都安高速公路高嶺土路基施工技術(shù)研究

周曉璽 楊露

摘 要：膨脹土是一種特殊性黏土，具有多裂隙、易風化、顯著脹縮、反復(fù)破壞等特性，對環(huán)境的濕熱變化敏感，處理不當易引發(fā)工程病害。因此，膨脹土地區(qū)修建公路，常常需要對膨脹土進行處治，以解決膨脹土的工程問題，保證公路長期穩(wěn)定、健康運行。

關(guān)鍵詞：高嶺土;膨脹;路基處理;邊坡防護

1 引言

膨脹土具有遇水膨脹、失水收縮且浸水強度衰減等特性，對高速公路施工及運營存在極大的破壞作用。公路膨脹土路基會產(chǎn)生如路堤沉陷滑移、邊坡失穩(wěn)等多種病害。如果不及時處理或處理不當，后期將會造成嚴重破壞，導(dǎo)致高速公路難以正常、安全地投入使用。因此，在高速公路施工中，一定要做好膨脹土路基處理工作。

2 工程概況

都勻至安順公路T18合同段K112+810～K113+000、K114+600～K114+800兩段挖方開挖揭露為高嶺土。經(jīng)土工試驗測量，天然含水率30%，液限為45%，塑限約24%，塑性指數(shù)約21%，最大干密度為1.92g/cm3，膨脹量為1.5%～3.0%，屬于中等膨脹土，經(jīng)計算其天然稠度=（液限-天然含水率）/塑限=0.625<1，表明土體結(jié)團嚴重，極難晾曬，即使土體表面晾曬干了，土團內(nèi)部仍是濕的。因此不能直接用于路基的填筑。

3高速公路膨脹土路基施工工藝

由于以往公路建設(shè)對膨脹土的認識不足，膨脹土曾一度被當作正常填料直接使用，當用膨脹土填筑的路基發(fā)生開裂、沉陷或坍塌等病害，人們又將其全部廢棄不用。不加限制的使用和全部廢棄不用膨脹土同樣都是十分不利的。前者會造成嚴重的質(zhì)量隱患，后者會造成大量的廢方和借方，而在膨脹土地區(qū)，棄土困難，周圍如果沒有好土利用，將阻礙工程進展，增加工程投資。因此，如何充分認識和適當利用膨脹土，在公路工程建設(shè)中是個亟待解決的現(xiàn)實問題。故本文擬結(jié)合室內(nèi)試驗成果，對膨脹土在填方路基的應(yīng)用及膨脹土挖方路基的穩(wěn)定加固技術(shù)進行探討。

3.1 膨脹土填筑路堤

3.1.1 膨脹土填筑路堤穩(wěn)定加固技術(shù)的處理原則

（1）防滲保濕。膨脹土的脹縮性受水分影響明顯，只有杜絕水分在路堤內(nèi)的遷移，才能使膨脹土路堤處于穩(wěn)定的狀態(tài)當中。工程實踐證明，位于填芯部位的膨脹土其水分變化很小，基本不受外界氣候條件的影響，而位于邊坡部位的膨脹土則存在一個大氣影響區(qū)，其水分遷移明顯。因此，要對膨脹土路堤，特別是邊坡部位需采取一定的防滲保濕措施。膨脹土包芯填筑設(shè)計圖如下圖所示。膨脹土填筑在90區(qū)，膨脹土的填筑高度H≤6m，93、96區(qū)、基底和邊坡兩邊的包邊區(qū)用好土填筑，包邊厚度根據(jù)大氣影響深度確定，一般為3～5m。

（2）石灰改良。由于高嶺膨脹土有著較強的親水性和膨脹性，石灰改性一方面利用石灰中的 Ca2+、Mg2+等離子來替換膨脹土中的Na+、K+等離子，增強土顆粒之間的結(jié)合力，提高土體的強度，從而改善土的性質(zhì);另一方面，石灰中的CaO和土中的SiO2、Al2O3之間通過化學反應(yīng)生成鋁酸鈣水化物、硅酸鈣鹽等化合物，產(chǎn)生較強粘合作用，提高土的強度。將配置好的石灰試劑與膨脹土進行充分接觸混合，從而促使膨脹土內(nèi)部發(fā)生物理化學反應(yīng)，土的內(nèi)部結(jié)構(gòu)出現(xiàn)變化，降低或消除膨脹土的膨脹性，增強其膨脹土路基的水穩(wěn)定性。在包邊路堤施工中，包邊部分與填心部分同時鋪設(shè)中弱膨脹土，用路拌機打碎，并輕壓1～2遍，然后對兩側(cè)包邊部分灑鋪石灰并攪拌均勻，最后對包邊部分與內(nèi)部填料同步進行碾壓，即完成一個碾壓層的施工。

為了確定最佳的摻灰量，工地實驗室分別選取了1%、2%、3%、4%、5%、6%的摻灰量進行試驗，試驗結(jié)果為養(yǎng)護7d后的石灰改良土的脹縮率分別是1.6%、1.2%、0.7%、0.51%、0.40%、0.37%，石灰改良土的CBR值分別為32.5%、57.5%、60.5%、66.7%、67.8%、68.2%。+根據(jù)試驗結(jié)果，當摻灰量小于等于4%時，隨著摻灰量的增加，石灰改良土的膨脹率和CBR改良最明顯，效果最佳，但大于4%后，效果已不再明顯，從而得出最經(jīng)濟的摻灰率為4%。

