公路路基路面設(shè)計(jì)中膨脹土處理分析

何文進(jìn)

（江西贛北公路勘察設(shè)計(jì)院，江西 九江 332000）

0 引言

膨脹土的抗剪性一般比較強(qiáng)，但在土體失穩(wěn)的情況下其抗剪能力會快速下降，使自身的強(qiáng)度降低。同時(shí)，由于膨脹土主要是由吸水性礦物組成的，所以具備一定的吸水膨脹特性，一旦失水系數(shù)下降會破壞路基路面結(jié)構(gòu)。因此，在公路路基路面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)需要了解膨脹土的特性，可通過現(xiàn)場試驗(yàn)或系統(tǒng)建模的方式驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案可行性，及時(shí)解決設(shè)計(jì)方案中存在的問題。

1 膨脹土的判別標(biāo)準(zhǔn)

在公路工程施工中，膨脹土是較為常見的不良地質(zhì)條件，如果未對其進(jìn)行必要的處理，會影響工程質(zhì)量。在路基路面設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，準(zhǔn)確判斷土質(zhì)類型，不僅能保證設(shè)計(jì)方案的合理性，促進(jìn)項(xiàng)目順利開展，還能降低不良土質(zhì)對路基路面施工產(chǎn)生的影響。目前，對膨脹土的判別方法主要有直接法、間接法。

直接法是通過技術(shù)檢測的方式確定土體的膨脹量、礦物含量，進(jìn)而進(jìn)行土質(zhì)判斷。

間接法是利用間接性的指標(biāo)進(jìn)行判斷，如有線膨脹率、塑性指數(shù)、膨脹率、比表面積等。

無論選擇哪種判別方法，都要遵循相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)與規(guī)范，做好對各項(xiàng)指標(biāo)的分析與判斷工作，提高判斷的準(zhǔn)確度，為公路工程的順利開展奠定基礎(chǔ)條件。

由于膨脹土主要是由蒙脫石、伊利石等親水性黏土礦物質(zhì)構(gòu)成的，且內(nèi)部存在較多的裂隙，所以對水有著較高的敏感性，其最顯著的特性是吸水膨脹性與失水收縮性，土體失水或者浸水都會給道路造成一定的破壞和影響。在膨脹土判別過程中，應(yīng)該從土體外觀、土質(zhì)分布范圍、試驗(yàn)檢測（自由膨脹率）等方面入手，通過綜合分析確定其是否屬于膨脹土。

外觀：一般呈棕、黃、褐色及灰白等色，常呈斑狀。分布范圍：多分布在盆地內(nèi)崗，山前丘陵地帶，二、三級階地上。試驗(yàn)檢測：經(jīng)檢測，自由膨脹率超出40%則可初步判定為膨脹土。就目前的判定方式來說，試驗(yàn)檢測方式的準(zhǔn)確度最高。

2 膨脹土對地基的危害

在膨脹土地質(zhì)條件下所建設(shè)的公路項(xiàng)目容易發(fā)生病害問題。所以，在公路路基路面設(shè)計(jì)中，技術(shù)人員與設(shè)計(jì)人員必須對這些病害問題有足夠的認(rèn)識，結(jié)合具體情況設(shè)計(jì)合理的處理方案，從而確保公路工程的整體質(zhì)量合格，滿足交通運(yùn)行標(biāo)準(zhǔn)。

第一，由于膨脹土的力學(xué)特性比較特殊，所以需要從膨脹變形性、強(qiáng)度穩(wěn)定性方面展開分析。在對膨脹土的分析中，強(qiáng)度是十分重要的參數(shù)，也是影響道路工程整體穩(wěn)定性的關(guān)鍵參數(shù)，必須對其有足夠的重視。如果膨脹土的強(qiáng)度發(fā)生改變，公路工程的填料則會發(fā)生滑動變化的情況。公路在運(yùn)行期間，會長期受到車輛的碾壓，由于膨脹土的力學(xué)特性比較特殊，在荷載過大及外部氣候因素的影響下，膨脹土的強(qiáng)度會降低，路基、路面會因此發(fā)生變形，嚴(yán)重情況下甚至?xí)l(fā)生公路滑坡等病害問題，嚴(yán)重威脅道路的交通運(yùn)行安全。

