膨胀土改良及生态修复技术研究进展

李志萍，何文龙，冯长松，汪 伟

(1．华北水利水电大学，河南 郑州 450045;2．河南省农业科学院畜牧兽医研究所，河南 郑州 450002;3．河南省潢川县农科所，河南 潢川 465150)

膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊黏性土，其主要工程性质是具有强亲水性、多裂隙性、超固结性和反复胀缩性［1］． 中国是世界上膨胀土分布最广、面积最大的国家之一，危害地区多达20 余个省区．作为南水北调中线渠首和主要水源区的河南南阳，其膨胀土分布面积就约占南阳盆地面积的65%，全国遭受膨胀土破坏的各类房屋建筑与地下工程大约有1 000 万m2．在膨胀土地区修建的铁路、公路、水利工程等边坡易发生滑塌等灾害，不少地段防护工程屡遭破坏． 我国铁路部门总结膨胀土地区修筑铁路的经验为“逢堑必滑、无堤不坍”［2］．这种破坏作用具有长期存在和反复性等特点，膨胀土被称为“工程界的癌症”，膨胀土问题严重地影响和制约了我国众多大型建设工程的选址、顺利实施和国民经济的健康发展． 为了确保建筑物的安全，治理膨胀土已刻不容缓．

有关膨胀土的治理，目前国内外形成了许多方法，大致可以分为膨胀土传统治理、复合液改良、微生物改良、纤维加筋改良、植物改良等方法．

1 治理膨胀土的主要传统技术

在膨胀土治理的过程中，传统治理膨胀土的技术主要采用全封闭的刚性防护，即浆砌片石满铺防治、混凝土六角块满铺防护、土钉墙等． 刚性防护能阻止降水被非饱和土吸收，降低土体抗剪强度．传统膨胀土的防护和加固措施主要根据工程所在地膨胀土膨胀变形破坏类型和影响膨胀土稳定的水文地质条件来确定，最终通过技术经济比较确定工程措施［3］．膨胀土治理的传统技术主要有以下几种，见表1．

表1 膨胀土的传统治理措施

续表1

实践证明，传统的膨胀土治理在工程完工后几年内能够较好地遏制膨胀土膨胀变形，但随着时间推移，膨胀土会因大气降水、地下水等的影响再次胀缩发生破坏，且这些措施与当地自然环境极不协调，并会产生眩光、噪声等危害［11］．

2 膨胀土改良技术进展

传统的膨胀土治理不能从根本上解决膨胀土的危害，所以应以生态改良替代传统治理．综合国内外膨胀土生态治理及改良的发展状况，目前膨胀土的改良方法具体分为无机改良、复合液改良、微生物改良、纤维加筋改良和植物改良等．

2．1 无机改良膨胀土技术

无机改良的主要方法有掺石灰、水泥、粉煤灰、碱渣、绿砂等［12－14］，其中掺入石灰和水泥是目前改良膨胀土最普遍的方法．

石灰改良机理有4 种作用［15］:①离子交换作用，石灰与水反应能电解出大量的Ca2+与Mg2+等，置换出膨胀土中颗粒表面的亲水Na+，K+离子，可有效降低膨胀土的胀缩性，提高膨胀土的自身强度;②絮凝作用，生石灰与土壤中的水分反应并释放出大量的热量，使土中含水量迅速降低，使胶体颗粒间的水膜厚度变薄，导致双电层中的阳离子变薄，最终导致土壤颗粒间距缩小，产生絮凝作用;③碳化作用，石灰与空气中的CO2反应，形成一种较弱的钙－碳或镁－碳黏结物质，使土壤碳化;④胶结作用，石灰与土中大量存在的硅、铝或者两者同时作用，形成新的具有较强黏结性的胶结物质． 前两个作用过程使土的可塑性增大，因而改变了黏土矿物的电荷，后两个作用过程是黏结反应过程，能使土的承载强度提高．