（3）土工格柵加固膨脹土路堤。除采用包邊土處理外，還可以采用土工格柵加固膨脹土路堤。如下圖所示，路堤邊坡的中下部往往因不能抵抗水平膨脹力的作用而產(chǎn)生破壞。填筑前先用水穩(wěn)性好、顆粒較大的好土填筑，必要時可考慮超寬填筑，以削弱地下水的上升對路堤底部的影響。在大氣作用下，膨脹土路堤邊坡易產(chǎn)生反復(fù)脹縮，形成縱向裂縫，強度降低。邊坡裂縫的存在隨著時間的推移會向路堤內(nèi)部發(fā)展，從而導(dǎo)致路基縱向開裂，強度降低。因此可鋪設(shè)土工格柵，在路堤下部兩層土工格柵的錨固長度為6m，防止路堤底部因水平膨脹而產(chǎn)生破壞。路堤中部土工格柵的錨固長度為3m，起加固邊坡，制約路堤膨脹變形的作用。在路堤上部兩層土工格柵的錨固長度為6m，以防止路堤的縱向水平位移使其上填土及路面產(chǎn)生差異沉降。

（4）土石互層填筑膨脹土路堤?；撞捎盟€(wěn)定性好的填石基底，避免毛細水位上升，然后每填筑1.25m膨脹土后，采用0.4m的黏性土封層，上路堤及路床均需要采用好的填料填筑，且每層填料均需設(shè)置2%的雙向人字橫坡。

基于上述的各類方案分析研究，鑒于當?shù)責o石灰生產(chǎn)廠家，需要外購，都安高速T18合同段對K112+810～K113+000、K114+600～K114+800兩段路基挖方填料的利用采用了土石互層的處理方式，路基填筑了通過3個月的沉降觀測，沉降-位移曲線收斂，滿足設(shè)計要求。

3.1.2 膨脹土開挖路塹

由于膨脹土邊坡上的水分蒸發(fā)和收縮開裂、降雨在邊坡上形成徑流沖刷邊坡、膨脹土吸水膨脹以及雨水滲入邊坡內(nèi)部，使邊坡土塊崩解，土體抗剪強度衰減，造成邊坡的溜塌、滑坡、下沉、移位等變形病害現(xiàn)象十分突出，影響行車安全。且膨脹土邊坡變形和破壞常常具有多次反復(fù)性和長期潛在危險性的特點，需要在前期設(shè)計和施工過程中引起足夠的重視，防患于未然。

（1）膨脹土滑坡的力學機理分析：膨脹土塹坡滑動的力學機理就是塹坡連續(xù)破壞中滑動面的形成和土體抗剪強度衰減的過程，滑動面的形成是在滑體發(fā)生位移過程中發(fā)生和發(fā)展的。其過程可分為三個階段：

1）初級張裂破壞階段：由于塹坡局部蠕變，滑坡后緣開始出現(xiàn)張裂縫，隨著深部土體含水量的增加，土體充分軟化，在潛在滑動面上出現(xiàn)封閉式的塑性剪切區(qū)，相當于τ～σ曲線有中ab段。

2）剪切面擴展階段：當主剪切區(qū)發(fā)展到相當程度，土體中部有些不連續(xù)剪切的軟化剪切區(qū)終于逐漸連在一起形成了剪切面，土體顆粒重新排列。但滑坡前緣還處于不受壓狀態(tài)，故滑面仍未貫通于下部，相當于τ～σ曲線中的bc段。

3）滑體位移階段：剪切面的不斷擴展，使滑坡前緣受壓隆起和剪壞，與剪切區(qū)和拉伸區(qū)的滑面貫通。此時滑面上的強度只能是發(fā)揮其殘余強度，相當于τ～σ曲線中的c點，這時整個滑體發(fā)生水平位移（圖5）。

（2）膨脹土邊坡處理技術(shù)研究：1）保持邊坡土體天然含水量狀態(tài)的相對穩(wěn)定，應(yīng)防止地面水與地下水滲入路塹邊坡。含水量的穩(wěn)定與膨脹土的大氣影響深度及邊坡的內(nèi)外排水設(shè)計密切相關(guān)。一般建議將膨脹土邊坡采用護面墻、拱形骨架、噴射混凝土或者鋪設(shè)土工布封閉保水。

2）保持邊坡土體足夠的抗剪強度，應(yīng)防止土體強度的衰減。由于膨脹土路塹邊坡在長期干濕環(huán)境下，極易產(chǎn)生破壞，且根據(jù)全國各地實際施工經(jīng)驗，一般坡比不應(yīng)小于1：1.5，對于高邊坡、高膨脹性土還應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際情況進一步放緩。

基于上述的分析研究，都安高速T18合同段對K112+810～K113+000、K114+600～K114+800兩段路基挖方邊坡采用了現(xiàn)澆拱形骨架+土工布膜覆蓋處理，且將邊坡由1：1放緩至1：1.5，修建完成后，坡面完好，雨水未能深入路塹邊坡，保證了邊坡的整體穩(wěn)定性。

4 結(jié)束語

本文通過都安高速高嶺土路基的填方和挖方的設(shè)計變更過程，總結(jié)了膨脹土路基的施工技術(shù)措施，對今后遇到同樣的問題提供了一定的指導(dǎo)性意見，保證了路基的安全穩(wěn)定性，保證了工期并節(jié)約了工程造價。

參考文獻：

[1]楊果林.潭邵高速公路膨脹土處治技術(shù)研究[D].長沙：湖南大學，2003.

[2]膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范（GBJ112-87）[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，1987：22-24.

[3]鄔建峰，高亞軍，武瑞峰.公路工程中的膨脹土問題[J].山西交通科技，2003（增）：18-20.

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

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