淺談膨脹土路基施工

胡曉春

1 概述

膨脹土是一種高塑性粘土，除具有一般粘土所共有的物理化學(xué)性質(zhì)外，還因含有蒙脫石、伊利石和高嶺土等具有很強(qiáng)的親水、持水性和很高的可塑性及粘聚性。土體遇水急劇膨脹，失水則嚴(yán)重干縮、硬裂，其工程力學(xué)性質(zhì)極不穩(wěn)定。

以前施工時(shí)按國(guó)內(nèi)外常規(guī)方法，需要換填土，但存在著棄土、取土場(chǎng)地困難，工程造價(jià)高，工期長(zhǎng)，破壞生態(tài)環(huán)境等問(wèn)題。找出膨脹土路基病害發(fā)生的主要原因及其根治的有效措施，從而節(jié)省能源，降低工程成本，提高路基工程質(zhì)量。

2 膨脹土的分布及地質(zhì)特征

2.1 地域分布

我國(guó)的云南、四川、湖北、湖南、安徽、河北、陜西、貴州、江西等省都有膨脹土分布。

2.2 地表分布

膨脹土一般分布在表層1 m～2 m范圍內(nèi)，其下層一般為粉性粘土或砂性土，個(gè)別地區(qū)也出現(xiàn)表層為30cm～50cm厚的黃褐色中液限粘土，中層是膨脹土，下層為粉性土或砂性土。

2.3 野外特征

1)地貌特征。多分布在二級(jí)及二級(jí)以上的階地與山前丘陵地區(qū)，個(gè)別分布在一級(jí)階地上，呈龍崗—丘陵與淺而寬的溝谷，地形坡度平緩，無(wú)明顯的自然陡坎。在流水沖刷作用下的水溝、水渠，常易崩塌、滑動(dòng)而淤塞。

2)結(jié)構(gòu)特征。多呈堅(jiān)硬～硬塑狀態(tài)，結(jié)構(gòu)致密，呈棱狀土塊者常具有脹縮性，棱形土塊越小，脹縮性越強(qiáng)，且膨脹時(shí)產(chǎn)生膨脹壓力，收縮時(shí)形成收縮裂隙。膨脹土對(duì)氣候和水文因素具有很強(qiáng)的敏感性。膨脹土多為細(xì)膩的膠體顆粒所組成，斷口光滑，土內(nèi)常包含鈣質(zhì)結(jié)核和鐵錳結(jié)核，呈零星分布，有時(shí)也富集成層。

3)分布特征。幾乎都是在各種巖漿巖、變質(zhì)巖和沉積巖中的粘土質(zhì)巖、泥灰?guī)r和碳酸巖等基巖廣泛發(fā)育的基礎(chǔ)上演化而成。上述母巖為膨脹土的發(fā)生、發(fā)育提供了極為豐富的物質(zhì)基礎(chǔ)。這些巖石在后期的風(fēng)化作用過(guò)程中，經(jīng)氧化作用、水合作用、淋濾作用和水解作用等地球化學(xué)的演變，在適合于蒙脫石礦物生成的有利氣候條件，經(jīng)過(guò)成土作用，而最后形成富含蒙脫石粘土礦物的膨脹土。

4)地表特征。在路塹邊坡上、在溝谷頭部的膨脹土經(jīng)常出現(xiàn)淺層滑坡，新開(kāi)挖的路塹邊坡，在旱季由于強(qiáng)烈的蒸發(fā)使土體失水收縮，邊坡表土迅速開(kāi)裂，土塊間的凝聚力降低，出現(xiàn)剝落;若在雨季開(kāi)挖邊坡后，大量地表水進(jìn)入塹體，土體吸水強(qiáng)烈膨脹、軟化，出現(xiàn)表面滑塌。膨脹土的顏色多以灰白、棕紅、黃褐及黑色為主。

5)地下水特征。膨脹土地區(qū)多為上層滯水或裂隙水，隨著季節(jié)水位變化，常引起地基的不均勻脹縮變形。

3 膨脹土對(duì)公路工程的危害

3.1 路堤變形破壞

1)路基沉陷。路堤填筑后，由于大氣物理風(fēng)化作用和濕脹干縮的效應(yīng)，土塊崩解，在路基自重和汽車荷載的作用下，路堤易產(chǎn)生不均勻下沉，路堤愈高，沉陷愈大，嚴(yán)重時(shí)導(dǎo)致路面變形破壞。2)邊坡溜塌。發(fā)生在邊坡的腰部或坡腳附近。有呈單個(gè)溜塌體出現(xiàn)的局部變形，也有數(shù)個(gè)溜塌相連，相互疊置，形成溜塌群。邊坡表土松散，坡面不平整，易受地表水沖蝕與積水，產(chǎn)生邊坡溜塌。3)路肩坍塌。由于路肩土體壓實(shí)不夠，受氣候風(fēng)化影響，干縮濕脹頻繁。變形發(fā)生較快，常在雨季突然發(fā)生，主要受雨水的作用，路肩局部發(fā)生，嚴(yán)重時(shí)則使全部路肩坍毀。4)滑坡。若基底處理不當(dāng)，則路堤填筑后基底土體易受水浸泡軟化，失去穩(wěn)定平衡，沿基底軟弱面產(chǎn)生滑動(dòng)。

