工程“癌症”找到治理技术了
2020-04-27 15:58:17 来源: 科技日报 作者: 乔地
中铁二院工程集团有限责任公司主持完成的“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”，历经十余年，建立了高速铁路路基变形控制成套技术，让膨胀土不再“膨胀”，实现了高速铁路路基毫米级变形控制，近日获四川省科技进步奖一等奖。至此，长期以来一直困扰着工程施工领域的这一世界难题得到攻克。
那么，膨胀土是如何形成的？主要分布在什么区域，具有什么特性，造成“膨胀”特性的原因是什么？膨胀土对在施工过程中会造成哪些危害？为什么把它称作工程“癌症”，此前克服的难点在哪里？目前工程界有哪些技术来解决膨胀土难题，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领衔在郑州组建世界首家“工程医院”的中国工程院院士王复明及其团队成员郑州大学教授、博导方宏远，长江科学院土工研究所副所长、岩土重点实验室地基与基础处理学科带头人程永辉等业内专家，就上述问题给予解读。
什么是膨胀土
专家介绍，自然界中的土是岩石经过风化、搬运、蚀变等物理和化学作用产生的堆积体。而膨胀土是一类特殊土。在1969年第二届国际膨胀土会议上，首次系统讨论了有关膨胀土的定义，比较一致的认识是，膨胀土是一种矿物成分特殊，对湿度状态反应敏感，遇水膨胀变形、失水收缩开裂，且产生较大膨胀压力的黏性土。我国《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中对膨胀性岩土的规定如下：含有大量亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力的岩土。
那么，膨胀土是如何形成的？程永辉说，膨胀土的物理成因，大致可以归纳为残积、冲积、湖积、洪积、坡积等，个别地区还有冰积，其中以残积、冲积、湖积成因分布较普遍。膨胀土的化学成因与蒙脱石的生成密切相关，相同的母岩在不同的环境里能生成含蒙脱石的土或含高岭石的土；在降雨量大于蒸发量的气候和酸性环境条件下，特别是当母岩有较好的渗透性时，生成高岭石；在气候比较干燥，水循环相对微弱和碱性环境条件下，生成蒙脱石；伊利石的生成需要一个轻度的碱性环境。
他介绍，膨胀土在全球分布广泛，除南极洲外，其余六大洲均有分布。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。从地理分带上看，从北纬60°至南纬50°均有分布，尤其在欧亚、非洲和美洲大陆更为集中。
我国是世界上膨胀土（岩）分布范围最广、面积最大的国家之一，分布面积超过10万平方公里。自20世纪50年代以来，我国陆续发现膨胀土危害的地区，几乎涵盖了除南海以外所有陆地。我国膨胀土主要分布在从云贵高原到华北平原之间各流域形成的平原、盆地、河谷阶地，以及河间地块和丘陵等地，包括珠江流域、长江流域、黄河流域、淮河流域等各干支流水系地区，以广西、云南、湖北、河南等省分布最为广泛。
膨胀土的主要特性可概括为胀缩性、裂隙性和超固结性三大特性。表现八大特征：主要由蒙脱石或伊利石等黏土矿物组成；多裂隙性及其各种形态裂隙组合；具有膨胀性结构；较强烈的胀缩性，膨胀时产生膨胀压力；强度衰减性；超固结性；对气候和水文因素的敏感性；对工程建筑物的破坏性等。
膨胀土的胀缩特性，主要受其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。
为什么把膨胀土称作工程“癌症”
对于膨胀土这种特殊的土，民间形象描述为“晴天一把刀，雨天一团糟”，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力急剧衰减等特性，性质极不稳定，造成铁路、公路路基边坡坍塌、滑坡，基床翻浆冒泥，上拱和下沉，结构变形和开裂，工程危害极大，素有工程“癌症”之称。
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。由膨胀土受降雨、蒸发等自然环境影响而产生胀缩变形，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、铁路路基变形导致的事故、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，经工程带来灾难；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，而且会延续几年甚至几十年时间。
