引江济淮工程膨胀土分析及应用要点

2019-01-13刘军

中华建设 2019年2期

刘军

引江济淮工程由长江下游上段引水，向淮河中游地区补水，是以城乡供水、江淮航运、改善巢湖和淮河水生态环境等功能的综合性工程，由引江济巢、江淮沟通、江水北送共三段组成，输水总长1048.68km，其中现有河湖634.01km，疏浚扩挖200.01km，新开河道114.66km。新开挖河道中开挖深度20m以上的约10km，最大开挖深度为46m，新开挖河道中膨胀土14.8km、弱膨胀土90.3km，膨胀土占新开河道的91.7%，弱膨胀土和中膨胀土在本工程沿线分布均较长，是研究的重点。全国目前有膨胀土渠道约30条，施工期间因膨胀土处理不当造成滑坡、结构变形等比例占32%，不仅造成了财产损失，甚至危及生命安全，因此对膨胀土稳定问题的研究，对引江济淮工程施工及运营安全有着重要的意义。

一、对膨胀土的认知

土的含量中主要粘土矿物成分主要由亲水矿物（如蒙脱石、伊利石等对湿度状态变化特别敏感）组成，叫膨胀土。膨胀土具有吸水变得膨胀软化和失水收缩干裂的主要特点，是遇湿胀、遇干缩，不断变形的高塑性粘土，膨胀土按等级划分为弱、中、强三类。根据自由膨胀率指标划分，40%≤Fs＜60%为弱膨胀土，60%≤Fs＜90%为中膨胀土，Fs＞90%为强膨胀土。膨胀土具有膨胀和收缩性、裂隙性、超固结性、遇水极具软化和低渗透等特征，膨胀土对工程会造成严重危害，被建筑行业公认为较难处理的土体。

工程中膨胀土若不能正确处理，会导致基础变形、边坡滑坡、地基开裂等问题，造成受膨胀土影响的工程带来严重的破坏，甚至造成巨大的经济损失。滑坡是膨胀土边坡最常见的破坏形式，具有浅层性、长期性、牵引性、平滑性、方向性、季节性和反复性。为了正确识别膨胀土，同时根据膨胀土特性，制定科学、合理的处理措施，保证工程较长时间内稳定，达到安全，防治膨胀土造成的工程病害。

二、膨胀土变形破坏主要原因

1.受气候影响变形破坏

受气候干湿循环的环境影响下，膨胀土土体反复循环胀缩，伴随着大量裂隙的产生，导致岩土性质弱化，力学指标衰减，强度参数降低，渗透性增加等，造成结构破坏。

2.受渠道开挖变形破坏

膨胀土具有超固结性，受渠道开挖深度影响，膨胀土上部覆土荷载逐渐卸除，从而造成开挖处土体产生膨胀和变形，孔隙率增加，饱和度降低，使土体变得松弛和应力释放。先从坡脚局部破坏，开挖深度越深，侧向滑动荷载越大，然后向上逐级牵引形成膨胀土边坡，或者造成结构面变化而滑坡。

3.受土体蠕动变形破坏

受雨水或地表水的浸泡影响，膨胀土发生浅表层蠕动变形，对渠道衬砌进行破坏，进而造成渠道、渗水、漏水，时间越长将对渠坡稳定带来危害。

三、膨胀土主要处理措施

膨胀土处理方法主要从防水、防裂隙、防风化和防强度的剧烈衰减等角度，采用措施使土体形成与外部环境相对隔绝封闭。目前常用的处理方法有主动处理法和被动处理法。主动处理法有非膨胀土换填法、膨胀土水泥改性土换填法、铺设土工膜法等；被动处理法有土工格栅填土法、抗滑桩或挡土墙支档法、混凝土预制块或砌石法、锚杆或喷射混凝土法、混凝土面层封闭法等。

以上所采用的处理方法大部分施工方法及工艺简单，且在工程中得到较好应用。根据引江济淮工程实际地质情况及自身特点，项目以膨胀土水泥改性土换填法为主，该方法对水泥改性土生成的试验分析、参数确定、施工方法、质量控制等要求高，本文在此进行介绍。

