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中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司主持完成的“膨脹土地區(qū)高速鐵路路基關(guān)鍵技術(shù)研究”，歷經(jīng)十余年，建立了高速鐵路路基變形控制成套技術(shù)，讓膨脹土不再“膨脹”，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路路基毫米級變形控制，近日獲四川省科技進(jìn)步獎一等獎。至此，長期以來一直困擾著工程施工領(lǐng)域的這一世界難題得到攻克。
那么，膨脹土是如何形成的？主要分布在什么區(qū)域，具有什么特性，造成“膨脹”特性的原因是什么？膨脹土對在施工過程中會造成哪些危害？為什么把它稱作工程“癌癥”，此前克服的難點(diǎn)在哪里？目前工程界有哪些技術(shù)來解決膨脹土難題，如何有效降低其給道路工程帶來的隱患？科技日報(bào)記者日前就此采訪了領(lǐng)銜在鄭州組建世界首家“工程醫(yī)院”的中國工程院院士王復(fù)明及其團(tuán)隊(duì)成員鄭州大學(xué)教授、博導(dǎo)方宏遠(yuǎn)，長江科學(xué)院土工研究所副所長、巖土重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室地基與基礎(chǔ)處理學(xué)科帶頭人程永輝等業(yè)內(nèi)專家，就上述問題給予解讀。
這就是膨脹土
什么是膨脹土
專家介紹，自然界中的土是巖石經(jīng)過風(fēng)化、搬運(yùn)、蝕變等物理和化學(xué)作用產(chǎn)生的堆積體。而膨脹土是一類特殊土。在1969年第二屆國際膨脹土?xí)h上，首次系統(tǒng)討論了有關(guān)膨脹土的定義，比較一致的認(rèn)識是，膨脹土是一種礦物成分特殊，對濕度狀態(tài)反應(yīng)敏感，遇水膨脹變形、失水收縮開裂，且產(chǎn)生較大膨脹壓力的黏性土。我國《巖土工程勘察規(guī)范》（GB50021—2001）中對膨脹性巖土的規(guī)定如下：含有大量親水礦物，濕度變化時有較大體積變化，變形受約束時產(chǎn)生較大內(nèi)應(yīng)力的巖土。
那么，膨脹土是如何形成的？程永輝說，膨脹土的物理成因，大致可以歸納為殘積、沖積、湖積、洪積、坡積等，個別地區(qū)還有冰積，其中以殘積、沖積、湖積成因分布較普遍。膨脹土的化學(xué)成因與蒙脫石的生成密切相關(guān)，相同的母巖在不同的環(huán)境里能生成含蒙脫石的土或含高嶺石的土；在降雨量大于蒸發(fā)量的氣候和酸性環(huán)境條件下，特別是當(dāng)母巖有較好的滲透性時，生成高嶺石；在氣候比較干燥，水循環(huán)相對微弱和堿性環(huán)境條件下，生成蒙脫石；伊利石的生成需要一個輕度的堿性環(huán)境。
他介紹，膨脹土在全球分布廣泛，除南極洲外，其余六大洲均有分布。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(cè)從低緯度到中等緯度的氣候區(qū)，并限于熱帶和溫帶氣候區(qū)域的半干旱地區(qū)。從地理分帶上看，從北緯60°至南緯50°均有分布，尤其在歐亞、非洲和美洲大陸更為集中。
我國是世界上膨脹土（巖）分布范圍最廣、面積最大的國家之一，分布面積超過10萬平方公里。自20世紀(jì)50年代以來，我國陸續(xù)發(fā)現(xiàn)膨脹土危害的地區(qū)，幾乎涵蓋了除南海以外所有陸地。我國膨脹土主要分布在從云貴高原到華北平原之間各流域形成的平原、盆地、河谷階地，以及河間地塊和丘陵等地，包括珠江流域、長江流域、黃河流域、淮河流域等各干支流水系地區(qū)，以廣西、云南、湖北、河南等省分布最為廣泛。
