膨胀土边坡的防护与支护措施

□王先忠 □刘 蓓 □宋五朋（河南省水利勘测有限公司）

1 概述

膨胀土是一种含有大量亲水性矿物、湿度变化时有较大体积变化、变形受约束时产生较大内应力的粘性土。

膨胀土的矿物成分主要是蒙脱石、伊利石土和高岭土等亲水性矿物组成,为一种高塑性粘土，有较强的胀缩性，多含有钙质或铁锰质结构，一般呈棕、黄、褐色及灰白，一般承载力较高，垂直方向为主的网状裂隙发育，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力衰减、干缩裂隙发育等特性，性质极不稳定。

膨胀土在我国的分布范围很广，如广西、云南、河南、湖北、四川、陕西、河北、安徽、江苏等地均有不同范围的分布。河南省境内膨胀土的平面分布相对集中，主要分布在鹤壁周边地区以及禹州、平顶山、驻马店一线以西这两个区域内，地貌单元属低山、丘陵地貌，主要为第四系中更新统的粉质粘土、粘土及上第三系粘土岩（粘土岩是一种主要由粒径＜0.39×10-2mm的细颗粒物质组成的并含有大量粘土矿物的沉积岩。疏松未固结者称为粘土，固结成岩者称为泥岩和页岩），因成因特点，不同程度上含铁锰质氧化物及钙质结核。

河南省南水北调配套工程（以下简称配套工程）涉及区域多，线路长，在膨胀土分布区域多有涉及。在配套工程输水线路施工开挖中，输水线路基槽施工开挖边坡高度3～5m左右，局部6～9m，穿总干渠基槽施工开挖边坡高度一般10～20 m左右，穿越顶管竖井施工开挖边坡高度一般6～10m左右，膨胀土的胀缩特性对边坡稳定性危害很大。为此，通过分析影响膨胀土胀缩变形的主要因素，结合膨胀土结构特性，从而对膨胀土采取有效的防护、支护措施，增加配套工程基槽、竖井施工开挖的边坡稳定性，保证配套工程的顺利施工。

2 影响膨胀土胀缩变形的主要因素

2.1 粘粒含量

膨胀土的粘粒含量高，多达35%～85%，属液限＞40%的高塑性粘土，粘土颗粒小，分散性大，比表面积大，则表面能大，故其遇水对水分子的吸附能力高。因此，土中粘粒含量愈多，土的塑性指数愈高，则土体的胀缩性愈大。

2.2 粘土矿物

膨胀土的粘土矿物成分主要是蒙脱石、伊利石、高岭土，它们具有很强的亲水性，吸水时体积膨胀，失水时体积收缩。亲水性粘土矿物愈多，则土体的胀缩性愈大，其在膨胀性上蒙脱石＞伊利石＞高岭土。

2.3 含水率

天然含水率是制约膨胀土收缩性的关键因素之一，立即产生垂直和水平两个方向的体积膨胀。含水率的轻微变化，仅1%～2%的量值，就足以引起有害的膨胀。含水率增加，干密度减小，膨胀性就降低；相反强度增加但膨胀性增加。但应注意的是，含水量增加，会引起土的强度降低。

2.4 密度

土的密度大，孔隙比就小，浸水膨胀强烈，而失水收缩小；相反，土的密度小，孔隙比就大，浸水膨胀小，失水收缩大。而孔隙比处于中间值时，土的胀缩变形都较大。膨胀力可以方便的用作衡量粘土的膨胀特性的一种尺度，对某种给定的粘土来说，其膨胀压力是常数，它仅随干容重而变化。对于未扰动的粘土来讲，干容重是土的原位特征。

综上所述，膨胀土具有胀缩变形特征，可归因于膨胀土的内在因素及外部因素两个方面。内在因素主要为粘粒含量和粘土矿物；外在因素主要为水对膨胀土的作用，土中原有含水率与土体膨胀时所需含水率相差越大，则遇水后土的膨胀越大，失水后的收缩越小，而土的密度与含水率息息相关。