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，只是增加安全储备，如边坡放缓或增加密度等，未掌握其变形和滑坡的本质规律，导致工程建设和运行期间产生事故，即使加固处理后仍然事故频发，所以，工程界称其为工程“癌症”；遏制“癌症”的发生，保证高速铁路膨胀土路基工程沉降量不超过15mm（过渡段5mm），隆起变形不超过4mm，难度极大，被视为世界性工程技术难题。如果不解决膨胀土路基毫米级变形控制问题，路基将成为限制列车高速运行的瓶颈工程。
中铁二院“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”项目组经过十多年刻苦攻关，采取理论分析→数值模拟→模型试验→现场试验→工程应用的技术手段，对膨胀土路基的胀缩变形和沉降变形特性、变形计算理论与设计方法、基床结构及地基加固技术、防排水系统和边坡加固防护技术等进行了系统研究，突破了三方面的技术难题。
通过路基原型湿干试验，揭示了膨胀土地基胀缩作用引起的路基基床变形规律，建立了综合考虑气候变化、应力传递、消能效应及水分迁移的群桩抗隆起计算理论及设计方法，构建了基于临界振动速度的膨胀土路基长期动力稳定评价方法，填补了膨胀土基床隆起变形设计计算及控制技术的空白。
建立了基于填土“消能”与“卸荷拱”效应的膨胀土路基胀缩变形计算方法。根据现场大量实测数据，确定了施工期地基沉降完成比例，提出了基于超固结特性的地基压缩层厚度确定方法和地基处理原则，完善了高速铁路膨胀土地基沉降计算理论，使得中-低填方路基工程可大幅节约工程投资。
发明了具有良好的抗裂、抗渗、抗疲劳等性能的膨胀土路堑基床水泥基防水抗裂材料，研发了装配式排水盲沟和减胀反滤排水层，实现了工厂化生产、装配式施工，效率提高50%以上，成本降低30%以上，建立了膨胀土地区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。
项目成果已全面应用于成绵乐、上海至昆明、昆明至南宁、贵阳至南宁、郑州至万州，成都至贵阳、贵阳至广州、川南城际等10余条高速铁路建设，推动了高速铁路路基工程技术进步，也为成渝中线高铁、川藏铁路修建提供了技术储备。项目所依托的“西成高速铁路”获全球FIDIC杰出工程项目奖，“云桂高速铁路”获全球FIDIC优秀工程项目奖和中国土木工程詹天佑奖，另有十多个工程项目获省部级工程创优奖，奠定了我国在该领域的国际领先地位。
方宏远认为，目前在工程界还待于普及认识、修订规程规范，加强贯彻落实，逐步提高膨胀土问题的治理水平。
目前工程界有哪些技术来解决膨胀土难题
据悉，截至目前，我国已有运营高铁2.9万公里，在建高铁2.6万公里，占世界高速铁路的三分之二以上，且运行速度最高。而高速铁路路基工程的“毫米级”变形控制是保证高铁高速、平稳、安全运行的核心技术。与传统普速铁路不同，高速铁路路基变形控制标准为5-15mm，仅为传统铁路的5-10%，要求极其严格。
王复明院士指出，目前工程界各个行业均围绕膨胀土难题开展了系统研究，包括公路、水利、铁路及建筑等，并开发了较多的加固处理技术，但膨胀土难题的解决还要从其本质规律出发，才能真正取得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，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，处理思路与上面基本一致，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，通常采用锚固或支挡技术；锚固技术最为经济实用，可分散均匀布置，弥补深部裂隙分布不易查清的缺陷，基于此，近期我国学者研发的伞型锚锚固技术取得了良好的效果；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，大量采用了抗滑桩和伞型锚锚固技术，效果良好。
他说，膨胀土地区的道路工程既有胀缩变形造成的危害也有滑坡危害，重点是查明膨胀土的工程特性，结合工程建设采取针对性的有效处理措施，可大大降低工程可能存在的安全隐患。