膨脹土的主要特性可概括為脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性三大特性。表現(xiàn)八大特征：主要由蒙脫石或伊利石等黏土礦物組成；多裂隙性及其各種形態(tài)裂隙組合；具有膨脹性結(jié)構(gòu)；較強(qiáng)烈的脹縮性，膨脹時產(chǎn)生膨脹壓力；強(qiáng)度衰減性；超固結(jié)性；對氣候和水文因素的敏感性；對工程建筑物的破壞性等。
膨脹土的脹縮特性，主要受其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。
為什么把膨脹土稱作工程“癌癥”
對于膨脹土這種特殊的土，民間形象描述為“晴天一把刀，雨天一團(tuán)糟”，具有吸水膨脹、失水收縮和反復(fù)脹縮變形、浸水承載力急劇衰減等特性，性質(zhì)極不穩(wěn)定，造成鐵路、公路路基邊坡坍塌、滑坡，基床翻漿冒泥，上拱和下沉，結(jié)構(gòu)變形和開裂，工程危害極大，素有工程“癌癥”之稱。
方宏遠(yuǎn)介紹，膨脹土對工程的危害主要表現(xiàn)在兩方面，包括脹縮變形造成的危害和滑坡危害。由膨脹土受降雨、蒸發(fā)等自然環(huán)境影響而產(chǎn)生脹縮變形，引起工程結(jié)構(gòu)物的開裂、不均勻變形等危害，如房屋開裂、公路路面結(jié)構(gòu)不平整或開裂、鐵路路基變形導(dǎo)致的事故、渠道滲漏等?；挛：Π▋煞N類型：一種屬于淺層滑坡，由于自然環(huán)境的長期影響和膨脹土的脹縮作用，導(dǎo)致膨脹土邊坡淺層局部失穩(wěn)，進(jìn)而表現(xiàn)為滑坡持續(xù)發(fā)生并逐步惡化，經(jīng)工程帶來災(zāi)難；另一種屬于深部整體滑坡，主要取決于膨脹土邊坡內(nèi)部原生裂隙的分布、規(guī)模和擴(kuò)展程度，此類滑坡往往規(guī)模較大，破壞性更強(qiáng)，而且會延續(xù)幾年甚至幾十年時間。
方宏遠(yuǎn)說，對于膨脹土這種特殊的土層，工程界以往采用常規(guī)的設(shè)計(jì)和施工方法，只是增加安全儲備，如邊坡放緩或增加密度等，未掌握其變形和滑坡的本質(zhì)規(guī)律，導(dǎo)致工程建設(shè)和運(yùn)行期間產(chǎn)生事故，即使加固處理后仍然事故頻發(fā)，所以，工程界稱其為工程“癌癥”；遏制“癌癥”的發(fā)生，保證高速鐵路膨脹土路基工程沉降量不超過15mm（過渡段5mm），隆起變形不超過4mm，難度極大，被視為世界性工程技術(shù)難題。如果不解決膨脹土路基毫米級變形控制問題，路基將成為限制列車高速運(yùn)行的瓶頸工程。
中鐵二院“膨脹土地區(qū)高速鐵路路基關(guān)鍵技術(shù)研究”項(xiàng)目組經(jīng)過十多年刻苦攻關(guān)，采取理論分析→數(shù)值模擬→模型試驗(yàn)→現(xiàn)場試驗(yàn)→工程應(yīng)用的技術(shù)手段，對膨脹土路基的脹縮變形和沉降變形特性、變形計(jì)算理論與設(shè)計(jì)方法、基床結(jié)構(gòu)及地基加固技術(shù)、防排水系統(tǒng)和邊坡加固防護(hù)技術(shù)等進(jìn)行了系統(tǒng)研究，突破了三方面的技術(shù)難題。
通過路基原型濕干試驗(yàn)，揭示了膨脹土地基脹縮作用引起的路基基床變形規(guī)律，建立了綜合考慮氣候變化、應(yīng)力傳遞、消能效應(yīng)及水分遷移的群樁抗隆起計(jì)算理論及設(shè)計(jì)方法，構(gòu)建了基于臨界振動速度的膨脹土路基長期動力穩(wěn)定評價方法，填補(bǔ)了膨脹土基床隆起變形設(shè)計(jì)計(jì)算及控制技術(shù)的空白。
建立了基于填土“消能”與“卸荷拱”效應(yīng)的膨脹土路基脹縮變形計(jì)算方法。根據(jù)現(xiàn)場大量實(shí)測數(shù)據(jù)，確定了施工期地基沉降完成比例，提出了基于超固結(jié)特性的地基壓縮層厚度確定方法和地基處理原則，完善了高速鐵路膨脹土地基沉降計(jì)算理論，使得中-低填方路基工程可大幅節(jié)約工程投資。
