膨胀土的工程特性、形成、分布地区、危害及解

一直以来，膨胀土被称为工程中的“癌症”，由于膨胀土对建筑物的危害，又被人们称为“隐藏的灾害”。因此，关于膨胀土的问题早已引起国际、国内工程界的极大重视。如何从本质规律出发解决难题？近日，膨胀土方面的技术研究再传佳讯，由中铁二院工程集团有限责任公司主持建立的“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究成果有望解决这一难题。那么膨胀土是如何形成的？主要分布在哪些地区？膨胀土的危害有哪些？如何有效降低膨胀土给道路工程带来的隐患？下面一起来了解下什么叫膨胀土？膨胀土的工程特性、形成、分布地区、危害及解决方法。



什么叫膨胀土？



膨胀土是一类遇水膨胀变形、失水收缩开裂的黏性土，民间将其形象描述为“晴天一把刀，雨天一团糟”，它在环境干湿交替的作用下，体积会明显胀缩，强度会急剧衰减，性质极不稳定，素有工程“癌症”之称。



膨胀土的工程特性



超固结性：



超固结性虽然是膨胀土的特征之一，但并不是所有的膨胀土都具有超固结特征。膨胀土的超固结性主要由于历史承受的更大上覆荷载后期卸载形成。如地层剥蚀、河流冲刷、冰川融化、有效应力变化形成的超固结，以及粘土矿物中的物理化学作用形成。



超固结性使膨胀土具有较高的强度、较小的压缩性特征。换句话说，膨胀土一旦原状结构破坏后，便不易恢复到原生的密实状态，造成此类次生膨胀土的胀缩性大幅上升，也就是说，由膨胀土形成的填方密实度较差，往往在后期会有较大的沉降、膨胀性。这也是东南亚某膨胀土高填方场坪沉降量变化较大的原因，也是膨胀土边坡开挖后环境变化时容易引发坡体变形破坏的原因。而且膨胀土压实的过程中，由于粘土扁平颗粒的高度定向造成膨胀土填土较原状土具有更强的胀缩性。



水敏性：



膨胀土由强亲水性粘土矿物组成，往往具有保水性强、高塑性的特点。不同的含水量使膨胀土具有不同的性质，呈现出含水量升高强度降低，含水量降低强度升高的特征。但一般来说，原状的膨胀土透水性较低，含水量相对稳定，故其体积和强度较为稳定。当膨胀土次生裂隙发育时，其透水能力将大幅上升，对水的敏感性也大幅上升。



强度衰减性：



膨胀土的强度存在典型的时效性。也就是说，新开挖的膨胀土坡体在天然含水量原始状态下具有较高的强度，但随着时间推移，膨胀土强度逐渐衰减。这主要是由于超固结膨胀土边坡卸载膨胀，或风化作用下形成的原状土体结构破坏与含量水量的变化所致。



稳定性：



膨胀土中的钙铁锰结核是其物质成分的重要组成部分，对膨胀土的稳定性具有重要的支撑作用。



膨胀土的结核最常见的钙铁锰结核是矿物富集的一种表现，是膨胀土形成过程中一系物理化学作用的结果，常集中分布于膨胀土的裂隙面、层面、风化界面附近，且常形成结核沉淀层。这些连续或断续分布的结核层，形成了膨胀土的骨架，使其胀缩性大为减小，有效提高了膨胀土的稳定性。



膨胀土是如何形成的？



长江科学院土工研究所副所长程永辉说，膨胀土主要是岩石风化的产物，其胀缩特性主要受黏土矿物成分及含量控制；黏土矿物包括蒙脱石、伊利石和高岭石三大类，而蒙脱石、伊利石含量较高是引起胀缩变形的主要原因。



膨胀土分布地区



据程永辉介绍，膨胀土的分布具有明显的气候分带性和地理分带性。以地球纬度划分，膨胀土主要分布在赤道两侧从低纬度到中等纬度的气候区，并限于热带和温带气候区域的半干旱地区。从地理分布上看，在欧亚、非洲和美洲大陆更为集中。而我国是世界上膨胀土（岩）分布范围最广、面积最大的国家，总分布面积超过10万平方公里，几乎涵盖了除南海以外的所有陆地，以广西、云南、湖北、河南等省分布最为广泛。



