提升膨胀土地区发展效益

膨胀土是一种得水膨胀、强度骤减、失水干缩，坚硬而常有收缩裂隙的高塑性粘土，在我国有20多个省市发现有膨胀土存在，在平原地区、长江、淮河、黄河中下游的广大冲积、洪积湖积地层中，亦发现大面积覆盖在地表或埋藏在地表下浅层处的膨胀土。膨胀土地基处理不当，不仅使渠系建筑物地基产生位移、变形引起破坏，而且会使堤基、渠底下沉隆起，渠滑坡、坍塌、溜坍，直接影响渠道的安全运行，其造成的损失及危害性是巨大的。在我国的淠史杭灌区、万家寨引黄入晋工程、新疆引额工程总干渠、内蒙古河套灌区均发现有膨胀土危害并有成功的改造治理经验。

（一）膨胀土的特性

膨胀土的特殊工程地质性质是由土体特殊的矿物、化学成分控制的。土体中细粒部分的粘土粒径小于2μm的粘土矿物，具有亲水特性的蒙脱石、伊利石、高岭石等组成的矿物成分是使土层具有较大缩胀变形的一个主要原因，也是决定膨胀土工程地质性质的主要因素。

评价膨胀土膨胀性能的指标，主要有膨胀量（率），膨胀压力、胀缩含水量等指标，其中的膨胀总率是评价地基土以及填方渠渠堤填料工程地质特性的综合评价指标。

膨胀总率Epa按下式计算：

式中：Ep50为50kPa压力下的膨胀率；CSL为土的收缩系数；W为土的天然含水量；Wm为地基土在收缩过程中可能产生的含水量的下限值，以百分比表示。

我国JTJ013—95《公路路基设计规范》规定的膨胀土的工程地质分类见表6-1。

表6-1　膨胀土工程地质分类表

国家标准GBJ112—87《膨胀土地区建筑技术规范》采用按自由膨胀率与地基变形量分类的方法，其工程地质分类见表6-2。

（二）膨胀土地区的渠道病害类型

1.滑坡

无论是填方渠或挖方渠均有发生，这是膨胀土渠道最严重的病害。渠堤滑坡通常发生在填土或堤基为膨胀土（岩）层或软土层的情况，滑体一般宽20～50m，厚2～5m。挖方渠坡面滑坡一般规模较大，滑动面多发生在膨胀土（岩）分界面、裂隙面或软弱层处，宽数十米，厚一般3～4m，很少超过6m。

表6-2　膨胀土等级划分

2.坍塌

坍塌多发生在渠堤堤肩。坍塌高一般不超过1m，坍塌体沿渠线方向的长度不等。对于膨胀土地区的填方渠段，中小型坍塌到处可见，即使有的坡面做了防护，坍塌仍有发生。挖方渠段的坍塌多发生在挖方坡面顶部，坍壁一般高2～3m，长几十米甚至近百米。

3.溜坍

渠堤溜坍一般发生在堤腰或坡脚，厚度多小于1m，有单个出现，也有数个相互重叠沿堤线方向形成或溜坍裙。挖方堤段溜坍多在已剥落、冲蚀或膨胀的坡面产生，高度和长度均在数米内，厚度为0.2～0.6m之间，常有几个溜坍体联成的溜坍裙发生。

4.其他病害

膨胀——边坡局部外胀现象，大多发生在坡腰或接近坡腰处，由土体剧烈膨胀引起。

冲沟——坡面受雨水冲刷所致，膨胀土地区冲淘程度比其他土质边坡严重得多，且形成速度相当快。

松散、剥落和泥流——由边坡表层土体性质、干缩湿胀循环、雨淋等综合作用的结果。(https://www.xing528.com)

膨胀土地区渠道病害具有集成性、反复性、方向性和浅层性等特点。所谓集成性指滑坡、坍塌和溜坍等破坏常成群地产生、成群地分布，在空间上呈集结性分布。反复性指膨胀土堤坡常需多次整治才能稳定。膨胀土边坡破坏在发生方向上常集中在向阳坡上，这是因为阳坡受日照影响，干湿循环变化明显，膨胀土裂隙发育的缘故。由于膨胀土边坡开挖后产生卸载膨胀，表层向外鼓胀，裂隙张开，土体强度降低，因此，膨胀土边坡破坏大多发生在深度为1～3m的浅层坡面。根据自然条件、地质条件和工程特点，采用合适的治理、改造措施，对保证膨胀土地区渠道系统正常运行是十分必要的。

