膨胀土边坡施工防治探析

王春露

（安徽省阜阳市水利规划设计院有限公司，安徽 阜阳 236000）

在河道整治领域中，膨胀土对河道工程产生的危害问题一直都是难以妥善解决的技术难题，它具有湿胀干缩性、渗透性差、多裂隙性等工程特性。当河道堤防土壤性质为膨胀土时，边坡稳定性差，崩岸塌岸现象屡见不鲜。

1 工程概况

阜南县朱寨镇三河村河道塌方项目位于朱寨镇三河左岸。2021 年2 月河道管理单位巡视时发现该处堤防迎水侧岸坡出现裂缝，4 月底连续降雨后裂缝扩大，向上、下游两侧延伸，并整体向河床下滑，最大滑深达1.5m，受其影响，岸坡内树木倾倒。经分析，边坡滑动主要原因为：（1）河道两岸局部填土厚度大，结构松散，工程性质差，容易垮塌；（2）河道两岸岸坡较陡，河道现状边坡一般在1∶1.5 左右，使河岸整体稳定性较差；（3）2021 年4—6 月份降雨较大，河道水位较高，边坡长期受河水浸泡，膨胀土产生胀缩变形，土体抗剪强度大幅降低，退水后两岸地下水向河道渗流，在渗流作用下岸坡产生滑塌。

针对该段塌岸，工程共开展5 层深度的地层勘探，发现第1 层为素填土（Q4ml）；第2 层为粉质粘土（Q3al）；第3 层为重粉质砂壤土（Q3al）；第4 层为粉质粘土（Q3al）；第5 层为重粉质壤土、粉质黏土（Q3al）。其中，第5 层土体性质主要为膨胀土，土质含铁锰质结核，呈棕黄、棕黄夹灰色，硬可塑状，局部硬塑，属中等压缩性土，本层自由膨胀率为18%～99%，平均值53.2%，一般具弱～中等膨胀潜势。

根据勘测和现场分析，该段边坡类型为自然形成的天然岸坡，滑塌后很可能会造成整段堤防失稳坍塌，导致背水侧保护区内较大的人员伤亡和财产损失，应按二级堤防标准整治。

2 胀缩变形的影响因素

2.1 内因

影响膨胀土胀缩变形主要的内部原因主要有:（1）膨胀土主要含大量次生黏土矿物，亲水性强，失水时土体收缩，甚至出现干裂，遇水膨胀隆起。（2）化学成分以Al2O3、Fe2O3、SiO2为主。如SiO2含量大，则胀缩量小,反之则大。（3）黏粒含量愈高，比表面积大，吸水能力愈强，胀缩变形愈大。（4）土的密度越大，孔隙比就越小，则浸水膨胀越强烈，而失水收缩小，反则浸水膨胀越小，失水收缩越大。（5）膨胀土中微观结构单元体集聚体中叠聚体越多，其吸水膨胀和失水收缩就越大。

2.2 外因

膨胀土胀缩变形的主要外部因素有:（1）气候影响条件，包括通风、光照、温差、湿度等，土体雨水季节会吸水膨胀，干旱季节失水收缩。（2）地形地物，高爽地段，陡坎斜坡，周围树木、草地、耕地影响等。（3）地基条件，地层分布、地下水位、河道水文条件影响等。

3 工艺原理及防治方案

3.1 水泥改性土处理膨胀土边坡工艺原理

通过在膨胀土中加入适量的改性材料改变膨胀土的组成成分（采用4%水泥掺入），使二者充分混合，发生化学及物理反应，改善土体的物理及化学力学性能，限制了膨胀土胀缩变形，提高其强度和水的稳定性，从而控制其膨胀性。

采用置换方式切断地表水浸入通道，隔绝大气环境和河道水流对原弱膨胀土河道基面的影响，使河道边坡土体处在相对稳定环境中，防止因含水量发生较大变化产生膨胀、收缩变形，可有效防止膨胀土边坡产生塌岸滑坡。

