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工程癌症——膨胀土

2021-09-14  方圆长短

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在上古传说中,鲧为了治理洪水,盗窃天帝的“息壤”,被发现而处死。其尸体三年不腐烂,孕育出了大禹。大禹用“息壤”堵塞洪水,疏通河流,功绩显著。于是天帝便赐予禹治国安邦之法,由禹做王,监察百姓,华夏文明就此开始。

大禹治水所用的“息壤”,指的就是一种遇水后可以膨胀、生长的土壤。而这种土壤在现实中也真实存在,叫做“膨胀土”。不过比起治水的“妙用”,提到它,工程人员总是感到头疼。

膨胀土是一种特殊土,在世界范围内广泛分布。在我国的广西、云南、湖北、安徽、四川、河南、山东等20多个省份均有分布。它被称作“工程癌症”,每年会造成大量工程地质问题。

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膨胀土在我国的分布

膨胀土具有膨胀性、裂隙性、超固结性的特点。

膨胀土吸水之后体积增大,失水之后又收缩,这种现象就被称为“膨胀性”。这是由亲水矿物蒙脱石和伊利石所导致的。蒙脱石和伊利石的吸水性很强,水进入矿物中,造成土体的膨胀。土体膨胀,地表隆起,给建筑物带来隐患,轻则开裂倾斜,重则破坏倒塌。

遇水膨胀,失水收缩。随着环境的变化,土体内外部的水分蒸发不均,造成土体表面的应力集中,裂隙便在土表面产生,且随着时间不断向土体内部发展,这便是膨胀土的“裂隙性”。裂隙既削弱了土体的强度,又为水进入土体内部提供了通道。裂隙发育-水进入-裂隙进一步发育,随着这样的循环不断发展,裂隙贯通,常常会导致滑坡、泥石流等灾害的发生。“晴天张大嘴,雨后吐黄水”,是对这一现象的生动描述。

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膨胀土裂隙

松散的土在外力作用下被压缩的过程,称为固结。而超固结,则是土当前所受的压力,比历史上被压缩到当前状态时所受的压力小。这让膨胀土在施工前往往很密实且坚硬。而一旦开挖,原本的结构被破坏,就很难恢复到原来的状态,导致土的强度变低。因此,开挖后的膨胀土边坡,往往更容易发生滑坡;开挖回填的膨胀土地基,也常常会发生地基隆起、不均匀沉降的事故。

衡量膨胀土膨胀率的指标主要有膨胀率膨胀力,其中膨胀率又分为自由膨胀率和侧限膨胀率。

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自由膨胀率试验

烘干的松散土颗粒,在水中体积变化的比率,称为自由膨胀率。膨胀土的自由膨胀率一般在40%以上。而侧限膨胀率,指的是一定含水率的土在侧向变形受限的前提下,单一方向的膨胀量与原高度的比值。

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侧限膨胀率试验

土体在吸水膨胀的过程中,会对外界阻碍其膨胀的因素产生力的作用,这便是“膨胀力”。膨胀土膨胀力的范围较大,从几十千帕到数百千帕不等。

膨胀土在工程实践中带来了大量工程地质问题,考验着施工人员的智慧。这些问题主要可以分为膨胀土路基问题膨胀土边坡稳定性问题两种。

路面开裂、隆起或沉陷,路堤和路堑滑塌,是常见的膨胀土路基问题。我国大量修建基础设施,不可避免地要穿越膨胀土地区。著名的“南水北调”工程中线总干渠,就穿越了河南南阳、河北邯郸、河北邢台等地近400公里的膨胀土区。

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路面隆起与开裂

针对膨胀土路基问题,主要的工程处理方法有:

1)换填法:解决膨胀土问题,最直接的方法就是把膨胀土层整体挖去,换成力学性质好的土。但这种方法成本较高,对环境影响也较大,不适合大面积膨胀土分布的工程。

2)物理化学改性:通过在膨胀土中加入改性剂,如石灰、水泥、粉煤灰等来改良膨胀土的性质。这些掺料可以有效的降低膨胀土的胀缩性,但施工拌合困难,对生态环境有一定的破坏。

3)封闭包盖法:引起膨胀土问题的主要原因是干湿循环的气候作用。通过上覆其它土层对膨胀土进行封闭,阻隔大气循环作用,能够有效的解决膨胀土问题,且造价低,施工便利,环境友好。

4)夹层法:采用膨胀土与砂性土夹层填筑的方法,可以使膨胀土与其上下砂层构成双层排水,及时排走膨胀土内部的水,提高土体强度。

膨胀土边坡具有“逢堑必滑,无堤不塌”的特征,即使是很缓的边坡,也可能会发生滑坡灾害。因此,对于膨胀土边坡的防治,应贯彻“先发治坡、以防为主”的原则。

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膨胀土滑坡(2020年5月,安徽合肥淠史杭灌区发生膨胀土滑坡)

目前,工程上常用的防治原则有:

1)防水:有言道“十滑九水”,对于膨胀土边坡更是如此。水不仅是滑坡的直接诱发因素,也是导致膨胀土边坡膨胀开裂的原因。做好坡面的防、排水,防止地表水和大气降水渗入边坡土体,以及及时疏导地下水,是滑坡防治的重要手段。

2)防风化:膨胀土的抗风化能力很低,地表浅层土体在大气风化营力作用下,容易形成风化软弱层,导致滑坡灾害。

3)防开裂:地表浅层土体在反复吸水-干燥下会形成裂隙,裂隙一方面为水渗入坡体内部提供了通道,另一方面也造成了土体的强度衰减。夯实、填充裂隙,可以有效防止滑坡灾害的发生。

南水北调中线工程南阳段

随着我国工程建设技术的不断提高,曾经让工程人员闻之头疼的膨胀土问题,不断取得突破。2014年12月12日,南水北调工程中线正式通水,截至目前已安全输水两千余天。其全长近一千三百公里中,有大约三分之一是膨胀土地段。

汨汨清流,从南到北,如一条长龙,流淌在祖国的大地上,滋润着华夏民族的子孙,更见证着我国工程事业的腾飞!

美编:萸小斤

校对:江淑敏

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