高速公路膨脹土路基處理的探討

吳　磷

[摘要]膨脹土路基問題已成為一個公路建設(shè)無法回避的問題，對膨脹土的物理力學(xué)進(jìn)行分析，解釋路基病害形成的機(jī)理，提出設(shè)計的原則。

[關(guān)鍵詞]膨脹土 邊坡失穩(wěn) 路基處理

中圖分類號：TU4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720081－01

膨脹土在日本被稱為“難對付的土”，在美國被稱為“問題多的土”，它是一種高塑性土，土中粘粒含量一般>30%，且粘粒成分主要由親水礦物蒙脫石和伊利石組成，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮變形特點。膨脹土在我國貴州、云南、廣西、河北、湖南、湖北、安徽、江蘇等省地分布廣泛，在這種地區(qū)修建工程，出現(xiàn)了一系列的問題或事故，逐漸引起人們的重視和研究，在20世紀(jì)50～70年代國際上研究膨脹土曾一度形成熱潮，我國最早的研究是從20世紀(jì)60年代，起因是為解決膨脹土地區(qū)房屋開裂和倒塌，主要研究膨脹土的鑒別、測試技術(shù)等，并制定相關(guān)的規(guī)程規(guī)范，研究的理論偏重于膨脹土的變形問題，也涉及其他問題，如膨脹土的填筑標(biāo)準(zhǔn)等。20世紀(jì)70～80年代，鐵路部門針對當(dāng)時中西部地區(qū)若干條新建鐵路的邊坡失穩(wěn)問題，花了大量的研究經(jīng)費進(jìn)行了“裂土基本特性及其在路堤、路塹、邊坡工程中的應(yīng)用技術(shù)條件研究”，對裂土（即膨脹土）的基本性質(zhì)、測試方法、判別標(biāo)準(zhǔn)、填土的填筑條件以及處理措施等進(jìn)行了多方面的試驗研究，獲得了許多有用的成果。到20世紀(jì)90年代始，中國開始大規(guī)模興建高等級公路，膨脹土路基問題已成為一個公路建設(shè)無法回避的問題。

一、膨脹土路基的病害及其形成機(jī)理

在膨脹土路段修筑高速公路，常見的病害總結(jié)歸納為兩大類：（1）挖方邊坡的邊坡失穩(wěn)；（2）填方路段的路基變形。

（一）膨脹土的邊坡失穩(wěn)

1．膨脹土的特性。膨脹土具有一般粘性土所沒有的特殊性質(zhì)，通常把這些特殊性質(zhì)歸結(jié)為“三性”，即脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性。膨脹土的脹縮性是指膨脹土吸水膨脹，當(dāng)膨脹受阻，產(chǎn)生膨脹力；失水體積收縮，造成土體開裂。脹縮性與土體的蒙脫石含量呈正比，也與土的初始含水量有關(guān)系，當(dāng)初始含水量越低，膨脹量和膨脹力越大。膨脹土分布較多的裂隙，主要可分為垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三種類型，這些裂隙將土體層層分割成具有一定幾何形態(tài)的塊體，破壞了土體的完整性。膨脹土大多具有超固結(jié)性，天然空隙較小，干密度大，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高，當(dāng)路基開挖后，將產(chǎn)生土體固結(jié)應(yīng)力釋放，邊坡與路基面出現(xiàn)卸荷膨脹，常在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū)和較大的塑性區(qū)，使邊坡容易破壞。膨脹土的這三種特性是相互關(guān)聯(lián)的，脹縮性是由于土的粘土礦物成分、膠結(jié)物質(zhì)成分和結(jié)構(gòu)特征而造成的遇水膨脹、失水收縮的特性，屬于“內(nèi)因”。由于膨脹軟化或收縮開裂而導(dǎo)致土的體積和狀態(tài)的變化，從而使土開裂，故脹縮性是引起裂隙性的主要原因之一。但裂隙性對土體的強(qiáng)度影響極大，因為裂隙不僅破壞了膨脹土的整體性，而且裂隙為雨水的滲入開了“方便之門”，使水分快速進(jìn)入土體中，使在裂隙周邊的土體迅速軟化，并逐漸向周圍擴(kuò)展，同時負(fù)孔隙壓力（吸力）也迅速降低，由此大大地降低了土的抗剪強(qiáng)度，使土體容易沿薄弱結(jié)構(gòu)面滑動，因此裂隙性是影響土坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素。至于超固結(jié)性是由于土層的沉積受荷歷史、年代和土體干燥與陳化等因素引起的，它會促進(jìn)裂隙的發(fā)展和土體軟化特性的加劇，因此是一個促進(jìn)膨脹土特殊性質(zhì)的因素。鑒此，可以認(rèn)為，裂隙性是影響膨脹土力學(xué)性質(zhì)和邊坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵因素，脹縮性是內(nèi)在因素，超固結(jié)性是促進(jìn)因素，三者互有聯(lián)系但不是并立的。