这就是膨胀土（图二）
2020-04-27 15:58:17 来源: 科技日报 作者: 乔地
中铁二院工程集团有限责任公司主持完成的“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”，历经十余年，建立了高速铁路路基变形控制成套技术，让膨胀土不再“膨胀”，实现了高速铁路路基毫米级变形控制，近日获四川省科技进步奖一等奖。至此，长期以来一直困扰着工程施工领域的这一世界难题得到攻克。
那么，膨胀土是如何形成的？主要分布在什么区域，具有什么特性，造成“膨胀”特性的原因是什么？膨胀土对在施工过程中会造成哪些危害？为什么把它称作工程“癌症”，此前克服的难点在哪里？目前工程界有哪些技术来解决膨胀土难题，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领衔在郑州组建世界首家“工程医院”的中国工程院院士王复明及其团队成员郑州大学教授、博导方宏远，长江科学院土工研究所副所长、岩土重点实验室地基与基础处理学科带头人程永辉等业内专家，就上述问题给予解读。
什么是膨胀土
专家介绍，自然界中的土是岩石经过风化、搬运、蚀变等物理和化学作用产生的堆积体。而膨胀土是一类特殊土。在1969年第二届国际膨胀土会议上，首次系统讨论了有关膨胀土的定义，比较一致的认识是，膨胀土是一种矿物成分特殊，对湿度状态反应敏感，遇水膨胀变形、失水收缩开裂，且产生较大膨胀压力的黏性土。我国《岩土工程勘察规范》（GB50021—2001）中对膨胀性岩土的规定如下：含有大量亲水矿物，湿度变化时有较大体积变化，变形受约束时产生较大内应力的岩土。
那么，膨胀土是如何形成的？程永辉说，膨胀土的物理成因，大致可以归纳为残积、冲积、湖积、洪积、坡积等，个别地区还有冰积，其中以残积、冲积、湖积成因分布较普遍。膨胀土的化学成因与蒙脱石的生成密切相关，相同的母岩在不同的环境里能生成含蒙脱石的土或含高岭石的土；在降雨量大于蒸发量的气候和酸性环境条件下，特别是当母岩有较好的渗透性时，生成高岭石；在气候比较干燥，水循环相对微弱和碱性环境条件下，生成蒙脱石；伊利石的生成需要一个轻度的碱性环境。
他介绍，膨胀土在全球分布广泛，除南极洲外，其余六大洲均有分布。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。从地理分带上看，从北纬60°至南纬50°均有分布，尤其在欧亚、非洲和美洲大陆更为集中。
我国是世界上膨胀土（岩）分布范围最广、面积最大的国家之一，分布面积超过10万平方公里。自20世纪50年代以来，我国陆续发现膨胀土危害的地区，几乎涵盖了除南海以外所有陆地。我国膨胀土主要分布在从云贵高原到华北平原之间各流域形成的平原、盆地、河谷阶地，以及河间地块和丘陵等地，包括珠江流域、长江流域、黄河流域、淮河流域等各干支流水系地区，以广西、云南、湖北、河南等省分布最为广泛。
膨胀土的主要特性可概括为胀缩性、裂隙性和超固结性三大特性。表现八大特征：主要由蒙脱石或伊利石等黏土矿物组成；多裂隙性及其各种形态裂隙组合；具有膨胀性结构；较强烈的胀缩性，膨胀时产生膨胀压力；强度衰减性；超固结性；对气候和水文因素的敏感性；对工程建筑物的破坏性等。
膨胀土的胀缩特性，主要受其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。
为什么把膨胀土称作工程“癌症”
对于膨胀土这种特殊的土，民间形象描述为“晴天一把刀，雨天一团糟”，具有吸水膨胀、失水收缩和反复胀缩变形、浸水承载力急剧衰减等特性，性质极不稳定，造成铁路、公路路基边坡坍塌、滑坡，基床翻浆冒泥，上拱和下沉，结构变形和开裂，工程危害极大，素有工程“癌症”之称。
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。由膨胀土受降雨、蒸发等自然环境影响而产生胀缩变形，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、铁路路基变形导致的事故、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，经工程带来灾难；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，而且会延续几年甚至几十年时间。
