膨胀土是由强亲水矿物(蒙脱石、伊利石等)组成的,具有显著湿胀干缩和反复湿胀干缩性质的特殊黏性土。膨胀土分布十分广泛,在世界五大洲中的40多个国家都有分布。中国已性有20多个省区发现了膨胀土的分布,分布面积达100 000km/左右。膨胀土系指黏粒成分主要由强亲水性矿物组成,具有吸水膨胀和失水收缩特性的黏性土。
膨胀土对工程建筑的危害几乎是无所不包的,而且变形破坏具有多次反复性。在膨胀土地区,房屋建筑常普遍出现开裂变形;路基边坡常大量出现坍方、滑坡,有“逢堑必滑,无堤不坍”之说;公路路面常大段出现很大幅度的、随季节变化的波浪变形。为边坡基坑在线监测造成很大的困扰。
1.路面一土基病害
(1)波浪变形:设计不好的路基路面,由于路幅内土基含水量的不均匀变化,引起土体的不均匀胀缩,易产生幅度很大的横向波浪形变形。这种变形随季节和年度而变化。
(2)溅浆冒泥:雨季路面渗水,土基受水浸并软化,在行车荷载作用下,形成泥浆,挤入粒料基层,并沿路面裂缝、伸缩缝溅浆冒泥。路面溅浆冒泥多在雨季发生,如有地下水浸湿路基时,亦可在其他季节发生。
2.路堑病害
(1)剥落:剥落是路堑边坡表层受物理风化作用,使土块碎解成细粒状、鳞片状,在重力作用下沿坡面滚落的现象。剥落主要发生在旱季,旱季愈长,蒸发愈强烈,剥落愈严重。一般强膨胀土较弱膨胀土剥落更甚,阳坡比阴坡剥落要严重。剥落物堆积于边坡坡脚或边沟内常造成边沟堵塞。
(2)冲蚀:冲蚀是坡面松散土层在降雨或地表径流的集中水流冲刷侵蚀作用下,沿坡面形成沟状冲蚀的现象。冲蚀沟深0.1 -0. 5m,深者可达1.0m。冲蚀的发展使边坡变得支离破碎。冲蚀主要发生在雨季,特别是大雨或暴雨季节。冲蚀既破坏了坡面的完整性,也不利于植物的生长。
(3)泥流:泥流是坡面松散土粒与坡脚剥落堆积物在雨季被水流裹带搬运形成的。一般在膨胀土长大坡面、风化剥落严重且地表径流集中处最易形成。泥流常造成边沟或涵洞堵塞,严重者可冲毁路基、淹埋路面。
(4)溜塌:边坡表层强风化层内的土体,吸水过饱和,在重力与渗透压力作用下,沿坡面向下产生塑流状塌移的现象,称为溜塌。溜塌是膨胀土边坡表层最普遍的一种病害,常发生在雨季,与降雨稍有滞后关系,可在边坡的任何部位发生,与边坡坡度无关。溜塌上方有弧形小坎,无明显裂缝与滑面,塌体移动距离较短,且很快自行稳定于坡面。溜塌厚度受强风化层控制,大多在1. 0m以内,不超过1.5m。
(5)坍滑:边坡浅层膨胀土体,在湿胀于缩效应与内化作用影响下,由于裂隙切割以及水的作用,土体强度衰减,丧失稳定,沿一定滑面整体滑移并伴有局部坍落的现象,称为坍滑。坍滑常发生在雨季,并较降雨稍有滞后。滑面清晰且有擦痕,滑体裂隙密布,多在坡脚或软弱的夹层处滑出,破裂面上陡下缓,滑面含水富集,明显高于滑体。坍滑若继续发展,可牵引形成滑坡。坍滑厚度一般在风化作用层内,多为1. 0 -3. 0m。
(6)滑坡:滑坡具有弧形外貌,有明显的滑床,滑床后壁陡直,前缘比较平缓,主要受裂隙控制。滑坡多呈牵引式出现,具叠瓦状,成群发生,滑体呈纵长式,有的滑坡从坡脚可一直牵引到边坡顶部,有很大的破坏性。滑体厚度大多具有浅层性,一般为1.0 -3.0m,多数小于6.0m,与大气风化作用层深度密切相关。膨胀土滑坡主要与土的类型和土体结构关系密切,与边坡高度和坡度并无明显关系。因此,试图以敬缓边坡来防治滑坡几乎是徒劳的,必须采取其他有效的防护加固措施。
3.路堤病害
(1)沉陷:膨胀土初期结构强度较高,在施工时不易被粉碎,亦不易被压实。在路堤填筑后,由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应,土块铲解,在上部路面、路基自重与汽车荷载的作用下,路堤易产生不均匀下沉,如伴随有软化挤出则可产生很大的沉陷量。路堤愈高,沉陷羞愈大,沉陷愈普遍,尤以桥头填土的不均匀下沉更为严重。不均匀下沉导致路面的平整度下降,严重时可使路面变形破坏,甚至屡修屡坏。
(2)纵裂:路肩部位常因机械碾压不到,使填土达不到要求的密实度,因而后期沉降相对较大。同时因路肩临空,对大气物理作用特别敏感,干湿交替频繁,肩部土体失水收缩远大于堤身,故在路肩顺路线方向常产生纵向开裂,形成长数十米甚至上百米的张开裂缝。缝宽约2 - 4cm,大多距外缘0.5- l.0m。
(3)坍肩:部土体压实不够,又处于两面临空部位,易受风化影响使强度衰减,当有雨水渗入时,特别是当有路肩纵向裂缝时,容易产生坍塌。塌壁高多在1m以内,严重者大于1m。
(4)溜塌:与路堑边坡表层溜塌相似,但路堤边坡溜塌多与边坡表面压实不够有关。溜塌多发生在路堤的坡腰或坡脚附近。
(5)坍滑:膨胀土路堤填筑后,边坡表层与内部填土的初期强度基本一致。但是随着通车时间的延续,路堤经受几个雨湿季节的反复收缩与膨胀作用后,表层填土风化加剧,裂隙发展,当有水渗人时,膨胀软化,强度降低,导致边坡坍滑发生。
(6)滑坡:路堤滑坡与填筑膨胀土的类别、性质、填筑质量以及基底条件等有关。若用灰白色强膨胀土填筑堤身,则形成人为的软弱面(带);填筑质量差,土块未按要求打碎;基底有水或淤泥未清除,处理不砌底;边坡防护工程施工不及时;边坡表层破坏未及时整治等,都有可能产生滑坡。因此,膨胀土路堤有从堤身滑动的,也有从基底滑动的。