膨胀土分布规律及工程地质特征分析

宁豪杰，郑 豪

（湖北省核工业地质局，湖北 孝感 432000）

通过对我国某地区一处高速公路工程施工区域施工区域的岩土条件进行勘察和分析，膨胀土多露于二级或者二级以上的阶地、山前以及盆地的边缘地带，整体的地形相对比较平缓，不存在明显的自然陡坡，这也是膨胀土分布的基础规律。通过这一分布规律的有效分析和研究，在公路工程的地质勘测工作过程中，由于该地区的膨胀土在整体的深度和水平方向上的分布不同，具有较强的不均匀性以及不连贯性，再加上公路工程的施工规范要求，对勘测点位的间距设置过大，经常会发现一些鸡窝状和零散分布的膨胀土路段。比如，该区域的膨胀土表层具有明显的覆盖层，本次高速公路工程施工穿越了一处盆地区域，将数公里的膨胀土路段当作普通的土壤路段进行施工，直到路基开挖一年之后边坡陆续出现破坏，才发现该路段存在大量的膨胀土条件。由于膨胀处没有得到人们的重视，故经常会出现公路路基工程施工问题。又如，在此次高速公路施工段，运用膨胀土填筑路基施工完成之后出现了比较严重的纵向裂缝问题，长度超过200m的路段整治花费总投入超过了1000多万元，所造成的经济损失非常严重。

1 施工区域地质条件和膨胀土的分布条件

通过对该地区的地质条件进行详细的勘察和分析发现，该地区由外向内呈现逐级下降的趋势，山地、丘陵、台地以及平原构成了环形层状的地貌条件，梯级结构构成非常明显。其中，土壤地质条件以花岗岩分布最为广泛，占到了整个区域施工面积的45.6%，其次为玄武岩和砂页岩膨胀土，大致可以分为玄武岩次生红土型、湖积硬黏土型以及砂页岩风化残积膨胀土三种类型。玄武岩次生红土型膨胀土尽管多表现为热性膨胀土，但是由于玄武岩的次生红土在该地区分布非常广泛，因此其是该地区的路用性质。湖积硬黏土尽管分布存在一定的局限性，但是经常表现为中强性膨胀土，对于路线边坡的工程施工影响最为明显。在对湖积硬黏土膨胀土进行分析的过程中，需要对边坡工程的地质条件进行全面的分析和研究，由于砂页岩风化残积土属于非典型的膨胀出，虽然表现为弱膨胀土但是经常是以鸡窝状进行分布，因此工程技术人员在对这一膨胀土的认知程度上相对比较有限。

2 玄武岩次生红土型膨胀土分布及成因

2.1 玄武岩的分布特征

新生代火山岩在我国一些海南岛北部区域分布非常广泛，碱性玄武岩系列的岩石条件主要分布在凹陷带边缘，并且形成于第三纪。拉斑玄武岩系列的岩石，主要分布在雷琼凹陷带的中心部位形成于第四纪。在凹陷区域地区主要是以二氧化硅、钠质强碱性岩石材料作为主要的构成形式，同时内部还有比较多的尖晶石和橄榄岩石等。

硬黏土型膨胀土在分布过程中主要处于新生代湖泊和盆地区域，主要表现为舒缓波状结构，由于新生代火山的日常活动相对比较频繁，因此在新生代的盆地区域经常会受到地质破坏，湖积硬黏土型膨胀土仅在局部区域存在。硬黏土型膨胀土在分布条件方面，主要表现为裂隙中充填土为主、灰绿色黏土为辅，在自然条件下会慢慢形成一种更加坚硬的地质条件。湖积硬黏土的膨胀土，在公路的路线边坡区域经常会出现坍塌和损坏问题，主要是以台阶式的滑坡作为主要的损坏方式，滑坡后部区域通常呈现出一个75°左右的倾斜角，并且存在陡立拉裂面底部的滑动面角度范围在5～15°。由于该地区的气候条件属于比较剧烈的干湿循环作用条件，在膨胀土的胀缩活动带和开发过程中，下半部分会出现比较严重的胀缩活动，同时活动带内部形成了二元结构活动带，有效控制了膨胀土的开挖边坡所导致的滑塌问题，使得该类型的边坡具有较强的破坏性，具体如图1～图4所示。其中需要注意的是，当开挖边坡率为1∶1.5时，初始的开挖湖积硬黏土的膨胀土，路堑边坡可能在开挖半年之后仍然保持比较稳定的状态，当依照常规的开挖方法加以进行，这种滞后破坏的特征延续时间相对较长，但是如果不采取有效的膨胀土边坡加固处理方法，破坏问题会时有发生。