俞缙等［16］对宁淮高速公路淮安路段的膨胀土进行了水蒸气和氮气吸附试验．研究发现，随着石灰掺量的增加，BET 微孔比表面积呈折线形变化，中孔的累积容积随掺灰量的增大而减小，中孔孔径先增大后减小，膨胀土的吸水性与中孔孔径的变化成负相关，确定该地区的最佳掺灰量为6%． 王志平等［17］对沙河电厂内的膨胀土研究表明，土体中以Ca2+及K+为主，其含量关系为Ca2+＞K+＞Mg2+＞Na+，掺灰率是最重要的影响因子，随着掺灰率的增加，土体强度有所提高，确定其最优掺灰率为5%．孔令伟等［18］对荆门原状膨胀土和经石灰改良后膨胀土进行压力板对比试验，发现经石灰改良后的膨胀土与原膨胀土相比，其进气值显著降低，残余含水率、水稳定性显著提高，土体性状更加稳定． 石灰改良后的膨胀土即使在湿化饱和后，仍保持了相对稳定的力学性质和较高的抗剪强度参数值．陈爱军［19］对广西南友公路沿线灰白色膨胀土进行了石灰改性的CBR 试验、三轴剪切试验、直剪试验和无侧限抗压强度试验，证明了掺灰剂量、含水量和密实度对改良膨胀土的CBR 值影响较大，掺灰率对直剪试验结果影响规律不明显，三轴剪切试验的黏聚力和内摩擦角随掺灰率增加而增大，养护初期无侧限抗压强度与龄期呈线性增长关系．

水泥改良膨胀土机理方面［20］:当水泥掺入到膨胀土后，水泥中的主要物质会在水解和水化反应后产生水泥化合物，水泥化合物一部分自身继续硬化，形成水泥骨架，剩余部分则与其周围具有一定活性的黏土颗粒发生离子交换作用、团粒化作用和硬凝反应，水泥水化物中的氢氧化钙又与二氧化碳发生碳化作用．经上述一系列反应与相互作用后，改变了膨胀土的原有性质．

薛丽皎［21］用水泥改良中强膨胀土，对不同掺灰量膨胀土的抗剪强度、击实性、自由膨胀率、界限含水量进行了试验研究．研究表明，随着水泥掺量的增加，水泥改良后的膨胀土液限和塑性指数显著降低、最大干密度增大、最优含水率降低、膨胀率减小、土体抗剪强度显著提高．杨俊［22］在湖北宜昌小溪塔至鸦鹊岭一级公路改建项目的膨胀土中分别掺入水泥、风化砂、石灰、粉煤灰进行改良，通过改变4 种改良材料的掺料进行直剪试验，试验证明了在掺入相同质量条件下，掺水泥显著提高了膨胀土的黏聚力，同时也能最大幅度地提高膨胀土内摩擦角． 唐云伟［23］研究不同配合比的水泥掺量对改良膨胀土无侧限抗压强度的影响规律，试验表明，在水泥掺量小于7%时，随着水泥掺量增加能显著提高膨胀土的无侧限抗压强度;当水泥掺量超过7%时，随着水泥掺量的增加，无侧限抗压强度增长速度变缓;最终确定该地区最优水泥改良配合比为7%．

石灰改良作用是通过离子交换、胶结性、石灰与黏土颗粒的相互作用表现出来的，掺石灰的主要作用是降低膨胀土的胀缩量和液限，从而提高土体的强度．水泥固化是由钙酸盐和铝的水化物与颗粒之间的胶凝作用而产生的，由于胶凝物逐渐脱水并与新生的矿物结晶产生作用，从而降低了液限和膨胀性，增大了抗剪强度和缩限．在膨胀土中掺入适量的水泥、石灰虽能显著提高膨胀土强度，充分降低膨胀率，但易造成土壤碱化、板结，不利于生态修复［24］．

2．2 复合液改良膨胀土技术

2．2．1 CMA 生态改性剂

CMA(Changing the Montmoriuonite's Absorbent)是由一种活性石灰+复合化学配方+水充分搅拌组成．其原理是复合改良液在水中电解出的阳离子替换原本吸附在膨胀土颗粒表面、亲水性极高的阳离子，取而代之的阳离子是亲水性较低、黏结力极强的铝离子及其水合物，改变了原膨胀土颗粒的结构特征，从而提高膨胀土的抗剪强度，改变其属性特征，将膨胀土改性为非膨胀土，且具有比石灰更稳固、更持久的效果［25－26］．复合改良液通过喷洒渗透到土体内部，更重要的是它可以通过雨水的渗透作用达到雨水能达到的深度，这样就从根本上解决了雨水渗入对膨胀土的影响．

