公路膨脹土路基沉降與邊坡穩(wěn)定性分析

李二兵

【摘 要】 介紹了膨脹土路基常見的病害和誘發(fā)原因，分析膨脹土路基在荷載作用下的沉降特點(diǎn)、沉降規(guī)律以及大氣影響深度及工后沉降問題，提出了確定性分析和非確定性分析在路基邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用，對邊坡的破壞特征、破壞機(jī)理以及風(fēng)化特點(diǎn)進(jìn)行簡要介紹。

【關(guān)鍵詞】 膨脹土 路基 邊坡 脹縮性

0 引言

膨脹土從宏觀上看具有顏色多樣、自然坡腳、裂隙發(fā)育、土體成層性明顯、粒度成分以粘結(jié)粒與粉粒為主。微觀結(jié)構(gòu)上決定了膨脹土的強(qiáng)度和滲透性，其粘土礦物顆粒較小，之間沒有形成骨架聯(lián)接。物理特性上塑性指數(shù)較大，天然含水量低于塑限。膨脹土最主要的特點(diǎn)就是膨脹與收縮性，當(dāng)含水量增加，體積就會顯著增大，比一般土體的膨脹性要明顯很多，當(dāng)含水量減小時，其體積就會收縮，出現(xiàn)裂縫，膨脹與收縮具有反復(fù)性與不可逆性。

造成膨脹土脹縮性的內(nèi)因?yàn)榈V物及化學(xué)成分的影響、土結(jié)構(gòu)、土密度以及含水量的影響。外因上為附加荷載、氣候條件、地形地貌、水文條件以及植被面積等。內(nèi)因起到?jīng)Q定性作用，外因起到影響和制約。

1 膨脹土地區(qū)公路路基病害

膨脹土在沒有發(fā)生脹縮時強(qiáng)度較高，容易被誤認(rèn)為良好的路基土，但在表層風(fēng)化以及濕脹干縮作用下就會發(fā)生各種路基病害。膨脹路基常見的病害有：路堤與路塹邊坡失穩(wěn)、路基波浪形沉降、路基翻漿冒泥、路基渣囊以及路肩縱向開裂與坍塌等一系列病害。

1.1 路堤與路塹邊坡失穩(wěn)

膨脹土發(fā)生濕脹后，其抗剪強(qiáng)度會明顯降低，如果壓實(shí)不夠，就會發(fā)生塌滑，形成塑狀的局部溜塌，松散體造成的泥石流還會堵塞邊溝和涵洞，淹埋路面，沖毀路基等。病害具有潛伏性、多發(fā)生、在若干年后。

1.2 路基波浪形沉陷

膨脹土路基在風(fēng)化和雨水的作用下會不同程度的造成土體漲縮效應(yīng)的發(fā)生，由于含水量不均勻，形成波浪式的沉降變形，路堤越高，這種變形就越明顯，沉降越大，直接影響行車的舒適性，給交通事故帶來安全隱患。

1.3 路基翻漿冒泥

膨脹土路基如果不能及時的處理，在干濕循環(huán)以及車輛荷載作用下，表面會松弛滲水，強(qiáng)度降低，泥化現(xiàn)象嚴(yán)重，孔隙水壓力增大將泥土擠入到粒料內(nèi)，沿著裂縫與伸縮縫冒出，形成翻漿冒泥現(xiàn)象，還可能出現(xiàn)較大的路基沉陷和變形。

1.4 路基渣囊

基層內(nèi)的粒料會隨著泥化進(jìn)入到土中，形成渣囊，破壞路面結(jié)構(gòu)，并儲存水分，成為深水通道，進(jìn)一步加劇泥化現(xiàn)象。

1.5 路肩縱向開裂與坍塌

路肩部位變形要遠(yuǎn)大于堤身部位，因?yàn)槠渑R空受到外界作用大，機(jī)械碾壓時不容易控制。膨脹土路肩容易發(fā)生縱向開裂現(xiàn)象，雖然不會直接影響道路的安全行駛，但如不能及時修復(fù)會形成滲水通道，造成路肩的塌陷。