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，只是增加安全储备，如边坡放缓或增加密度等，未掌握其变形和滑坡的本质规律，导致工程建设和运行期间产生事故，即使加固处理后仍然事故频发，所以，工程界称其为工程“癌症”；遏制“癌症”的发生，保证高速铁路膨胀土路基工程沉降量不超过15mm（过渡段5mm），隆起变形不超过4mm，难度极大，被视为世界性工程技术难题。如果不解决膨胀土路基毫米级变形控制问题，路基将成为限制列车高速运行的瓶颈工程。
中铁二院“膨胀土地区高速铁路路基关键技术研究”项目组经过十多年刻苦攻关，采取理论分析→数值模拟→模型试验→现场试验→工程应用的技术手段，对膨胀土路基的胀缩变形和沉降变形特性、变形计算理论与设计方法、基床结构及地基加固技术、防排水系统和边坡加固防护技术等进行了系统研究，突破了三方面的技术难题。
通过路基原型湿干试验，揭示了膨胀土地基胀缩作用引起的路基基床变形规律，建立了综合考虑气候变化、应力传递、消能效应及水分迁移的群桩抗隆起计算理论及设计方法，构建了基于临界振动速度的膨胀土路基长期动力稳定评价方法，填补了膨胀土基床隆起变形设计计算及控制技术的空白。
建立了基于填土“消能”与“卸荷拱”效应的膨胀土路基胀缩变形计算方法。根据现场大量实测数据，确定了施工期地基沉降完成比例，提出了基于超固结特性的地基压缩层厚度确定方法和地基处理原则，完善了高速铁路膨胀土地基沉降计算理论，使得中-低填方路基工程可大幅节约工程投资。
发明了具有良好的抗裂、抗渗、抗疲劳等性能的膨胀土路堑基床水泥基防水抗裂材料，研发了装配式排水盲沟和减胀反滤排水层，实现了工厂化生产、装配式施工，效率提高50%以上，成本降低30%以上，建立了膨胀土地区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。
项目成果已全面应用于成绵乐、上海至昆明、昆明至南宁、贵阳至南宁、郑州至万州，成都至贵阳、贵阳至广州、川南城际等10余条高速铁路建设，推动了高速铁路路基工程技术进步，也为成渝中线高铁、川藏铁路修建提供了技术储备。项目所依托的“西成高速铁路”获全球FIDIC杰出工程项目奖，“云桂高速铁路”获全球FIDIC优秀工程项目奖和中国土木工程詹天佑奖，另有十多个工程项目获省部级工程创优奖，奠定了我国在该领域的国际领先地位。
方宏远认为，目前在工程界还待于普及认识、修订规程规范，加强贯彻落实，逐步提高膨胀土问题的治理水平。
目前工程界有哪些技术来解决膨胀土难题
据悉，截至目前，我国已有运营高铁2.9万公里，在建高铁2.6万公里，占世界高速铁路的三分之二以上，且运行速度最高。而高速铁路路基工程的“毫米级”变形控制是保证高铁高速、平稳、安全运行的核心技术。与传统普速铁路不同，高速铁路路基变形控制标准为5-15mm，仅为传统铁路的5-10%，要求极其严格。
王复明院士指出，目前工程界各个行业均围绕膨胀土难题开展了系统研究，包括公路、水利、铁路及建筑等，并开发了较多的加固处理技术，但膨胀土难题的解决还要从其本质规律出发，才能真正取得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，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，处理思路与上面基本一致，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，通常采用锚固或支挡技术；锚固技术最为经济实用，可分散均匀布置，弥补深部裂隙分布不易查清的缺陷，基于此，近期我国学者研发的伞型锚锚固技术取得了良好的效果；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，大量采用了抗滑桩和伞型锚锚固技术，效果良好。
他说，膨胀土地区的道路工程既有胀缩变形造成的危害也有滑坡危害，重点是查明膨胀土的工程特性，结合工程建设采取针对性的有效处理措施，可大大降低工程可能存在的安全隐患。
这就是膨胀土（图二）
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