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这些办法 让膨胀土不再“膨胀”

2020-05-0415:06:24来源:科技日报

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位于河南省南阳市淅川县的南水北调中线工程渠首干渠 新华社记者 冯大鹏摄

本报记者乔地

膨胀土被称为工程中的“癌症”,学界和工程界对这一世界性技术难题的研究已有80年左右历史,也取得了丰硕的成果。

近日,膨胀土方面的技术研究再传佳讯,由中铁二院工程集团有限责任公司主持建立的高速铁路路基变形控制成套技术,实现了高速铁路路基毫米级变形控制,全面应用于10余条高速铁路建设。

那么,膨胀土是如何形成的?为什么把它称作工程“癌症”,如何有效降低其给道路工程带来的隐患?科技日报记者日前就此采访了相关领域专家。

胀缩变形特性引起巨大危害

专家介绍,膨胀土是一类遇水膨胀变形、失水收缩开裂的黏性土,民间将其形象描述为“晴天一把刀,雨天一团糟”,它在环境干湿交替的作用下,体积会明显胀缩,强度会急剧衰减,性质极不稳定,素有工程“癌症”之称。

那么,膨胀土是如何形成的?长江科学院土工研究所副所长程永辉说,膨胀土主要是岩石风化的产物,其胀缩特性主要受黏土矿物成分及含量控制;黏土矿物包括蒙脱石、伊利石和高岭石三大类,而蒙脱石、伊利石含量较高是引起胀缩变形的主要原因。

据程永辉介绍,膨胀土的分布具有明显的气候分带性和地理分带性。以地球纬度划分,膨胀土主要分布在赤道两侧从低纬度到中等纬度的气候区,并限于热带和温带气候区域的半干旱地区。从地理分布上看,在欧亚、非洲和美洲大陆更为集中。而我国是世界上膨胀土(岩)分布范围最广、面积最大的国家,总分布面积超过10万平方公里,几乎涵盖了除南海以外的所有陆地,以广西、云南、湖北、河南等省分布最为广泛。

参与组建世界首家“工程医院”的郑州大学教授方宏远介绍,膨胀土对工程的危害主要表现在两方面,包括胀缩变形造成的危害和滑坡危害。

膨胀土受降雨、蒸发等自然环境影响而产生胀缩变形,会引起工程结构物的开裂、不均匀变形等危害,如房屋开裂、公路路面结构不平整或开裂、铁路路基变形、渠道渗漏等。

滑坡危害包括两种类型:一种属于浅层滑坡,由于自然环境的长期影响和膨胀土的胀缩作用,导致膨胀土边坡浅层局部失稳,进而表现为滑坡持续发生并逐步恶化,造成公路路基坍塌、上拱和下沉、结构变形开裂等危害;另一种属于深部整体滑坡,主要取决于膨胀土边坡内部原生裂隙的分布、规模和扩展程度,此类滑坡往往规模较大,破坏性更强,可能会给铁路、房屋建筑、水利工程等带来灾难性破坏。

从本质规律出发解决难题

方宏远说,对于膨胀土这种特殊的土层,工程界以往采用常规的设计和施工方法,包括增加安全储备,如边坡放缓或增加密度等,由于未掌握其变形和滑坡的本质规律,导致加固处理后仍然事故频发。

据了解,早期在施工过程中,由于膨胀土不能当作填料,挖出来的膨胀土需要在工地周边安排很大面积的地方堆放。不仅会破坏地形地貌,而且由于膨胀土难以被压实,暴雨冲刷后容易产生水土流失甚至是泥石流,对道路安全和耕地等造成威胁。另外,为了对膨胀土原来的位置进行填补,施工方还要到几公里或者十几公里之外的地区挖非膨胀土来填,不仅会使工程造价大大提高,还会对生态环境造成一定破坏。

中国工程院院士王复明指出,解决膨胀土难题还要从其本质规律出发,才能获得真正有效实用的技术手段。他说,针对膨胀土胀缩变形造成的工程危害,重点是控制其胀缩变形的产生。胀缩变形产生的条件是约束不足和水分改变,因此工程界有两种思路和对策。一种是压重处理,通过上部覆盖一定厚度的无胀缩性土层,约束胀缩变形的产生;另一种是采用防渗手段,控制水分变化。由于水分完全控制非常困难,因此压重处理是最为常用的手段。

针对膨胀土滑坡危害,重点是改变滑坡产生的条件。对于浅层滑坡,主要是降低浅层胀缩作用,通常采用压重处理,压重层包括非膨胀土、改性膨胀土(改性后无膨胀性)、加筋膨胀土(约束膨胀作用)等,如南水北调中线工程渠道边坡全线采用了换填水泥改性膨胀土;对于深部整体滑坡,由于膨胀土裂隙导致的先天不足和长期劣化问题,需要增加抵抗滑坡的外力,通常采用锚固技术弥补深部裂隙分布不均的缺陷;当滑坡规模过大且存在单一长大裂隙面时,锚固力量往往不足,可采用抗滑桩进行支挡或抗滑桩联合锚固技术进行加固,南水北调中线工程渠道边坡施工和运行期间,就大量采用了这种技术。

责任编辑:向勤如(EN006)

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