化学试剂改良在膨胀土地区公路边坡防护中的应用

 毛久海1，赵 涛1，仝 涛1，万 强2，王 鹏2

（1.陕西高速公路建设集团西略分公司，陕西 汉中 723005；2.西安科技大学建筑与土木工程学院，陕西 西安 710054）

摘 要：文章针对黄土地区膨胀土边坡防护存在的问题，提出了利用化学试剂对膨胀土边坡土体本身进行改良。通过注入特定化学改良试剂，增加土体的固结特性，充填坡面裂缝，减少坡面开裂，从而减少雨水的入渗，达到固土护坡的效果。根据现场试验结果，化学试剂注入后对土体含水率以及应力有明显改变，将土体胶结成为一个整体，阻止坡面位移，减少斜坡变形，提高了边坡的整体稳定性。有良好的效果，值得在膨胀土地区边坡治理推广。

关键词：膨胀土；边坡防护；水基碱性试剂

1 引言

近年来，我国大力发展山区线性交通，根据相关的统计研究发现，仅2014年已经通车运营的道路沿线就有新近发生的地质灾害千余处，局部剥落、变形、裂缝等就更无从统计，造成巨大的人员及经济损失。在这其中，特殊土路段的灾害发育更明显，特别是膨胀土地区的工程建设，诱发了较多的地质灾害。公路工程中很多边坡和路基在公路施工期间甚至公路运行期间发生大幅沉降、隆起变形甚至滑坡。膨胀土边坡的病害更是不胜枚举。

试验选取在西乡服务区上行侧出口区段边坡，该段边坡已采用了窗孔式骨架结构防护，但局部骨架出现断裂破坏，窗孔内土体有下移趋势，坡面裂隙发育，所以选择在窗孔内开展“化学试剂改良”试验，观测坡体的变形过程。

2 化学试剂改良膨胀土作用机理

2.1 化学试剂改良技术概述

“化学试剂改良”技术是指，在坡面每隔一定的间距进行钻孔，注入特殊组分的化学改良试剂，试剂通过土体自身的裂隙缓慢入渗来达到改良土体膨胀性的目的。入渗的化学改良试剂可以通过化学，物理两方面来增加土体的固结特性，充填坡面裂缝，增加护坡的整体性，减少坡面开裂，从而减少雨水的入渗，达到固土护坡的效果。

2.2 化学改良作用机理

膨胀土自身的遇水膨胀性会导致土体结构性丧失，承载能力减弱，表面裂隙发育导致表面剥落，更严重破坏边坡。因为特殊组分的化学试剂具有胶黏性，与膨胀土土体内部颗粒相互物理化学作用会产生胶结效应，通过化学改良试剂的自由入渗来充填坡体内部的裂隙，从而形成物理胶结，增强土体的固结性及坡体的整体性；化学试剂具有与高岭石、伊犁石等膨胀物发生中和反应的特性，利用其中和性对土体膨胀性进行改良，形成化学胶结，减小其遇水膨胀、干燥收缩的特性，从而达到治理的目的。

3 化学试剂改良试验

3.1 试验概况

根据已有的研究经验，针对该路段公路护坡土体十天高速西略段沿线病害处膨胀土的主要矿物成分以伊利石、伊～蒙不规则混层矿物为主，高岭石含量较低，其中伊利石含量约占22.45%～36.99%，伊～蒙混层矿物含量为3.13%～10.95%，高岭石含量为3.38%～7.32%。设计改良剂组成为：聚乙烯醇：活性石灰：水2%：5%：93%

3.2 试验设计

（1）试验过程如图1所示。主要步骤：①移除窗孔内杂草及坡面浮土，整平坡面；②在坡面按80cm×80cm的横纵间距进行钻孔，孔深80cm，孔径10cm，如图2所示；③试验方案及试剂配比如表1所示，将配比好的化学试剂溶液注入孔内，单孔单次注入3L，间隔48h后重复上一步骤，以上步骤重复三次即可；④完成步骤③后，用无膨胀的客土进行回填，并夯实。

图1 “化学试剂改良”试验简图

图2 “化学试剂改良”试验现场灌注

（2）施工质量控制。钻孔控制：对于化学改良试验试剂需要结合钻孔灌入处理，钻孔深度应控制在汉中地区膨胀土大气影响深度范围内，约0.40～0.60m，钻孔间距控制在孔深的1.2倍左右。

