土工材料在膨脹土渠道邊坡的應(yīng)用

□王長生（河南省燕山水庫管理局）

□羅紅琦（河南省鄭州水利學(xué)校）

膨脹土是一種分布較為廣泛、具有不良地質(zhì)作用的特殊土。水利工程實(shí)踐中，膨脹土邊坡主要遭受滑坡、溜塌、坍滑等危害，尤其是其膨脹性危害，使得渠道襯砌產(chǎn)生鼓脹、裂縫等破壞。文章在分析膨脹土工程特性的基礎(chǔ)上，初步研究了利用先進(jìn)的工程技術(shù)、新型材料及施工技術(shù)對膨脹土渠坡進(jìn)行防護(hù)的可行性，對類似工程具有重要的借鑒意義。

1.膨脹土的工程特性

膨脹土的礦物成分一般為蒙脫石和伊利石，其具有很強(qiáng)的親水性，膨脹土一般液限指數(shù)較高，屬高液限粘土，膨脹土的礦物成分中起膨脹作用的是蒙脫石，膨脹土自由膨脹率的高低蒙脫石的含量起決定作用。

膨脹土屬超固結(jié)土，一般發(fā)育有裂隙，具有失水開裂、遇水膨脹的工程特性。在自然狀態(tài)下，膨脹土的強(qiáng)度較高，一般為低壓縮性土。未發(fā)生干濕交替的膨脹土，沿新鮮的開挖面很難發(fā)現(xiàn)裂隙面，一旦暴露在空氣中，含水率發(fā)生變化后，土體就會出現(xiàn)網(wǎng)狀的裂隙，接下來土體表層會崩解成1~2cm的方塊，其強(qiáng)度也迅速衰減，在膨脹土體內(nèi)發(fā)育有長大裂隙時，即使是很緩的邊坡也易發(fā)生滑坡。膨脹土的工程特性常導(dǎo)致工程問題或地質(zhì)災(zāi)害的頻繁發(fā)生，膨脹土在世界各國都有廣泛分布，膨脹土問題已成為困擾各類淺表層輕型工程建設(shè)的全球性技術(shù)難題。

2.膨脹土邊坡的破壞形式

2.1 滑坡

滑坡是指斜坡上的土體或者巖體，受內(nèi)在或外界因素影響，在重力作用下，沿著一定的軟弱面、軟弱帶或結(jié)構(gòu)面，整體地或者分散地順坡向下滑動的現(xiàn)象。膨脹土滑坡通常具有明顯的弧形外貌、明顯的滑床及后壁陡直、前緣平緩、受長大裂隙控制的特點(diǎn)?？v觀眾多膨脹土邊坡失穩(wěn)事故，膨脹土滑坡多呈牽引式出現(xiàn)，具疊瓦狀、片狀發(fā)生，滑體呈縱長形，部分滑坡從坡腳一直牽引至坡頂，對工程破壞巨大?；w厚度一般為1.0~3.0m，多數(shù)<6.0m，通常與大氣影響深度、土體內(nèi)裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)。

2.2 溜塌

邊坡坍塌的一種表現(xiàn)形式。邊坡覆蓋層、強(qiáng)風(fēng)化層內(nèi)的巖體吸水飽和后，在重力與滲透壓力的雙重作用下，巖土體沿坡面向下產(chǎn)生流塑性溜塌現(xiàn)象。溜塌是膨脹土（巖）邊坡表層最普遍的一種破壞，常發(fā)生在雨季，與邊坡坡度關(guān)系不大。溜塌上方一般有弧形小坎，坎高一般10cm，無明顯裂縫與滑面，塌體多在小范圍內(nèi)發(fā)生位移，且很快自穩(wěn)，其厚度受覆蓋層、風(fēng)化層深度控制，工程實(shí)體多見于1.0~1.5m深度范圍內(nèi)。