發(fā)明了具有良好的抗裂、抗?jié)B、抗疲勞等性能的膨脹土路塹基床水泥基防水抗裂材料，研發(fā)了裝配式排水盲溝和減脹反濾排水層，實(shí)現(xiàn)了工廠化生產(chǎn)、裝配式施工，效率提高50%以上，成本降低30%以上，建立了膨脹土地區(qū)高速鐵路路基變形控制成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了高速鐵路路基毫米級變形控制。
項(xiàng)目成果已全面應(yīng)用于成綿樂、上海至昆明、昆明至南寧、貴陽至南寧、鄭州至萬州，成都至貴陽、貴陽至廣州、川南城際等10余條高速鐵路建設(shè)，推動了高速鐵路路基工程技術(shù)進(jìn)步，也為成渝中線高鐵、川藏鐵路修建提供了技術(shù)儲備。項(xiàng)目所依托的“西成高速鐵路”獲全球FIDIC杰出工程項(xiàng)目獎，“云桂高速鐵路”獲全球FIDIC優(yōu)秀工程項(xiàng)目獎和中國土木工程詹天佑獎，另有十多個工程項(xiàng)目獲省部級工程創(chuàng)優(yōu)獎，奠定了我國在該領(lǐng)域的國際領(lǐng)先地位。
方宏遠(yuǎn)認(rèn)為，目前在工程界還待于普及認(rèn)識、修訂規(guī)程規(guī)范，加強(qiáng)貫徹落實(shí)，逐步提高膨脹土問題的治理水平。
目前工程界有哪些技術(shù)來解決膨脹土難題
據(jù)悉，截至目前，我國已有運(yùn)營高鐵2.9萬公里，在建高鐵2.6萬公里，占世界高速鐵路的三分之二以上，且運(yùn)行速度最高。而高速鐵路路基工程的“毫米級”變形控制是保證高鐵高速、平穩(wěn)、安全運(yùn)行的核心技術(shù)。與傳統(tǒng)普速鐵路不同，高速鐵路路基變形控制標(biāo)準(zhǔn)為5-15mm，僅為傳統(tǒng)鐵路的5-10%，要求極其嚴(yán)格。
王復(fù)明院士指出，目前工程界各個行業(yè)均圍繞膨脹土難題開展了系統(tǒng)研究，包括公路、水利、鐵路及建筑等，并開發(fā)了較多的加固處理技術(shù)，但膨脹土難題的解決還要從其本質(zhì)規(guī)律出發(fā)，才能真正取得有效實(shí)用的技術(shù)手段。
他說，針對膨脹土脹縮變形造成的工程危害，重點(diǎn)是控制脹縮變形的產(chǎn)生。脹縮變形產(chǎn)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(chǎn)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，壓重處理是最為常用的手段。
針對膨脹土滑坡危害，重點(diǎn)是改變滑坡產(chǎn)生的條件。對于淺層滑坡，主要是降低淺層脹縮作用，處理思路與上面基本一致，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(diào)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(dǎo)致的先天不足和長期劣化問題，需要增加抵抗滑坡的外力，通常采用錨固或支擋技術(shù)；錨固技術(shù)最為經(jīng)濟(jì)實(shí)用，可分散均勻布置，彌補(bǔ)深部裂隙分布不易查清的缺陷，基于此，近期我國學(xué)者研發(fā)的傘型錨錨固技術(shù)取得了良好的效果；當(dāng)滑坡規(guī)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(jìn)行支擋或抗滑樁聯(lián)合錨固技術(shù)進(jìn)行加固；南水北調(diào)中線工程渠道邊坡施工和運(yùn)行期間，大量采用了抗滑樁和傘型錨錨固技術(shù)，效果良好。
他說，膨脹土地區(qū)的道路工程既有脹縮變形造成的危害也有滑坡危害，重點(diǎn)是查明膨脹土的工程特性，結(jié)合工程建設(shè)采取針對性的有效處理措施，可大大降低工程可能存在的安全隱患。（科技日報(bào) 記者喬地）