第二，水是影響路基穩(wěn)定性的重要性因素，膨潤土處于缺水的條件下，會發(fā)生不均勻的收縮問題，外部表現(xiàn)就是路基結(jié)構(gòu)發(fā)生了不均勻的變形，通常以波浪型、傾斜型的形式存在；有水進(jìn)入到膨潤土結(jié)構(gòu)內(nèi)，強(qiáng)度性能流失比較嚴(yán)重，結(jié)構(gòu)變形并不大，如果再加上外部車輛碾壓作用，極易導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)發(fā)生不均勻沉降的問題，結(jié)構(gòu)變形就會變得非常明顯。尤其是受到外部荷載持續(xù)作用，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)發(fā)生裂縫的問題，路面結(jié)構(gòu)損壞嚴(yán)重，多數(shù)情況下都不能修補(bǔ)處理。即使有些部位可以進(jìn)行修補(bǔ)，也需要投入較多的人力、物力、財(cái)力，資源損失嚴(yán)重，運(yùn)營成本升高，阻礙交通事業(yè)發(fā)展。

3 工程概況

某公路項(xiàng)目是國家重點(diǎn)建設(shè)的干線項(xiàng)目，其中一個(gè)標(biāo)段的工程長度為94.02km。經(jīng)現(xiàn)場勘察發(fā)現(xiàn)該路線經(jīng)過的區(qū)域是典型的膨潤土地質(zhì)條件，土壤中有大量的膨脹性黏土礦物。且該地區(qū)的氣候?yàn)閬啛釒Ъ撅L(fēng)性大陸氣候，全年最高溫度達(dá)41.3C，全年平均氣溫在 13.8～15.9C，年平均降雨量為 704.1～1174.3mm，每年的7～9月集中降雨，其他月份的降雨量極少。根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果，在該項(xiàng)目的整個(gè)施工范圍內(nèi)，膨脹土分布路段在總路段中的占比為54.21%，且以弱、中膨脹土為主，強(qiáng)膨脹土的比例很小，集中在某個(gè)區(qū)域。路堤采用填方施工處理方式，為了能夠節(jié)約建筑工程材料，符合當(dāng)?shù)毓こ探ㄔO(shè)需要，將施工區(qū)域內(nèi)大量的膨脹土作為路基填筑材料應(yīng)用。為了確保工程的質(zhì)量合格，應(yīng)該對膨脹土做出改性處理，以達(dá)到工程運(yùn)行的標(biāo)準(zhǔn)。

4 膨脹土路基填筑方案

在公路路基施工中盡量不要采用大填大挖的作業(yè)方式，同時(shí)還應(yīng)該確保淺路塹、低路堤、路基結(jié)構(gòu)都達(dá)到穩(wěn)定的標(biāo)準(zhǔn)。目前對于膨脹土改性來說，加入石灰的方式比較常見，但是需要做好加入比例的控制，通常根據(jù)要求，改性后膨脹收縮率控制在0.7 以內(nèi)才算合格。路基填筑施工方案確定時(shí)，技術(shù)人員對比多種改性方案，并與全換填作業(yè)方式對比，詳見表1 所示。弱膨脹土與中膨脹土需要加入的石灰比例分別是5%和7%，由于在現(xiàn)場施工中，會存在石灰損耗的情況，這就需要根據(jù)實(shí)驗(yàn)室的標(biāo)準(zhǔn)作為基礎(chǔ)，增加1%的加入比例，保證最終的處理效果合格。此次工程的設(shè)計(jì)人員，分析發(fā)現(xiàn)加入石灰進(jìn)行膨脹土改性處理，工藝復(fù)雜性較高，質(zhì)量控制難度大，成本也比較高，但是路基填筑施工質(zhì)量與壓實(shí)控制要求較高，所以項(xiàng)目沿線取土場山皮土壓實(shí)檢測難度高，而線路周邊區(qū)域的膨脹土儲量比較豐富。經(jīng)過多方面考察分析，最終確定加入6%的石灰以完成膨脹土改性處理。

表1 方案比較

對比內(nèi)容工藝質(zhì)量資源利用是否選擇膨脹土改性通過檢測膨脹土性能，對摻拌灰量進(jìn)行調(diào)節(jié)，過程較為煩瑣，施工進(jìn)度控制較難受到土質(zhì)變化與石灰量影響，質(zhì)量控制難度大通過利用挖方資源，直接進(jìn)行材料改良，能源損耗低是全部換填另外購買填筑材料，按照常規(guī)工藝操作，操作較為簡單質(zhì)量控制較為容易需要動新土，資源利用率低，生態(tài)環(huán)保性差否

5 膨脹土路基設(shè)計(jì)

5.1 路基坡率

在該項(xiàng)目路基坡率設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，沒有按照相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求的坡率進(jìn)行設(shè)計(jì)，而是選擇應(yīng)用相同類型的公路工程項(xiàng)目作為參考，模擬力學(xué)分析模型，最終確定了變坡率的設(shè)計(jì)方案。在臨近位置按照為0.4m×0.4m尺寸設(shè)置截水溝。在該項(xiàng)目工程中，邊坡的設(shè)計(jì)按照規(guī)范參數(shù)進(jìn)行，相關(guān)的邊坡率可適當(dāng)?shù)貎?yōu)化，這樣才能切實(shí)地將坡腳的土體壓力減小，同時(shí)還能夠達(dá)到坡腳支撐的效果，防止發(fā)生嚴(yán)重變形的問題，提高邊坡結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和道路工程安全性。