2.3 坍滑

邊坡淺層膨脹土（巖）體在干濕交替與風(fēng)化作用影響下，由此產(chǎn)生的裂縫在水（多為降水）的作用下，土體強(qiáng)度快速衰減，邊坡失穩(wěn)，沿一定滑面整體滑移，多伴有坍落現(xiàn)象。坍滑多發(fā)生在雨季，滑面清晰并有擦痕，滑面一般在裂隙密布位置，滑面多為高角度，在坡面下部或軟弱的夾層滑出，若繼續(xù)發(fā)展，可牽引形成滑坡，厚度多為1.0~3.0m。

3.膨脹土的處理

膨脹土邊坡滑坡的機(jī)制與其它滑坡一樣，在誘因作用下而發(fā)生的一系列過程所組成，但由于膨脹土的失水開裂、遇水膨脹性、多裂隙性等特性，使得膨脹土滑坡較一般的巖土體滑坡更為復(fù)雜。由于膨脹土分布廣泛，加之對工程危害甚大，膨脹土邊坡的加固處理凸顯重要，膨脹土邊坡一般采取“預(yù)防為主”的原則，在預(yù)防膨脹土邊坡滑坡的措施中，應(yīng)強(qiáng)調(diào)“四防”原則，即“防水、防風(fēng)化、防反復(fù)脹縮循環(huán)、防強(qiáng)度衰減”，提高膨脹土滑坡的防治效果。常見的膨脹土邊坡防治措施有坡頂設(shè)置截流溝、坡腳防積水、超挖換填、開挖回填防滲土體、加大放緩邊坡、水泥改性、設(shè)置格柵、加筋、支擋（抗滑樁）等。

4.土工合成材料的特點(diǎn)和優(yōu)勢

土工合成材料是工程建設(shè)中應(yīng)用的土工織物、土工膜、土工復(fù)合材料、土工特種材料的總稱。土工合成材料以高分子聚合物為基礎(chǔ)原材料制成，主要用于巖土工程，置于土體內(nèi)部、表面或各層土體之間，起到發(fā)揮加強(qiáng)或保護(hù)土體的作用。

常見的土工材料主要有土工合成材料、膨脹土改性劑、水泥、石灰等。土工合成材料主要有反濾、排水、隔離、加筋、防護(hù)、防滲等多種功能，這些功能并不是絕對獨(dú)立的，有時一種土工合成材料應(yīng)用于某一項工程中，同時具備上述的幾種功能。

下面僅介紹幾種常見土工材料在渠道膨脹土邊坡防護(hù)中的應(yīng)用：

①土工格柵＋開挖泥灰?guī)r土料可用于膨脹土邊坡防護(hù)處理，處理深度為1.5～2.0m。格柵應(yīng)采用抗拉強(qiáng)度≥80kN/m的HDPE（高密度聚乙烯）單向土工格柵。施工控制參數(shù)為：開挖泥灰?guī)r料（中～弱膨脹性），其最大粒徑≤100mm，>5mm粒徑的顆粒含量不超過50%；控制含水率為最優(yōu)含水率+1%～+2%；采用18t以上的振動平碾、鋪厚50cm和碾壓12遍的條件下,土工格柵+泥灰?guī)r開挖料的壓實(shí)度能達(dá)到95%以上,壓實(shí)效果較好。