（三）膨胀土地区的渠道改造措施

1.渠道过水断面的改造

膨胀土地区渠道过水断面应衬砌护坡，其横断面型式宜采用U形断面、弧形坡脚梯形断面、弧形底梯形断面等。护坡材料应选用砌石、混凝土或沥青混凝土。对混凝土护坡渠道，宜采用整体现浇的施工方式，增强渠道的抗胀缩能力。对强膨胀土基，应采取必要的基土置换或基土改性处理。

2.挖方渠非过水坡面的改造

（1）坡面封闭。

1）采用3m×3m混凝土（或浆砌石）棱形网状骨架，骨架尺寸为0.35m×0.45m，网格内铺草皮封面，也可在网格内用三合土、水泥土等封闭，封闭土厚度不小于15cm，防止雨水渗入。

2）对膨胀性较弱且坡高小于3m的边坡，采用放缓边坡（1∶2或1∶1.75），在坡面种植灌木，铺草皮或采用三合土封闭。

3）用混凝土或浆砌石片护面，其防护效果较好，但造价高。

4）用柔性卷材（土工布或膜料）封闭。边坡开挖后立即铺上土工布或膜料，预留长度至集水沟和顶部天沟，并压于沟底，外侧用0.5m厚粘土覆盖并夯实。此法适用于边坡坡度大于1∶1，坡高小于4m，且坡面无地下水的情况，坡顶至天沟也需用粘土封闭。见图6-4。

图6-4　柔性卷材封闭边坡

（2）利用挡土墙防护。为防止坡脚处剪应力过大产生塑性破坏，在边沟处设挡土墙，可将挡土墙做成墙体和排水沟连成一体的倾斜式，见图6-5。

图6-5　挡土墙防护

（3）预应力锚杆框架护坡工程。预应力锚杆框架由框架梁、锚杆及锚具组成。它是“土钉”技术和骨架护坡的结合，能对坡面起“框箍”作用，一方面抵制土体膨胀力，抑制湿胀变形，使表土的含水量、干重度保持在一定范围内；另一方面可起补偿作用，即使反复干缩湿胀使土体抗剪强度有所下降，但通过拉张锚杆使框架梁对坡面施加附加应力，边坡表土仍可稳定。此法适用于高大边坡，其施工程序为自上而下、分层进行。下一层开挖时，上一层已得到初步防护，所以适用于膨胀性土（岩）坡的快速封闭。

3.填方渠堤段改造

（1）全封闭法（图6-6）。填方渠堤应尽量选用胀缩性弱的土做填料，用非膨胀土包盖堤身，将封闭土与填料土一道分层填筑并压实，包盖厚度不小于1m。渠堤背水面可采用网状骨架，三合土、植草皮封闭，或浆砌石护面等坡面封闭技术。对有交通要求的堤段，堤身填筑及护坡工程应满足相关公路施工规范要求。

图6-6　封闭式渠堤

（2）掺石灰改变土的性质。在膨胀土中加入石灰进行改性处理，主要是针对粘土矿物中易亲水的蒙脱石、伊利石，使其与石灰发生复杂的物理、化学作用，通过微结构的改变来引起土的工程性质的变化。其主要作用为离子交换，膨胀土中加入石灰后，由于石灰水化产生大量钙离子，与膨胀土中的蒙脱石、伊利石等矿物质起吸附水作用，钙离子可以置换膨胀土颗粒表面的钠离子，石灰的水化物在膨胀土颗粒表面聚集，其作用过程与Ca（OH）2的硬化过程同时进行。粘结和聚集在矿物表面的Ca（OH）2经硬化结晶，形成一种防止膨胀土颗粒内水外散和外水内侵的固化层，其结果，将使膨胀土减弱亲水性，增加自身的稳定性，从而降低膨胀潜势，达到改性的目的。

石灰的掺入量一般为2%～8%，应结合具体工程和土质，最好通过试验确定适宜掺量。加入石灰时，可按干重的比例，按石灰∶水=1∶2预先制成灰浆后加入。江苏省某苏北灌区，干渠经过膨胀土地区且为填方渠道，改造过程中对筑堤土料采用加石灰改性的治理措施，分别采用加不同剂量的石灰和天然地基土做试验对比，有关试验指标见表6-3。

由试验资料可知，加石灰击实的膨胀土，与不加石灰击实的膨胀土相比，其胀缩总率和膨胀力将大幅度下降，特别是最佳石灰剂量6%或8%时，其胀缩总率接近零，膨胀力亦下降到接近天然稳定时的指标。稠度指标也相应变化，随着石灰剂量的增加，液限减小，塑限增大，相应塑性指数下降。改造后的土料较好地满足了筑堤要求。