5.2 排水溝及護(hù)坡道

結(jié)合項(xiàng)目的實(shí)際情況，根據(jù)水力參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，內(nèi)外坡全部按1∶1 設(shè)計(jì)，深度設(shè)定為0.8m，形式為倒梯形的排水溝完全符合路面排水的要求，這樣水溝中的水就不會給路床與路基造成影響。設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)明確加寬位置、設(shè)置排水溝，溝底與路床頂面保持40cm 以上的距離。技術(shù)人員對路塹路床展開分析，確定排水溝中的水并不會給路床的狀態(tài)造成過大影響，所以將排水溝底部寬度、深度都增加到1.0m。坡腳外緣部位設(shè)計(jì)寬度為2.0m 的護(hù)坡道的結(jié)構(gòu)，有效地預(yù)防邊坡碎石滾落到排水溝內(nèi)而發(fā)生堵塞，從而保持內(nèi)部水流的通暢性。

5.3 路基處理

技術(shù)人員對現(xiàn)場進(jìn)行全面的勘察，發(fā)現(xiàn)該區(qū)域的大氣影響參數(shù)在3～5m 之間，大氣急劇影響深度不超過1.6m。在道路運(yùn)行的過程中，若大氣急劇下降就會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)出現(xiàn)損壞、變形等問題，故而在該工程中膨脹土路基、路面結(jié)構(gòu)的總體厚度設(shè)定為1.6m以上。在路基施工中采取分層填筑的施工方式，經(jīng)過碾壓可以達(dá)到結(jié)構(gòu)密實(shí)度的標(biāo)準(zhǔn)要求，但是對膨脹土的微結(jié)構(gòu)依然會存在著較大的影響，且膨脹性能并不會完全消失，遇水后容易發(fā)生體積變大的情況。因此，技術(shù)人員在膨脹土處理中，要根據(jù)現(xiàn)場的情況進(jìn)行分析，了解是否存在影響因素，綜合路床與路堤結(jié)構(gòu)，才能確定最佳的實(shí)施方案。路塹部分由于膨脹土存在固結(jié)性的特點(diǎn)，所以應(yīng)用防水處理方式，結(jié)構(gòu)強(qiáng)度提升比較明顯。所以技術(shù)人員需要按照既有的施工標(biāo)準(zhǔn)，采取科學(xué)的處理方式進(jìn)行操作。

5.3.1 弱膨脹土路基處理

在弱膨脹土路基處理環(huán)節(jié)，需要考慮膨脹土的承載性能，并且在掌握路面結(jié)構(gòu)與路床厚度參數(shù)以后，優(yōu)化處理方式。一般來說對上下路床處理時(shí)，加入石灰比例按6%、5%進(jìn)行施工，壓實(shí)度達(dá)到95%以上。在路基高度處于1.52～2.22m 之間時(shí)，加入石灰的比例不變。

通過相關(guān)檢查發(fā)現(xiàn)路床下部材料無法滿足承載要求標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，此時(shí)應(yīng)該按照加入4%的石灰處理，壓實(shí)度達(dá)到93%及以上，該比例并不能消除路基土的膨脹性特點(diǎn)。但是黏粒與膠粒含量有效降低，膨脹反應(yīng)大大減小，并且加入石灰后，填料的CBR 值提升較為明顯。在路基填筑高度超過2.22m 的情況下，根據(jù)以上方法開展路床與路堤部分的處理，且路基作用區(qū)一般在路面以下2.0m 空間，下路堤路基填料按照CBR≥3即可滿足要求。因此，在弱膨脹土的含水量升高的情況，需要對壓實(shí)度、CBR 值都必須進(jìn)行控制，使其達(dá)到技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的要求。在該項(xiàng)目中膨脹土路堤反應(yīng)不明顯，因此不需要進(jìn)行特殊處理。由于該公路項(xiàng)目的膨脹土區(qū)域位于強(qiáng)風(fēng)化區(qū)域，脹縮的反應(yīng)較為明顯，極易出現(xiàn)干濕循環(huán)的變化特點(diǎn)，給邊坡造成過大的損壞和影響，所以此時(shí)的邊坡需要使用厚度為5cm的非膨脹土進(jìn)行包邊。下路堤對于沒有摻灰的部分，一般需要加入6%的石灰土，并且制作尺寸為6cm 的垂直厚度包邊，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性、穩(wěn)定性的標(biāo)準(zhǔn)。但是在施工中需要注意的是，非膨脹包邊土與石灰處置土填料應(yīng)該同層碾壓施工，提高結(jié)構(gòu)運(yùn)行的效果。