②土工袋是新型的膨脹土處理措施，施工過程包括清基碾壓、裝袋、渠坡土袋鋪設(shè)、碾壓等工序。土工袋裝填+開挖泥灰?guī)r土料可用于膨脹土邊坡防護(hù)處理，處理深度為2.0m。大土工袋120cm×147cm，機(jī)械配合施工，大土工袋用隨車吊或起重機(jī)直接吊入鋪設(shè)位置，人工扶正鋪設(shè)，土工袋子之間保留約10～15cm的間隙，充填料的粒徑≤10cm；小土工編制袋45cm×57cm，人工配合施工，袋子之間保留約4～8cm的間隙，充填料的粒徑≤5cm。用小型振動平板夯來回夯壓2～3遍或用輕型碾壓機(jī)械（≤16t）靜碾1～2遍，進(jìn)行土工袋初平，以確保土袋能形成扁平狀；相鄰?fù)凉ごg的間隙用裝袋料相同巖性的土料回填，回填料的粒徑≤5cm；每碾壓層鋪填厚度按40cm控制，土工袋100%充填率、18t以上的振動平碾和碾壓12遍的條件下,土工袋+泥灰?guī)r開挖料的壓實(shí)度能達(dá)到90%以上,壓實(shí)效果較好。為了增加土工袋組合體的穩(wěn)定性，上、下層土工袋間需錯縫鋪設(shè)，局部可以適當(dāng)放寬袋子的間距而使上、下層面的土工袋相互錯距。

③復(fù)合土工膜具有良好的抗?jié)B、抗老化性能。采用復(fù)合土工膜覆蓋坡面，噴護(hù)水泥砂漿保護(hù)層的處理措施，是膨脹土邊坡施工過程中一種良好的臨時保護(hù)措施，對于保證邊坡的安全施工具有重要意義。復(fù)合土工膜的施工要盡量減少接縫，保證焊接長度，保證密封性，施工過程要盡量避免機(jī)械碾壓，防止材料受損。復(fù)合土工膜施工質(zhì)量檢查和檢測的重點(diǎn)是密封性能檢測和膜材本身強(qiáng)度的檢測。

④土工網(wǎng)是一種特種土工合成材料，它的生產(chǎn)工藝是將聚乙烯原料按比例配好，在加熱溫控的條件下，由擠塑機(jī)擠出至一特制的旋轉(zhuǎn)模頭內(nèi),產(chǎn)生各種不同網(wǎng)孔形狀及網(wǎng)孔大小的網(wǎng)格，經(jīng)冷卻定型后成為整體的土工聚合物網(wǎng)柵。在坡面回填料上和坡頂復(fù)合土工膜上鋪設(shè)土工網(wǎng)，土工網(wǎng)幅寬≥2m，單位面積質(zhì)量≥730g/m2，縱橫向拉伸屈服強(qiáng)度≥6.2kN/m，網(wǎng)眼尺寸＞2.5cm×2.5cm,同時＜8cm×6cm，碳黑含量≥1%。土工網(wǎng)要求縱向上搭接長度≥7.5cm，在橫向上搭接長度≥15cm。橫縫為順坡搭接，用塑料帶把材料拴緊在一起。土工網(wǎng)植草是一種有效的邊坡防護(hù)措施。

⑤水泥改性土作為膨脹土治理措施的一種，目前應(yīng)用比較廣泛。水泥土施工過程需要做到快速攤鋪、快速整平、碾壓密實(shí)、快速檢測，避免水泥和混合料受雨淋，從加水拌和到碾壓終止的延續(xù)時間不宜超過3-4h，采用20t壓路機(jī)碾壓。施工工序為篩分、料場鋪料整平、灑水悶料、布灰、拌和、汽車運(yùn)輸、區(qū)鋪料整平、碾壓，取樣合格后進(jìn)行下一層施工。

5.結(jié)論

正值國內(nèi)基礎(chǔ)建設(shè)高峰期，很多工程項目都涉及膨脹土體的開挖，處理不當(dāng)易造成質(zhì)量、安全事故，根據(jù)工程經(jīng)驗，一般應(yīng)在膨脹土邊坡開挖過程中坡面預(yù)留有厚度1~2m的保護(hù)層，施工要盡量避開雨季，為了預(yù)防膨脹土的溜塌、滑坡等現(xiàn)象，施工中應(yīng)盡量縮短膨脹土處理的周期，達(dá)到快速開挖、及時覆蓋、保濕、負(fù)重、約束膨脹目的，另外施工期間坡頂禁止堆載，若雨季施工應(yīng)采取坡面防軟化措施，如覆蓋彩條布等，坡腳積水應(yīng)及時抽排。