复合改良液的优点:①pH 值为6 ～7，无毒、无腐蚀、无污染、不易燃易爆，属于环保产品;②改性后的土体不需处理即可使灌木和花草生长，具有美化环境的功效;③能根据不同强度类型的膨胀土调制复合改良液;④施工简单，工期短，施工进度快．其缺点是复合液调配较复杂，造价高，植物在其上生长易造成烂根．

2．2．2 固化剂

离子型土固化剂(Ionic Soil Stabilizer，ISS)，即电离子土壤强化剂，是一种由多个强离子相互作用而成的水溶剂．该溶剂是由化学配方复合而成的，其中包含由鱼油或植物油与硫酸相互作用，再经中和而得的含有活性成分的磺化油． 由于ISS 中的磺化油树脂是一种带高密电荷且能溶于水的电解质，电离出来的阳离子与土壤胶体颗粒表面的阳离子产生交换作用，替换吸附在土壤胶体表面的且非常容易亲水的阳离子，取而代之的是亲水性较低、黏结力较强的铝离子及其水化合物［27－28］．而ISS 本身只是一种催化剂，与土壤中钠、钾等离子反应前后，其化学性质亦并没有改变，其量也未减少． 因此，在土壤中只要有ISS 存在，在外部压力作用下，会具有结晶作用，土壤就会变得越来越密实，越来越坚硬，越来越岩石化．

ISS 固化剂优点:①可使黏土固化，随着时间推移，逐渐形成类似于岩石的结构，水分不易侵入，提高土的强度、稳定性、耐久性和抗冻性;②将ISS 固化剂用水稀释后，直接喷洒在砂石路表面，能减少沙尘，降低砂石路养护费用;③ISS 固化剂施工完毕后2 h 即可开放交通，必要时可进行少量洒水，以防止其表面开裂． 缺点:ISS 固化剂施工具有局限性，它适用于塑性指数为6 ～30、黏土颗粒含量在10%以上的膨胀土中．随着时间推移，经ISS 固化剂处理的土壤变得坚硬，不适合植被自然恢复．

2．3 微生物改良技术

微生物改良是利用生物表面活性剂附着在黏土矿物的表面上，降低液面张力并使黏土矿物表面疏水化，破坏矿物表面水化膜或使之变薄，从而使粒间黏结力变大，提高土的抗剪强度，减小土的胀缩性．

我国最早开始研究微生物与土体间相互作用的机构是中科院武汉岩土力学研究所．周芳琴等［29］研究了微生物(黑曲霉菌)于坝基土体间的物理化学和生物作用，论证了微生物对某些岩土体性质会产生显著影响．杨承志、冯庆贤等［30－31］研究了微生物的采油机理，论证了微生物在发酵过程中，能产生醇、酸等游离态离子，从而与原油及油藏环境产生各种生物化学作用． 在此基础上，周东等［32］根据膨胀土的胀缩性、化学改性机理，提出将微生物用于膨胀土的改良． 杜静等［33］结合南宁—百色高速公路工程，成功筛选出4 种能有效改善膨胀土的菌种，为膨胀土生物改良提供了有力的证明．

2．4 纤维加筋改良膨胀土技术

纤维加筋土技术［34］指在填土中掺入一定比例的土木纤维，使土的力学、物理等性质得到改善的一种复合土技术，即利用土与纤维材料之间的咬合力或摩擦力来限制土体在空间上的变化． 纤维加筋土作为一种新型的加筋材料，其优点是:①强度高;②容易拌合均匀，从而使土样的强度具有各向同性;③不会像土工织物和土工格栅那样因为加筋方向和加筋间距而在土中形成一些潜在的软弱面等．