化学试剂控制：本次化学试剂采用聚乙烯醇，也可采用CMA弱酸树脂液、聚丙烯酰胺等与亲水矿物产生明显化学反应的有机改良剂代替，但用量及配比需要结合室内试验确定，化学试剂的灌入量为4.0～6.0kg/孔。

4 斜铺土工格栅现场试验效果分析

4.1 监测方案

为了分析该试验的效果，工作人员在试验进行前就在坡体安装含水率探头、土压力盒以及地表位移监测桩进行了监测，对比分析试验前后坡体相关指数的变化趋势，具体的监测方案如表2所示。

表1 “化学试剂改良”试验方案及试剂配比表

西乡服务区上行侧出口段边坡 坡比1:1坡高5m坡顶2m 窗孔式骨架 试剂改良 聚乙烯醇：活性石灰：水2%：5%：93% 自然环境

试验区段 边坡尺寸 防护形式 加固措施 试剂配比 试验条件

表2 “化学试剂改良”试验监测方案表

区段位置 监测时间 监测内容 监测频率 监测周期 备注含水率 1个月/次 0.5y试验前 坡体内部应力 1个月/次 1.0y坡体表面变形 1个月/次 1.5y西乡服务区上行侧出口含水率 1个月/次 1.0y特殊天气下应增加监测频次，调整为0.25-0.5月/次试验后 坡体内部应力 1个月/次 1.0y坡体表面变形 1个月/次 1.5y

4.2 实验效果与分析

含水率变化分析：采集埋设的含水率探头数据整理。试验前坡体含水率明显波动，受季节控制性较强，试验期间处理层及坡体浅层含水率有明显增大，试验结束后，含水率基本处于稳定状态，2015年6～9月，为汉中地区的丰水季节，受降雨影响，坡体表层0.5m深度范围内含水率有一定的滞后性变化，且变化幅度较大，而深部含水率变化也具有一定滞后，但变化幅度不大。在其他季节各埋深含水率变化稳定，说明边坡经化学试剂改良处理后大气降雨对坡内影响较小。

应力变化分析：采集埋设的土压力盒数据整理。试验前坡体内部1.0m以上范围压力变化及不均匀，且变化范围大，而深部压力变化不大，说明浅层坡体内部应力分布不均匀，经常发生较大改变，这对边坡的安全是非常不利的。试验后明显可以看出，各埋深土压力变化不大，基本维持在一稳定值，总的变化范围控制在5MPa内，这说明坡体内部应力较为均匀，这与试验后坡面变形基本稳定的监测结果是相符的。出现这一现象的主要原因是化学试剂与膨胀土内的膨胀物发生了中和反应，减弱或消除其膨胀性，使其失去膨胀力，改良了其土性。再加上化学试剂的胶结作用，使得土体成为整体，所以才会导致坡体内部应力较为均匀。

坡面变形监测：采集坡面监测桩数据整理。对比试验前后坡面位移变化数据可知，试验后较试验前坡面位移变化明显减小，且变化幅度明显减小。经“化学试剂改良”处理后，坡面基本无变形，说明试验效果明显。分析原因，化学试剂的注入中和了膨胀土内的高岭石、伊犁石等膨胀物，减小了其自由膨胀率和膨胀力，增加了土体内部粘聚力，化学试剂起到了良好的固结作用，将坡体土体胶结成一个整体，共同阻止坡体发生位移，从而减少甚至消除坡面变形，提高了边坡整体稳定性。

5 结束语

根据土体成分配置特殊组分的“化学试剂改良”对边坡土体的各项指标影响明显，从较高的水敏性，且不稳定的状态改良为基本趋于稳定，即“化学试剂改良”将边坡由不稳定状态带入稳定状态，能有效减控制坡体内部含水及应力变化，增加土体的固结特性；并且由于改良剂填充缝隙，能更好的胶结土体，提高坡体稳定性、整体性，其治理效果明显，值得推广应用。

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中图分类号：TF802.4+3

文献标志码：A

文章编号：2096-2789（2017）09-0136-02

作者简介：毛久海（1982-），男，满族，工程师，研究方向：公路建设及运营管理。