2.2 砂页岩风化残积土型非典型膨胀土的土质特征

图1 膨胀土的开挖边坡

图2 膨胀土边坡监测

图3 膨胀土边坡加固处理

图4 湖积硬黏土型膨胀土的路堑边坡破坏模式

为了有效分析该地区砂页岩风化残积土的非典型土壤地质特征，对沿线区域的各种类型的膨胀土进行取样实验和分析。通过详细的分析和检测之后发现，该地区的膨胀土属于中强度膨胀土。从自由膨胀率蒙脱石含量、黏粒含量以及液性指标方面来看，和其他膨胀地区的中强膨胀土相类似；从蒙脱石的含量来看，属于热性膨胀土；从黏性土的含量来看，属于弱膨胀土。但是从土壤的自由膨胀率来看，则属于非膨胀类型的土壤，其中需要注意的是，该地区的风化残积土型非典型成长土。由于地质条件的特殊性和一些滨海的黏土条件有些类似，土壤条件属于膨胀土和非膨胀土之间的性质，该土壤不管是从自由的膨胀率、蒙脱石的实际含量以及黏土的含量等多项塑性指标来看，多数都可以判定为非膨胀土；从颗粒的分析结果来看，这种土壤属于黏土质材料，相比于普通的砂土材料，由于受到蒙脱石材料含量的影响，其中多数都可以判定为非膨胀土。

从颗粒分析结果来看，该类型的土壤属于黏土质材料，相比于普通的砂土材料，蒙脱石的含量过高，会直接影响到填料的具体特性，使其不能作为一种正常的路基填料被加以使用，因此其称之为非典型膨胀土。通过相关调查数据分析可以得出，该地区砂页岩风化残积土型非典型膨胀土平均黏土的含量为27.25%，小于30%的平均含量，平均自由膨胀率为37.05%，小于标准含量的40%；蒙脱石的平均含量为6.25%，小于标准含量的7%，但是其中需要注意的是，其平均值的近似大小分别为91%、85%以及95%。尤其是这种类型的土壤活性指标平均值达到了75%，在活性强度和土壤的黏性含量上超过了71.5%，土壤结构主要表现出砂性土的特点，土壤的整体透水性较强，防渗透性较差，保温性效果较低，因此对工程的整体施工带来了较大的困难。

为了进一步分析和说明蒙脱石对土壤性质所产生的影响，假设蒙脱石的比表面积大小设定为810m2/g。依照相关数据计算分析，可以得出砂页岩残积土非典型膨胀土、硬质黏土膨胀土以及玄武岩次生红土型土壤在蒙脱石的含有量所占有的表面积比例分别为75%、85%以及70%，表面积越大则膨胀土的胀缩性表现越明显。因此，可以从侧面说明砂页岩残积土当中6.25%的蒙脱石含量，可能比玄武岩的次生红土7.78%的蒙脱石含量胀缩性能表现更加明显。在填筑施工过程中可以发现，玄武岩次生红土膨胀土可以使用湿法压实的方式进行填筑施工，而砂页岩属于非典型膨胀土，无法满足施工的压实程度以及路基填筑的施工要求，主要是因为填料在摊铺施工过程中，砂页岩残积土非典型膨胀土可以保证土壤中的水分不会受到影响，同时在还有蒙脱石的细颗粒土壤当中，整个膨胀土的总量占比达到了71.5%，大部分的水分和填料摊铺、压实工作在正式开始施工之前已经被完全蒸发和散失，变成了压实的土壤材料。尽管含水量标准和施工的含水量基本相同，但实际上已经无法被充分进行压实，造成路面压实层的强度不断下降，形成比较严重的工程施工质量问题。因此，对于砂页岩残积土非典型膨胀土的路用工程性质，需要相关人员进行进一步的分析和探索。

3 结束语

为了有效防止膨胀土路段因为没有勘测具体，造成工程施工出现质量问题，需要不断加大对膨胀土的土质形成原因的研究工作力度，边坡工程的地质特性、路用性质等方面问题都需要相关人员加以充分了解。由于膨胀土的整体分布范围相对较广，在研究工作过程中需要相关人员具有较高的专业素养充分的工作优势，不断提高岩土勘察工作的整体质量和效果，有效判断膨胀土的详细分布规律。