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脹縮變形特性引起巨大危害 這些辦法 讓膨脹土不再“膨脹”

2020-04-30 10:13:57  來源:科技日報

膨脹土被稱為工程中的“癌癥”,學界和工程界對這一世界性技術難題的研究已有80年左右歷史,也取得了豐碩的成果。

近日,膨脹土方面的技術研究再傳佳訊,由中鐵二院工程集團有限責任公司主持建立的高速鐵路路基變形控制成套技術,實現了高速鐵路路基毫米級變形控制,全面應用于10余條高速鐵路建設。

那么,膨脹土是如何形成的?為什么把它稱作工程“癌癥”,如何有效降低其給道路工程帶來的隱患?科技日報記者日前就此采訪了相關領域專家。

脹縮變形特性引起巨大危害

專家介紹,膨脹土是一類遇水膨脹變形、失水收縮開裂的黏性土,民間將其形象描述為“晴天一把刀,雨天一團糟”,它在環境干濕交替的作用下,體積會明顯脹縮,強度會急劇衰減,性質極不穩定,素有工程“癌癥”之稱。

那么,膨脹土是如何形成的?長江科學院土工研究所副所長程永輝說,膨脹土主要是巖石風化的產物,其脹縮特性主要受黏土礦物成分及含量控制;黏土礦物包括蒙脫石、伊利石和高嶺石三大類,而蒙脫石、伊利石含量較高是引起脹縮變形的主要原因。

據程永輝介紹,膨脹土的分布具有明顯的氣候分帶性和地理分帶性。以地球緯度劃分,膨脹土主要分布在赤道兩側從低緯度到中等緯度的氣候區,并限于熱帶和溫帶氣候區域的半干旱地區。從地理分布上看,在歐亞、非洲和美洲大陸更為集中。而我國是世界上膨脹土(巖)分布范圍最廣、面積最大的國家,總分布面積超過10萬平方公里,幾乎涵蓋了除南海以外的所有陸地,以廣西、云南、湖北、河南等省分布最為廣泛。

參與組建世界首家“工程醫院”的鄭州大學教授方宏遠介紹,膨脹土對工程的危害主要表現在兩方面,包括脹縮變形造成的危害和滑坡危害。

膨脹土受降雨、蒸發等自然環境影響而產生脹縮變形,會引起工程結構物的開裂、不均勻變形等危害,如房屋開裂、公路路面結構不平整或開裂、鐵路路基變形、渠道滲漏等。

滑坡危害包括兩種類型:一種屬于淺層滑坡,由于自然環境的長期影響和膨脹土的脹縮作用,導致膨脹土邊坡淺層局部失穩,進而表現為滑坡持續發生并逐步惡化,造成公路路基坍塌、上拱和下沉、結構變形開裂等危害;另一種屬于深部整體滑坡,主要取決于膨脹土邊坡內部原生裂隙的分布、規模和擴展程度,此類滑坡往往規模較大,破壞性更強,可能會給鐵路、房屋建筑、水利工程等帶來災難性破壞。

從本質規律出發解決難題

方宏遠說,對于膨脹土這種特殊的土層,工程界以往采用常規的設計和施工方法,包括增加安全儲備,如邊坡放緩或增加密度等,由于未掌握其變形和滑坡的本質規律,導致加固處理后仍然事故頻發。

據了解,早期在施工過程中,由于膨脹土不能當作填料,挖出來的膨脹土需要在工地周邊安排很大面積的地方堆放。不僅會破壞地形地貌,而且由于膨脹土難以被壓實,暴雨沖刷后容易產生水土流失甚至是泥石流,對道路安全和耕地等造成威脅。另外,為了對膨脹土原來的位置進行填補,施工方還要到幾公里或者十幾公里之外的地區挖非膨脹土來填,不僅會使工程造價大大提高,還會對生態環境造成一定破壞。

中國工程院院士王復明指出,解決膨脹土難題還要從其本質規律出發,才能獲得真正有效實用的技術手段。他說,針對膨脹土脹縮變形造成的工程危害,重點是控制其脹縮變形的產生。脹縮變形產生的條件是約束不足和水分改變,因此工程界有兩種思路和對策。一種是壓重處理,通過上部覆蓋一定厚度的無脹縮性土層,約束脹縮變形的產生;另一種是采用防滲手段,控制水分變化。由于水分完全控制非常困難,因此壓重處理是最為常用的手段。

針對膨脹土滑坡危害,重點是改變滑坡產生的條件。對于淺層滑坡,主要是降低淺層脹縮作用,通常采用壓重處理,壓重層包括非膨脹土、改性膨脹土(改性后無膨脹性)、加筋膨脹土(約束膨脹作用)等,如南水北調中線工程渠道邊坡全線采用了換填水泥改性膨脹土;對于深部整體滑坡,由于膨脹土裂隙導致的先天不足和長期劣化問題,需要增加抵抗滑坡的外力,通常采用錨固技術彌補深部裂隙分布不均的缺陷;當滑坡規模過大且存在單一長大裂隙面時,錨固力量往往不足,可采用抗滑樁進行支擋或抗滑樁聯合錨固技術進行加固,南水北調中線工程渠道邊坡施工和運行期間,就大量采用了這種技術。

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