5.3.2 中膨脹土路基處理

針對中膨脹土路基處理主要是針對路面結(jié)構(gòu)厚度在0.72cm 以及路床厚度為0.8m 的區(qū)域進(jìn)行處理。針對此類情況當(dāng)路基高度達(dá)到1.52m 時(shí)，分別對上下路床處理，加入石灰比例按6%、5%進(jìn)行施工，壓實(shí)度達(dá)到95% 以上。在路基高度處于1.52～2.22m 之間時(shí)，加入石灰的比例不變，并且加入6.5%的石灰土進(jìn)行處理，深度在70cm 以內(nèi)的路堤，壓實(shí)度在93% 以上。在路基填筑高度超過2.22m 的情況下，根據(jù)以上方法開展路床與路堤部分的處理，分析膨脹性、經(jīng)濟(jì)性方面，選擇應(yīng)用4% 的石灰土處理，壓實(shí)度超過93%。針對邊坡路面以下的施工位置，采用非膨脹土作為材料進(jìn)行包邊。

5.3.3 填挖交界處路基處理

填挖交界部位的路基來說，除了應(yīng)該根據(jù)正常的膨脹土路基高度的處理外，還需要在路床施工范圍中采用玻璃纖維進(jìn)行鋪設(shè)，有效地預(yù)防含水量發(fā)生變化而造成的結(jié)構(gòu)不均勻沉降，從而使結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提升。

5.3.4 地下水位的影響

地下水的影響是一直都存在的，如果水位較高，在表層清理結(jié)束之后，采用砂礫在現(xiàn)場鋪設(shè)墊層結(jié)構(gòu)，墊層底面的高度需要超過溝底70cm 左右，同時(shí)考慮到地下水位的影響，邊坡的高度要增加一定的距離，這樣才能將積水迅速排出。在墊層以上位置按照膨脹土的特性，明確路基的高度。在地下水位比較高的位置按照80cm 開挖的標(biāo)準(zhǔn)，采用摻灰對其進(jìn)行處理，同時(shí)在超挖距離達(dá)到30～50cm 以后，需要使用砂礫石鋪設(shè)墊層。在邊溝下部設(shè)置碎石盲溝，寬60cm、深50cm，外包反濾土工布結(jié)構(gòu)，同時(shí)在施工區(qū)域采用波紋管進(jìn)行鋪設(shè)。針對墊層以上的路床位置，采用摻灰處理方式進(jìn)行處理。

6 膨脹土路基處理效果

綜合分析此次公路工程項(xiàng)目多個(gè)路段部分的膨脹土特性，經(jīng)過路堤試驗(yàn)分析，進(jìn)行摻灰處理工作結(jié)束后，發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)結(jié)果與工程情況是基本相同的，但是在進(jìn)行摻灰比例的檢測環(huán)節(jié)存在著較高的難度，容易發(fā)生比較大的偏差?；诖?，此工程采用的是無側(cè)限抗壓強(qiáng)度的方式進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果為：當(dāng)摻入量為8%、7%、6%、5%、4% 時(shí)，膨脹土的對應(yīng)強(qiáng)度分為0.8MPa、0.7MPa、0.7MPa、0.6MPa 和0.5MPa。按照該結(jié)果參數(shù)，該工程在路塹邊坡位置上設(shè)置墊層結(jié)構(gòu)，且在周邊設(shè)置排水盲溝。經(jīng)過現(xiàn)場一段時(shí)間的運(yùn)行，這種處理措施的優(yōu)勢較為明顯，且在一個(gè)降雨期后，盲溝排水完全達(dá)到正常的狀態(tài)。在當(dāng)年雨季運(yùn)行后，檢查現(xiàn)場運(yùn)行的情況，盲溝流水通常，排水效果良好，施工狀態(tài)符合預(yù)先設(shè)定的標(biāo)準(zhǔn)。

7 結(jié)語

在公路施工中膨脹土是比較普遍的一種地質(zhì)條件，在路基路面工程施工中，給現(xiàn)場施工的質(zhì)量造成影響比較大，因此，在公路路基路面設(shè)計(jì)的過程中，需要合現(xiàn)場的情況，采取必要的應(yīng)對處理措施，才能使公路工程得以有效的運(yùn)行。在膨脹土處理中，目前廣泛應(yīng)用的處理措施是摻灰處理，按照不同條件確定合適的摻灰比例，確保路基路面結(jié)構(gòu)的性能符合要求。同時(shí)在往后工作中，針對膨脹土的處理，還要從材料設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面做好優(yōu)化，減少路基面沉陷、坍塌等問題出現(xiàn)。