3.2 膨胀土防治方案

本工程按设计要求对膨胀土采用水泥改性土防治。采用对弱膨胀土边坡表面换填厚度1.0m 水泥改良土，对中膨胀土表面换填1.5m 厚水泥改性土，在膨胀土露出河道边坡的两侧各扩挖水平宽度3.16～4.74m，垂直于坡面的厚度1.0～1.5m，然后回填4%水泥改性土，最后形成河道设计断面；若新开挖河床的底部为膨胀土层，则将基脚8m 范围内的河底膨胀土挖除，换填4%水泥改性土，深度1.5m，开挖边坡1∶2。

4 碾压试验

4.1 试验目的

（1）通过水泥改性土室内试验确定水泥改性土相关技术参数。

（2）通过现场碾压试验确定合理的施工技术参数和工艺参数。

4.2 技术要求

（1）水泥改性土所用土料为无膨胀性土或弱膨胀土；（2）用于生产改性土的土料合适的含水量宜为18%～26%，水泥改良土的含水率控制最优含水率范围为+1%～+3%；（3）4%的水泥掺量改性土采用不同自由膨胀率土料；（4）碎土成品料土粒粒径级配合格要求：最大的粒径不应大于10cm，10cm～5cm 的粒径含量不应大于5%，5cm～5mm粒径的含量不应大于50%；（5）成品料水泥含量EDTA 滴定法测定其水泥掺入量的平均值不得小于其设计的掺量；（6）水泥改性土要求符合设计方案。

4.3 实验室试验

（1）在河道开挖可利用料中取样，做击实试验和自由膨胀率试验，取得土料的最优含水量、最大干密度以及自由膨胀率等物理力学参数；（2）水泥凝结的时间、抗折的强度、安定性、抗压强度等检测。

4.4 现场试验

试验场地选择河底段，清理出一块30m×15m（长×宽）的场地，采用压路机对该场地进行碾压。测量人员用白灰线放出试验场地，按长度方向划分为6 个区间，每个区间12m×5m，测量记录下原始地面高程。分四层碾压，每层虚铺厚度30cm。第一层铺设土料最优含水率为ω，第二层铺设土料最优含水率为ω1=ω+1%，第三层铺设土料为ω2=ω+2%，第四层铺设土料为ω3=ω+3%。

4.5 检测

根据试验方案：铺土厚度30cm，压实度采用环刀法的检测手段，凸块振动碾需要静压2～8 遍，检测自碾压6 遍（静压2 遍、振动4 遍）开始，碾压8 遍（静压2 遍、振动6 遍），碾压10 遍（静压2 遍、振动8遍），各检测一次压实度。设定6 个取样区域，每个取样区域12m×5m，在设定的碾压遍数下每个取样区域各取2 个试样，在固定碾压遍数下一次取样12 个。每一次取样应在压实基面随机选取取样点，确保取样部位有代表性，取样后现场称重，得到碾压后的土料的实密度，然后对土样进行烧失法烘干，称得干土重量，计算得到土的干密度，继而推算出压实度。环刀法取样位置取每层压实厚度的下部1/3，若取得1/3下部厚度不足环刀的高度时，这时环刀的底面应以到达下层顶面且确保环刀取满土样为准,计算现场实测干密度和实验室测的最大干密度的比值，现场压实后的密度状况越好，表示压实度越高，密实度越大，代表其材料整体性能越好。

4.6 数据分析

根据取样分析得到碾压遍数与压实度、干密度之间的关系，从而确定碾压试验的参数。

5 施工流程

严格按试验确定的施工参数，按照土料开采、运输→碎土→水泥改性土拌合→EDTA 滴定测定水泥含量→水泥土运输→摊铺→碾压→取样检测→削坡的工艺流程进行施工与质量控制。

工程完成后，该段堤防土壤性质得到有效改善，经现场检验边坡稳定性大幅提高，并经受了2022 年汛期考验，未再次出现边坡坍滑现象。

6 结束语

本文主要从膨胀土特性、处理方案、胀缩变形的影响因素及碾压试验等方面进行分析论述，将水泥改性土应用于河道膨胀土治理工程中，解决了土体受环境变化产生胀缩变形导致土的抗剪强度衰减问题，防止了边坡坡脚产生较大的剪应力和强度的应变软化造成的边坡坍滑，提高了堤防的稳定性和安全性，可为膨胀土性质边坡处理工程提供参考■