膨胀土地形地貌



平原型膨胀土地貌和构造型与冲积型盆地膨胀土，多属于堆积性，因此其厚度可达数十米；



丘陵型膨胀土主要由盆地受河流与沟谷侵蚀形成，或由膨胀岩风化残积形成，形态上多呈浑圆、缓斜坡形态。



河流阶地型膨胀土主要是膨胀土地貌在河流侵蚀、切割营力作用下形成。



虽然原生膨胀土的物理力学性质较好，但由于出露于地表的膨胀土对风化、降雨等具有高度的敏感性，故其地形地貌常常呈平缓状。



膨胀土对工程的危害



参与组建世界首家“工程医院”的郑州大学教授方宏远介绍，膨胀土对工程的危害主要表现在两方面，包括胀缩变形造成的危害和滑坡危害。



膨胀土受降雨、蒸发等自然环境影响而产生胀缩变形，会引起工程结构物的开裂、不均匀变形等危害，如房屋开裂、公路路面结构不平整或开裂、铁路路基变形、渠道渗漏等。



滑坡危害包括两种类型：一种属于浅层滑坡，由于自然环境的长期影响和膨胀土的胀缩作用，导致膨胀土边坡浅层局部失稳，进而表现为滑坡持续发生并逐步恶化，造成公路路基坍塌、上拱和下沉、结构变形开裂等危害；另一种属于深部整体滑坡，主要取决于膨胀土边坡内部原生裂隙的分布、规模和扩展程度，此类滑坡往往规模较大，破坏性更强，可能会给铁路、房屋建筑、水利工程等带来灾难性破坏。



膨胀土的解决方法



方宏远说，对于膨胀土这种特殊的土层，工程界以往采用常规的设计和施工方法，包括增加安全储备，如边坡放缓或增加密度等，由于未掌握其变形和滑坡的本质规律，导致加固处理后仍然事故频发。



据了解，早期在施工过程中，由于膨胀土不能当作填料，挖出来的膨胀土需要在工地周边安排很大面积的地方堆放。不仅会破坏地形地貌，而且由于膨胀土难以被压实，暴雨冲刷后容易产生水土流失甚至是泥石流，对道路安全和耕地等造成威胁。另外，为了对膨胀土原来的位置进行填补，施工方还要到几公里或者十几公里之外的地区挖非膨胀土来填，不仅会使工程造价大大提高，还会对生态环境造成一定破坏。



中国工程院院士王复明指出，解决膨胀土难题还要从其本质规律出发，才能获得真正有效实用的技术手段。他说，针对膨胀土胀缩变形造成的工程危害，重点是控制其胀缩变形的产生。胀缩变形产生的条件是约束不足和水分改变，因此工程界有两种思路和对策。一种是压重处理，通过上部覆盖一定厚度的无胀缩性土层，约束胀缩变形的产生；另一种是采用防渗手段，控制水分变化。由于水分完全控制非常困难，因此压重处理是最为常用的手段。



针对膨胀土滑坡危害，重点是改变滑坡产生的条件。对于浅层滑坡，主要是降低浅层胀缩作用，通常采用压重处理，压重层包括非膨胀土、改性膨胀土（改性后无膨胀性）、加筋膨胀土（约束膨胀作用）等，如南水北调中线工程渠道边坡全线采用了换填水泥改性膨胀土；对于深部整体滑坡，由于膨胀土裂隙导致的先天不足和长期劣化问题，需要增加抵抗滑坡的外力，通常采用锚固技术弥补深部裂隙分布不均的缺陷；当滑坡规模过大且存在单一长大裂隙面时，锚固力量往往不足，可采用抗滑桩进行支挡或抗滑桩联合锚固技术进行加固，南水北调中线工程渠道边坡施工和运行期间，就大量采用了这种技术。