2．邊坡失穩(wěn)的特征。膨脹土邊坡失穩(wěn)有幾個明顯的特征：（1）滑動往往在持續(xù)降雨的情況下發(fā)生；（2）多數(shù)屬淺層滑動；（3）有不少滑坡是漸進(jìn)式的或牽引式的；（4）在相當(dāng)平緩的邊坡上也會發(fā)生。有試驗資料表明，當(dāng)膨脹土經(jīng)過雨水浸泡2d以后（有時會到4～6d），土的表層的吸力（負(fù)孔壓）開始急劇降低，甚至達(dá)到零或小量正孔壓，但其影響深度僅為210m左右。這是因為降雨前土體受氣候等影響，在115～210m深度內(nèi)，發(fā)育了密集而又有一定開度的裂隙。這時的入滲情況與降雨初期的入滲情況有根本的區(qū)別，因此繼續(xù)入滲深度極其有限，一旦雨停后，入滲即刻停止，土中的水分繼續(xù)向周圍擴(kuò)散，土中的負(fù)孔壓又會再次出現(xiàn)和發(fā)展。含水量的變化規(guī)律基本與此相同。

土體的吸水膨脹帶來兩方面的問題：（1）降低了土中的負(fù)孔壓（吸力），使有效應(yīng)力降低；（2）土體因膨脹而軟化，使土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低（尤其是C值）。這兩者都削弱了土的抗剪強(qiáng)度從而使邊坡失穩(wěn)。但這種情況只發(fā)生115～210m左右的深度內(nèi)，以下的土層影響較小，它們的抗剪強(qiáng)度也基本保持在原來非飽和狀態(tài)時的值，這就是膨脹土邊坡常常出現(xiàn)淺層滑坡的主要原因。降雨初期，水平位移主要沿順坡向發(fā)展，沿橫坡向的較小，這與順坡向壓應(yīng)力有關(guān)。其次，坡面下部的水平位移比坡面上部的大得多。這預(yù)示著如果邊坡失穩(wěn)，則滑坡可能先從下部發(fā)生，然后逐步向上牽引式發(fā)展。

（二）膨脹土的路基變形

在膨脹土路段填筑路基，常發(fā)生的路基變形表現(xiàn)在地基的變形和路基沉陷。

1．地基的變形。在膨脹土路段填筑路基，往往施工時，地土未處于飽和狀態(tài)，當(dāng)?shù)叵滤簧呋虻乇硭聺B，由于膨脹土的脹縮性，加上路基自身和汽車荷載的綜合作用，致使地基土隆起，產(chǎn)生不均勻變形。

2．路基的沉陷。當(dāng)采用未處治的膨脹土填筑路基后，裸露的土體受到大氣物理風(fēng)化作用，致使土體含水量發(fā)生變化，在膨脹土的脹縮作用下，產(chǎn)生附加應(yīng)力，當(dāng)受到周邊土體約束時，應(yīng)力聚集，達(dá)到土體極限平衡狀態(tài)應(yīng)力時，土體結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞，整體強(qiáng)度下降，產(chǎn)生路基沉陷。

在工程實踐中，膨脹土的路基變形較邊坡失穩(wěn)易于處治。

二、膨脹土路基設(shè)計原則

通過以上分析來看，膨脹土路基設(shè)計應(yīng)該考慮以下幾點：

1．保濕設(shè)計。要確保膨脹土的含水量在施工前后變化不大，還要根據(jù)膨脹土的特性保證膨脹土處于穩(wěn)定的含水量狀態(tài)。

2．防排水設(shè)計。不僅要加強(qiáng)地面排水，也要加強(qiáng)地下排水。

3．加固坡腳設(shè)計。由以上分析可知，膨脹土邊坡失穩(wěn)最先發(fā)生在坡腳，對膨脹土的坡腳應(yīng)設(shè)置必要的支擋防護(hù)。

4．膨脹土路床應(yīng)進(jìn)行換填處理。處理深度應(yīng)大于當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃取?/p>

早期公路、鐵路在處理膨脹土挖方邊坡時，均采用全斷面圬工防護(hù)，雖然使用效果較好，但路容較差，不符合新的設(shè)計理念。最近幾年，高速公路探索著采用工程加植物的治理措施，已取得了不少的成功實例。

參考文獻(xiàn)：

[1]董祥，道路碾壓混凝土在我國道路建設(shè)中的應(yīng)用[J].西部交通科技，2007（2）：17-19.

[2]柯昌君、楊國忠、董祥等，建筑與裝飾材料[M].鄭州：黃河水利出版社，2006：100-103.