四、膨胀土水泥改性处理

“降低膨胀土体含水率”是改性土最直观的必要条件。因膨胀土遇水膨胀、失水干缩，需将膨胀土进行改良处理。采用填料拌和机掺拌设备，将膨胀土料和5%的水泥充分搅拌均匀，利用两者的物理及化学反应，改变膨胀土的力学性质，使土的强度、水稳定性增强，膨胀性得到控制。碾压后形成的换填层，一是使大气不能直接作用于膨胀土基础，二是基面的膨胀潜能被吸收，使得因含水量变化而引起的原膨胀土基础自身所产生的胀缩应力减小，防止产生边坡滑坡危害。主要采用土料开采运输→翻晒→碎土→水泥改性土拌制的流程进行改性处理。

1.检验及施工工艺试验

施工前，进行室内试验获取土的含水率、粘粒含量、膨胀率、塑性指标、水泥掺量等弱膨胀土或中膨胀土土料的各项指标参数。现场做碾压施工工艺试验，进一步确定施工所需的碾压机械、碾压遍数、压实机械、以及铺土厚度等参数。参数在整个施工过程中，根据现场情况不断调整。

2.开采运输

土料采用挖掘机开采挖装，自卸汽车运输，推土机在堆放区推平，同时根据施工组织、土料及场地情况采用土料场集中堆放及就近堆放两种。在堆放场周围做好临时排水沟，出现地下水时，设置开挖渗沟及集水坑进行降水。土料开采时做到同层、齐头并进，不得没有规划任意开采，同时采取立面开采或者平面开采的方式。开采出的土料运至堆放场堆放。

3.翻晒

将土料运输至翻晒场，然后将土料用推土机推平，晾晒，采用旋耕机不断旋耕翻晒的方法进行降水，直至含水率满足破碎的要求，最后收运至拌合场。

4.碎土

在拌制水泥改性土之前，膨胀土土料中的土块或粒径10cm以上的钙质结核应清除。土料采用液压碎土机在拌和场内进行破碎，上料碎土、拢堆采用轮胎式装载机进行，碎好的土料用塑料布进行临时覆盖。破碎的土料粒径大小应符合相关技术标准要求。

5.水泥改性土拌制

水泥改性土集中拌制，通过试验，绘制水泥含量标准曲线，便于水泥改性土中的水泥含量检测，再通过水泥改性土用稳定土拌合机拌制试验，为拌合机设备运行提供拌合参数。土料、水泥和水的重量由拌合机的计量系统根据试验确定的参数进行控制。拌合时间不得小于两分钟。拌合好的料原取样进行均匀性检测，不合格时应分析原因，必要时调整设备控制参数。水泥改性土的水泥含量采用EDTA滴定法测定，水泥掺量的平均值不得小于设计掺量，也不得大于有关技术要求。

五、膨胀土水泥改性土的应用要点

膨胀土在换填前，清理干净基面并经验收合格。采用台阶法进行摊铺保证土体结合性，摊铺厚度与台阶厚度一致。摊铺时根据碾压试验所取得的参数严格控制摊铺厚度，压实度每层控制厚度为25cm，同时采用插钎法进行检测。现场碾压采用先静压2遍后震压的方式，震压6遍后满足96%的压实度。用羊角碾振动压路机进行碾压，碾压完成后压实度采用环刀法检测，检测合格后方可填筑下一层。

换填完成后，利用挖掘机进行削坡，人工配合施工。经验丰富的挖掘机操作司机先按照样槽来进行削坡，削坡的方向与渠道的轴线垂直，从上至下顺坡向进行。为最大限度利用削坡余料，土料统一集聚在坡下后装车运送到拌合场再次拌合后使用。削坡时预留出5～10cm的薄土层，在挖掘机的斗齿前焊接一块钢板作为“刮板”，垂直于渠道轴线，沿坡长自上而下刮除预留的薄土层，钢板的厚约20mm，长度与挖掘机斗宽相同，宽度约为15cm，前缘齐平于斗齿。人工将坡面遗留的松土用平头铁锹清理到挖掘机附近，随“刮板”拢堆。坡面上按坡度放样，每5m一个断面钉木桩，并将尼龙线固定在桩位上，挂线完成后钉桩加密，人工整理坡面至其坡度和平整度满足设计和规范的要求。

保证水泥改性土后期强度的形成及取芯，水泥改性土成型后禁止车辆碾压，同时洒水后用塑料薄膜或彩条布覆盖保湿养护，根据每天温度情况确定洒水保湿养护次数，使水泥改性土层表面始终保持湿润。