附：中铁二院膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究成果



2020年4月21日，四川省科学技术奖励大会在成都隆重召开，省委书记彭清华、省长尹力等领导出席了大会并作重要讲话。会议对2019年度四川省科学技术奖项目及完成人进行了表彰，中铁二院土建一院主持完成的“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”荣获四川省科技进步奖一等奖。集团公司副总经理王刚参加了大会，省勘察设计大师，集团副总工程师，项目负责人李安洪作为获奖代表接受了省领导的颁奖。



这是集团公司连续两年获此殊荣，也是土建一院主持的项目首次获得四川省科技进步一等奖。



高速铁路是中国向世界展示的一张亮丽名片，截至目前，我国已有运营高铁2.9万公里，在建高铁2.6万公里，占世界高速铁路的三分之二以上，且运行速度最高。高速铁路路基工程的“毫米级”变形控制是保证高铁高速、平稳、安全运行的核心技术。与传统普速铁路不同，高速铁路路基变形控制标准为5~15mm，仅为传统铁路的5~10%，要求极其严格。



膨胀土是一种特殊土，民间形象描述为“晴天一把刀，雨天一团糟”，膨胀土在我国四川、广西、云南等22个省市分布广泛，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力急剧衰减等特性，性质极不稳定，既有铁路、公路路基边坡坍塌、滑坡，基床翻浆冒泥，上拱和下沉，结构变形和开裂，工程危害极大，在岩土工程界素有“癌症”之称。



既要遏制“癌症”的发生，又要保证高速铁路膨胀土路基工程沉降量不超过15mm(过渡段5mm)，隆起变形不超过4mm，难度极大，被视为世界性工程技术难题。如果不解决膨胀土路基毫米级变形控制问题，路基将成为限制列车高速运行的瓶颈工程，势必影响我国八纵八横高速铁路网建设。



“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”项目组经过十多年刻苦攻关，采取理论分析→数值模拟→模型试验→现场试验→工程应用的技术手段，对膨胀土路基的胀缩变形和沉降变形特性、变形计算理论与设计方法、基床结构及地基加固技术、防排水系统和边坡加固防护技术等进行了系统研究，突破了三方面的技术难题：



1.通过路基原型湿干试验，揭示了膨胀土地基胀缩作用引起的路基基床变形规律，建立了综合考虑气候变化、应力传递、消能效应及水分迁移的群桩抗隆起计算理论及设计方法，构建了基于临界振动速度的膨胀土路基长期动力稳定评价方法，填补了膨胀土基床隆起变形设计计算及控制技术的空白。



2.建立了基于填土“消能”与“卸荷拱”效应的膨胀土路基胀缩变形计算方法。根据现场大量实测数据，确定了施工期地基沉降完成比例，提出了基于超固结特性的地基压缩层厚度确定方法和地基处理原则，完善了高速铁路膨胀土地基沉降计算理论，中-低填方路基工程可大幅节约工程投资。



3.发明了具有良好的抗裂、抗渗、抗疲劳等性能的膨胀土路堑基床水泥基防水抗裂材料，研发了装配式排水盲沟和减胀反滤排水层，实现了工厂化生产，装配式施工，效率提高50%以上，成本降低30%以上，建立了膨胀土地区高速铁路路基变形控制成套技术，实现了高速铁路路基毫米级变形控制。



“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”项目获授权发明专利7项、实用新型25项，省级施工工法3项，发表SCI、EI论文20篇，成果纳入了《铁路特殊路基设计规范》、《铁路路基设计规范》等行业标准。项目成果已全面应用于成绵乐、上海至昆明、昆明至南宁、贵阳至南宁、郑州至万州，成都至贵阳、贵阳至广州、川南城际等10余条高速铁路建设，推动了高速铁路路基工程技术进步，也为成渝中线高铁、CZ铁路修建提供了技术储备。项目所依托的“云桂高速铁路”获全球FIDIC优秀工程项目奖和中国土木工程詹天佑奖，另有十多个工程项目获省部级工程创优奖。项目成果奠定了集团公司路基专业在该领域的国际领先地位。