2 膨脹土路基的沉降特性

膨脹土路基的變形一方面為土體自重變形以及荷載作用變形，另一方面為漲縮變形。路基設(shè)計(jì)中不僅要考慮路基承載力和穩(wěn)定性，也要要求路基的沉降，特別對于膨脹土路基更為重要，膨脹土路基極易發(fā)生不均勻沉降，產(chǎn)生各種病害，影響公路的安全性，所以要特別重視膨脹土路基的沉降問題。

2.1 荷載作用下膨脹土路基的沉降

荷載作用下路基的膨脹土路基的沉降包括瞬時沉降、主固結(jié)沉降以及次固結(jié)沉降三個部分，瞬時沉降和主固結(jié)沉降在施工進(jìn)程中以及重載汽車反復(fù)作用下都會產(chǎn)生，是隨著施工和使用、隨著時間與荷載不斷變化的，次固結(jié)沉降由于膨脹土的微觀結(jié)構(gòu)問題非常小，可以忽略不計(jì)。

荷載作用下路基土的彈性變形即為瞬時沉降，塑性變形是因?yàn)橥馏w排水造成的，為主固結(jié)沉降。彈性變形會在卸去荷載后恢復(fù)，但塑性變形卻會不斷累加，與受到的行車荷載和頻率有直接關(guān)系。主固結(jié)沉降具有一定的滯后性，路基的沉降主要受自身荷載的自重影響，一般在竣工時已經(jīng)產(chǎn)生較大的固結(jié)度，而竣工后沉降量則較小。土體中的水分在外荷載影響下不可能及時的排出，土的有效應(yīng)力不會瞬間增加，所以應(yīng)力增量引起的主固結(jié)沉降具有一定的滯后性。

2.2 膨脹土路基漲縮沉降規(guī)律

膨脹土的脹縮變形規(guī)定失水收縮引起路基向下沉降為正，吸水膨脹引起路基向上隆起為負(fù)，膨脹土隨時間的變化大致可以分為三個階段，勻速急劇膨脹階段、減速膨脹階段以及緩慢膨脹階段。地表水進(jìn)入到路基后首先是表層土體的浸水，表層土體沉降速度較快，但由于自重應(yīng)力小，所以膨脹引起的負(fù)沉降量較大，上層土的膨脹會降低土的滲透性，所以中下層的浸水速度有所減慢，膨脹速率也變的緩慢，中下層受到上層飽和土體的壓力，負(fù)沉降位移因受到限制而減小。

經(jīng)過干濕循環(huán)的膨脹土結(jié)構(gòu)不斷的擾動重塑，形成錯綜復(fù)雜的裂隙，破壞路基穩(wěn)定性，降低路基強(qiáng)度，并會導(dǎo)致路堤和路塹邊坡的失穩(wěn)，形成的滲水通道，加劇路基的膨脹沉降。膨脹土的脹縮性與受到的干濕循環(huán)及擾動重塑次數(shù)有很大關(guān)系，受到的干濕循環(huán)次數(shù)越多，其脹縮性越趨于穩(wěn)定減小，也即是膨脹土路基的破壞多發(fā)生在早期，可以通過對膨脹土進(jìn)行多次的浸水和翻曬，來降低其危害性。

2.3 膨脹土路基工后沉降量問題

膨脹土路基大部分沉降量是在施工期內(nèi)完成的，但施工完成后在行車荷載的作用下仍然會發(fā)生一小部分工后沉降，如果控制不好，導(dǎo)致較大的工后沉降量會引起路面的嚴(yán)重變形破壞，威脅交通安全，同時也增加了公路管理和養(yǎng)護(hù)費(fèi)用。我國目前對工后沉降量還沒有做出具體要求，公路設(shè)計(jì)與施工規(guī)范中對工后沉降量也沒有具體的控制標(biāo)準(zhǔn)。