纤维加筋土技术自20 世纪60 年代初由法国道桥中心研究所首次提出并在法国修建了众多边坡和挡墙工程，并取得了良好的工程效果． 近年来，纤维加筋土技术已被应用于岩土工程中，吸引了众多国内外研究人员的关注．Omer S 和Temel Y［35］研究了离散纤维加筋砂土的剪切强度性质． Sridhar R S 和Prabakar J［36］研究了剑麻纤维不同长度和掺量对土强度的影响．国内也开展了一些纤维加筋土的研究．蔡奕等［37］指出在黏性土中加入聚丙烯纤维，对团聚体的强度有一定的影响．李广信等［38］总结了丙烯纤维加筋对黏性土的工程性质的影响，并提出纤维加筋土附加应力的强度计算方法．唐朝生等［39］则从土质的角度研究了含砂量的变化对聚丙烯纤维加筋黏性土强度的影响． 丁万涛、雷胜有［40－41］利用涤纶纤维加筋膨胀土，从损伤角度研究了加筋强度． 李天龙［42］研究了纤维含量对膨胀土的压缩性、抗剪性及无侧限抗压强度的影响，并确定了最优聚丙烯纤维含量．

2．5 植物改良膨胀土技术

植物改良工程是一项建立在可靠的土壤工程基础上的生物工程，它利用具有生命力的植物的根、茎作为结构的主体元素加强土壤的稳定性，在植物群落建群和生长的过程中实现加固和稳定坡岸，控制水土流失，改善栖息地生境和实现坡岸生态修复等．

植物在自然环境中保持水土、改善生态环境作用显著．草本植物的根系在地表以下20 ～40 cm 范围内的土壤中盘根错节，使土壤形成一个复合加筋体，对表层土起到了加筋作用．灌木根系能够深入地表以下1．5 m 左右，对土壤起到了锚固加筋作用．植物生长对土壤内的水分具有吸收和蒸腾作用，在干旱和雨季可调节地表以下土壤水分的急剧变化，降低土体孔隙水压力，避免土体干裂和饱和，从而提高土体抗剪强度，有利于边坡的稳定．植物叶片对降雨能截留，并通过叶面蒸腾作用蒸散到大气中，减少雨滴对坡面的溅蚀．植被也能够通过自身代谢过程改良土壤．

陈向波等［43］在研究孝襄高速公路膨胀土边坡稳定性时提出，选择合理的边坡坡率并利用植被措施与工程措施相结合的综合治理措施能很好地解决该地区膨胀土边坡稳定性问题．高丽君等［44］在湖北省当阳市公路段采用植物防护技术处理弱膨胀土的试验中发现，香根草等植物保护的路基受损微小，路基开裂、下沉控制效果显著． 李志清等［45］在孝襄高速公路膨胀土路段试验了锚杆框架梁护坡技术，筛选了加拿大无芒雀麦、紫穗槐等改良膨胀土的植物，此方法不仅使护坡更加稳定，而且改善了原有的自然环境，是将工程护坡与植被护坡相结合的典型，有利于边坡稳定和维护生态平衡．

3 膨胀土改良技术展望

我国是膨胀土分布最广的国家之一，有20 多个省份分布着膨胀土．工程建设土方开挖中，大量膨胀土因不能满足工程建设需要而被丢弃或者改良，常常造成巨量土方浪费和环境的破坏． 如何将膨胀土进行改良，经生态修复后适合植物生长，构建和谐自然，这将是未来膨胀土改良发展的重要趋势．膨胀土的改良涉及多个学科知识的综合交叉，结合目前膨胀土改良技术和方法，笔者认为应在以下几个方面加强研究．

1)传统膨胀土的治理措施未能从根本上解决膨胀土的膨胀性问题，而且难以与周围自然环境融合，应树立一种以生态修复为主，工程措施为辅的理念．

2)我国科研人员已在膨胀土的无机改良和复合液改良方面做了大量研究，但是这些改良都易对当地的生态环境造成影响，甚至是破坏作用，如何把膨胀土无机改良或复合液改良与膨胀土的生态修复相结合是今后研究的重点和方向．

3)微生物在改良膨胀土的作用方面日益重要，应在微生物肥料、微生物改良膨胀土的机制等方面做进一步研究．

4)膨胀土生态修复应根据不同地区的气候特点因地制宜，利用现代技术与传统育种方式结合，选育适生于改良后膨胀土的灌草主推品种，如紫花苜蓿、狗牙根、假俭草、紫穗槐和胡枝子等，是膨胀土生态修复的重要突破口之一．

5)灌草建植的后期管养对于膨胀土生态修复极其重要，膨胀土生态修复的水肥持续协同管理技术研究也将是今后一段时间内非常迫切的研究课题．

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