3 比较可行的膨胀土边坡防护与支护措施

配套工程一般输水线路施工方便、快捷、工期短，基槽开挖深度较低，一般采取快挖、快填，以减少膨胀土的暴露时间，并采取覆盖保水材料等保护临时边坡措施，在膨胀土的膨胀性尚未完全爆发之前就完成基坑回填。

配套工程中对于深基坑以及施工工期较长边坡，比较可行的膨胀土边坡防护与支挡措施有：

3.1 脚墙+支撑渗沟+片石骨架+土钉墙

尤其是支撑渗沟，倍受青睐。这种方法主要用于地表水、地下水比较丰富的膨胀土边坡的防护与支护。

其中，脚墙稳定了坡脚，亦起到稳定坡面及抵挡土体侧向膨胀力；支撑渗沟+片石骨架既可及时疏导土体中的水，保持土体一定的含水量，亦可对边坡起加固作用，防止边坡发生涨层溜塌；土钉墙是一种原位土体加筋技术，将基坑边坡通过由钢筋制成的土钉进行加固，边坡表面铺设一道钢筋网再喷射一层混凝土面层和土方边坡相结合的边坡加固型支护施工方法。土钉墙能提高土体的整体刚度和结构整体性，有效抑制应力释放和膨胀变形，加强边界约束作用，且坡面全封闭使坡面保持天然含水量，防止含水率降低、干湿循环造成的土体结构破坏。

对于环境适宜的永久边坡，亦可采取草皮或干砌片石代替土钉墙。草皮或干砌片石以减轻坡面的不稳定性和侵蚀，多用于永久性边坡坡面的保护。

3.2 挡墙+土钉墙

用于无地下水的膨胀土边坡的防护与支护挡墙主要用于抵抗土的侧向压力、膨胀力，收缩边坡，重力式挡墙对膨胀性向下增强的工点有效，挡墙固脚尤为重要，墙背反滤层也可减少膨胀力，要求在墙和膨胀土之间填有一定厚度的非膨胀材料以降低膨胀压力的影响。该措施增加适宜的排水措施，亦可用于地下水较少的膨胀土边坡的防护与支护。

类似的支护、保护措施，亦可采取坡脚抗滑桩+锚杆框架+挂网喷混凝土的联合防护措施。特别要求：钻孔要求干钻，禁止采用水钻，以确保锚杆施工不至于恶化边坡岩体的工程地质条件和保证孔壁的粘结性能。

3.3 预加固施工

在边坡开挖前，根据工程地质条件，采取预埋抗滑桩、超前水泥注浆等，再行开挖，然后采取合适的联合保护措施。该措施主要用于土体本身强度较低、场地限制、其它建筑物濒临基坑的边坡支护。

综上所述，由于膨胀土的内在因素在原位状态下难以尽量改良，仅水泥注浆改变了土体结构，引起的凝硬反应使粘土层之间的胶结力增大，阻止了膨胀力，从而处于更加稳定状态。其它无论哪种膨胀土边坡防护与支护措施联合防护，均是针对膨胀土的外在因素与土体结构，减少含水率变化，防止因膨胀土胀缩性加剧膨胀岩裂隙发育造成的溜塌、坍塌或滑坡现象。

4 结论

综上所述，膨胀土具有胀缩变形特征，可归因于膨胀土的内在因素及外部因素两个方面。内在因素主要为粘粒含量和粘土矿物；外在因素主要为水对膨胀土的作用，水的迁移是控制土胀、缩特性的关键外在因素。由于膨胀土的内在因素在原位状态下难以尽量改良，故膨胀土边坡防护与支护措施多是针对膨胀土的外在因素与土体结构而采取的联合防护。

李洪涛,田微微,王松江.河南膨胀土分布及工程地质特性[J].工程勘察，2010（01）：27-32.