2.4 膨脹土的大氣影響深度

大氣對膨脹土路基的影響主要表現(xiàn)在蒸發(fā)上，隨著路基深度的加深，土體濕度會相對較大，不受外界濕度變化的影響，膨脹土的脹縮變形也多發(fā)生在大氣影響深度以內(nèi)，也即是膨脹土的脹縮變形厚度。大氣影響深度還與氣象因素、地質(zhì)狀況、土層分布、地形地貌、植被狀況等有關(guān)。

3 膨脹土路基邊坡穩(wěn)定性分析endprint

3.1 邊坡穩(wěn)定性分析方法

確定性分析法，以安全系數(shù)為基礎(chǔ)，包括定性分析和定量分析，將所承受荷載值與外力荷載的比值作為安全的判斷標(biāo)準(zhǔn)。定性分析對影響邊坡穩(wěn)定性的各種因素、破壞機(jī)制等進(jìn)行分析，評價給出可能出現(xiàn)的病害，包括自然歷史分析法、工程類比法以及圖解法。定量分析包括力學(xué)驗(yàn)算和數(shù)值分析兩種方法，是對極限平衡理論的進(jìn)一步完善。

非確定性分析方法，邊坡的穩(wěn)定性分析具有模糊性和隨機(jī)性，非確定分析方法是在定性分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合現(xiàn)代的混沌理論、隨機(jī)理論等發(fā)展起來的，運(yùn)用概率論、灰色理論等知識來進(jìn)行可靠性分析。

3.2 膨脹土路基邊坡的破壞特征

膨脹土路基的破壞形式有滑坡、剝落、沖蝕、流泥等，其破壞與水的作用有很大關(guān)系，其破壞和路基邊坡的形狀、尺寸、膨脹土性質(zhì)等也有關(guān)，不合理的開挖，植物生長及動物活動中也可能造成路基邊坡的破壞。

其破壞機(jī)理為路基邊坡在沒有封閉保護(hù)的情況下，會在大氣中損失水分，造成坡面形成大小不等的裂紋，隨著時間會擴(kuò)大為豎向裂縫，進(jìn)入多雨季節(jié)后，裂縫成為滲水通道，土體吸水后發(fā)生膨脹，抗剪強(qiáng)度降低，并有較大的側(cè)向膨脹力，大大降低了邊坡穩(wěn)定性。另外水分的滲入也會造成土體內(nèi)膠結(jié)物質(zhì)的軟化，土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度散失，不利于邊坡穩(wěn)定。

膨脹土的風(fēng)化作用也會對邊坡造成危害，風(fēng)化包括物理風(fēng)化、化學(xué)風(fēng)化以及生物風(fēng)化三種，根據(jù)風(fēng)化程度可以分為表層風(fēng)化、淺層風(fēng)化以及深層風(fēng)化。表層屬于強(qiáng)風(fēng)化層，淺層風(fēng)化相對減弱，屬弱風(fēng)化層，深層土體不受大氣影響基本沒有風(fēng)化作用，可以認(rèn)為為原狀土層。

參考文獻(xiàn)：

[1]葛卜塔.膨脹土的物理化學(xué)性質(zhì)及其與工程性能的關(guān)系（黃庚祖譯）（原文載于第三屆亞洲土力學(xué)和基礎(chǔ)工程會議論文集第一卷）.84-8.

[2]陳善雄，孔令偉，郭愛國.膨脹土工程特性及其石灰改性試驗(yàn)研究[J].巖土力學(xué)，2002，23（增）：9-12.

[3]楊和平，李宇峙，李惠遠(yuǎn).膨脹土公路路基病害及破壞原因分析[J].中南公路工程，1995，（1）：15-17.

[4]錢玉林，卜龍章，胡順洋等.石灰穩(wěn)定膨脹土的效用及其施工質(zhì)量控制[J].巖土力學(xué)，2002，23（3）：325-328.

[5]李獻(xiàn)民，王永和，肖宏彬等.擊實(shí)膨脹土脹縮速度特性的對比研究[J].鐵道學(xué)報(bào)，2003，25（2）：115-120.

[6]肖榮久.陜南膨脹土及其地質(zhì)災(zāi)害研究.西安：陜西科學(xué)技術(shù)出版社，1995.endprint