會使土體產生膨脹并產生相應的膨脹力,含水量減少會使土體發生收縮并產生裂隙[12]。膨脹土塹坡長期受氣候變化所造成的塹坡脹縮變形,從表4中可以看出干縮濕脹變形主要集中在強活動層和弱活動層這兩層膨脹土中,其變形量占塹坡總變形量的95%以上。通過變形觀測表明這種脹縮變形影響深度可達4 m～5 m。干縮濕脹作用使膨脹土塹坡土體的強度有所降低,同時含水量的增加會使膨脹土塹坡土體內部產生膨脹力[13]。

表4 膨脹土塹坡干縮濕脹變形累計表

雨季塹坡土體容量的增加和強度的降低,造成了裂土塹坡在雨季大量出現塹坡坍滑等不良地質現象。

3)對支擋建筑物的作用。膨脹土中由于親水礦物的存在,遇水就要膨脹,而膨脹受阻時就要對建筑物在其上的各類建筑物產生相應的膨脹壓力。因此在膨脹土地區設計支擋建筑物時,除了考慮土壓力外,還需要考慮由于含水量可能變化所產生的膨脹力[14]。

裂土塹坡變形量主要集中在強活動層和弱活動層中,若考慮干縮濕脹變形累計量的85%的膨脹土厚度時,垂直方向只需考慮1.2 m,水平方向只需考慮2.0 m對支擋建筑物的影響。在支擋建筑物和膨脹土之間回填膨脹土,宜考慮用砂墊層。

3 膨脹土地區病害防治技術措施

3.1 路基病害防治措施

1)邊坡坡度。一般來說,由于膨脹土的特殊性,其邊坡坡度應比一般黏性土地區的坡度放緩1級～2級。但對3 m～5 m以下的較低邊坡來說,在某些條件下是可以不必放緩的,不過需有坡腳擋墻及坡面防護等措施加以保證[15]。

2)平臺。除側溝平臺之外,較高邊坡一般需要半坡平臺,它對減小邊坡的相對高度和減小坡腳出現較大的應力集中均很有作用,還必需輔以其他的措施。

3)基床。按規范要求,膨脹土不能用來作基床土,通常采用封閉隔離、換土換碴、作縱橫向盲溝排水、墊沙墊石碴、作混凝土或漿砌片石的剛性基床等[16]。

3.2 邊坡防護措施

目前解決膨脹土邊坡病害問題的方法中,從已有廣泛討論和應用的情況看,可分為兩大類:改性法和封閉法。

1)改性法。其是通過土壤改良的一種護坡方式,一般采用水泥或石灰土進行改良,將改良土與膨脹土進行置換,從而避免膨脹土遇水膨脹后病害產生[17]。

2)封閉法。一般應用于弱膨脹土邊坡,采用混凝土或水泥土將邊坡面進行封閉,減小外部水分深入膨脹土邊坡,通過封閉的防護層來隔絕外界水分侵蝕作用,從而保護邊坡的穩定性。

3)其他措施。對于滑面埋藏較深、有明顯滑動或滑動趨勢較為明顯的膨脹土邊坡,要考慮用支擋措施來保持膨脹土邊坡穩定,常用的方法有:擋土墻、抗滑樁。

3.3 建筑物防護措施

1)漿砌片石護坡。漿砌片石護坡是采用砂漿與毛石料砌筑的砌體結構,石料屬不規則形狀,短邊厚度15 cm左右,有時也用塊石,一般接近長方體的為片石,接近正方體為塊石,一般采用坐漿法進行砌筑。該方法為膨脹土地區使用最多的一種邊坡防護形式,也是最有效的一種工程措施[18]。

2)坡腳擋墻。膨脹土地區邊坡下部均設置坡腳擋墻,一般2 m～3 m高,基底放在側溝或路堤坡腳地坪以下0.5 m左右(滑坡地段除外)。

3)骨架護坡。一般有方格形和拱形兩種形式,骨架寬0.4 m左右,嵌入邊坡內的深度為0.3 m～0.5 m,骨架間距為3 m～5 m。

3.4 其他防治措施

1)膨脹土地區路堤邊坡防治溜坍的工程措施建議采用邊坡滲溝,滲溝寬1.5 m～2.0 m,嵌入邊坡內的深度一般為2 m,溝底用漿砌片石封底,并作成臺階,以適應邊坡坡度[19]。

2)膨脹土地區路堤與路塹邊坡存在的坡面沖蝕病害,建議采用草皮護坡可以減少一些邊坡溜坍[20]。

4 結論

1)膨脹土的脹縮機理是極其復雜的,主要成因為膨脹性顆粒成分及結構變性特征引起的膨脹與收縮,其變形機理主要與內部晶格擴張、水化膜擴散層厚度變化以及超固結土發生卸荷膨脹有關。

2)根據膨脹土脹縮特性,從病害產生的位置、形態特征、變形原因及破壞速度等角度,劃分了膨脹土“四類”破壞類型,分別為坡面沖蝕、表層溜坍、邊坡坍滑、滑坡。

3)通過塹坡深度、垂直方向、坡頂及坡底水平方向變形量提出了膨脹土塹坡四個活動層,即0 m～1.2 m為強活動層;1.2 m～2.5 m(水平3.0 m)為弱活動層;2.5 m(水平3.0 m)～4.0 m(水平5.0 m)為微活動層;4.0 m(水平5.0 m)以下為不活動層。

4)針對膨脹土地區不同病害情況,根據其病害產生的原因,采取的主要技術措施為放坡、土壤改性、結構物支擋、防排水及植物護坡等,具體防治措施應結合病害成因分析基礎之上,針對性的選擇以上措施進行處置,考慮安全冗余原則,可采取綜合各項措施進行整治。