3.2 路塹變形破壞

1)剝落。主要發(fā)生在蒸發(fā)作用強(qiáng)烈的干旱季節(jié)，一般旱季愈長(zhǎng)，蒸發(fā)愈強(qiáng)烈，剝落愈嚴(yán)重;而且剝落的松散物質(zhì)在雨季被水流裹帶搬運(yùn)則形成泥流，常常淤積邊溝和淤塞涵洞。2)沖蝕。主要發(fā)生在雨季。隨著水流的侵蝕發(fā)展，形成密集的紋溝，繼而發(fā)展成細(xì)溝，細(xì)溝深切則發(fā)展成切溝，密布于坡面;特別是大雨或暴雨季節(jié)，水流愈集中，沖蝕愈嚴(yán)重。這種作用首先破壞了邊坡坡面的完整性，邊坡開(kāi)始出現(xiàn)變形。3)溜塌。常發(fā)生在雨季，規(guī)模較小。由于邊坡表層受強(qiáng)風(fēng)化的作用，促使土體吸水膨脹軟化，充分吸水飽和或達(dá)流塑狀態(tài)。坡面產(chǎn)生溜塌現(xiàn)象，可在邊坡的任何部位發(fā)生。4)滑坡。路塹開(kāi)挖使土體臨空，由于坡腳支撐或軟弱夾層被切斷，抗剪強(qiáng)度衰減，加之脹縮效應(yīng)與風(fēng)化作用，在水的促滑作用下，使邊坡土體發(fā)生連續(xù)破壞，喪失穩(wěn)定平衡，在重力作用下，沿一定軟弱帶向下發(fā)生整體位移滑動(dòng)?；鲁０l(fā)生在雨季，呈牽引式出現(xiàn)，大多受軟弱面制約，滑體裂縫密布，呈縱長(zhǎng)式。有的滑坡從坡腳可一直牽引到坡頂，具有很大的破壞性。

4 膨脹土的處治及其質(zhì)量檢查

4.1 膨脹土地區(qū)路堤的施工

一般情況膨脹土不宜用作路基填料，特別是強(qiáng)膨脹土蒙脫石含量高，親水性特強(qiáng)，極易風(fēng)化，強(qiáng)度衰減又快，穩(wěn)定性差;同時(shí)，施工時(shí)難于搗碎壓實(shí)，更不宜用來(lái)填筑路基。但有時(shí)限于條件，必須利用膨脹土做填料時(shí)，應(yīng)考慮以下方面:

1)在有多層膨脹土分布地區(qū)，應(yīng)選擇膨脹性最弱的土層做填料。對(duì)于地表經(jīng)過(guò)風(fēng)化、淋濾搬運(yùn)或已被耕種的表層土，一般膨脹性較弱，可以用作填料，且只能用于路堤。

2)若采用中等膨脹土作為路床填料時(shí)，應(yīng)改性處理之后方可作為填料。但有時(shí)限于條件，必須直接使用中、弱膨脹土填筑路堤時(shí)，路堤填成后，必須立即做漿砌護(hù)坡封閉邊坡;當(dāng)填至路床底面時(shí)，應(yīng)停止填筑，改用非膨脹土或用改性處理的膨脹土填至路床頂面設(shè)計(jì)標(biāo)高，并壓實(shí)。

3)在有礫石層出露或膨脹土中有結(jié)核層分布，應(yīng)盡可能選用礫石料或結(jié)核料填筑路基。

4)膨脹土改性處理。在膨脹土中摻入石灰進(jìn)行改性處理，摻入石灰后膨脹土產(chǎn)生了復(fù)雜的化學(xué)反應(yīng)，改善了土的水理性質(zhì)，改變了土的脹縮性能，提高了土體強(qiáng)度，增加了路基穩(wěn)定性。

5)取土坑的開(kāi)挖深度宜控制在當(dāng)?shù)卮髿庥绊懮疃戎畠?nèi)。這是考慮大氣風(fēng)化引力作用，并結(jié)合膨脹土的脹縮特性的影響臨界深度。

4.2 路堤基底處理

1)施工前將路堤范圍內(nèi)的樹(shù)根、灌木全部挖除，把坑穴填平夯實(shí)，排除積水，挖除淤泥，切斷或降低地下水，清除草皮，徹底清理后，對(duì)基底進(jìn)行壓實(shí)。必要時(shí)可先將土翻松、打碎、再整平、壓實(shí)。2)原基底為過(guò)濕土?xí)r，挖去濕軟土層，換填砂礫土、礫(碎)石土、石碴或?qū)⑼练_(kāi)，摻入石灰或NCS固化材料處理。其最佳摻入劑量，仍按上述要求辦理。3)地面橫坡若為1:5～1:2.5時(shí)，原地面挖成臺(tái)階，臺(tái)階寬度不小于1 m;當(dāng)?shù)孛鏅M坡陡于1:2.5時(shí)，為防止路堤沿基底滑動(dòng)，先將基底分段挖成不陡于1:2.5的緩坡，再在緩坡上挖寬1 m～2 m的臺(tái)階。4)半填半挖路基，必須在山坡上從填方坡腳起向上挖成向內(nèi)傾斜的臺(tái)階，臺(tái)階寬度不小于1 m。其中挖方一側(cè)，在行車范圍之內(nèi)的寬度不足一個(gè)行車道寬度時(shí)，必須挖夠一個(gè)行車道寬度，其上路床深度范圍之內(nèi)的原地面土應(yīng)予挖除、換填，并按路床填方的要求施工。

4.3 膨脹土地區(qū)路塹施工

1)一般原則。路塹施工盡量選在旱季進(jìn)行，并遵循:先排水，后主體，集中力量，連續(xù)快速開(kāi)挖，及時(shí)防護(hù)，自上而下，分層逐級(jí)施工的原則。2)路塹邊坡形式與坡度。膨脹土地區(qū)路塹邊坡必須有相應(yīng)的防護(hù)措施，方可保證邊坡的穩(wěn)定。但是，強(qiáng)膨脹土邊坡，無(wú)論邊坡高低，只能在有支擋的前提下，才能使邊坡達(dá)到穩(wěn)定的目的。所以路塹邊坡的穩(wěn)定程度，不能單憑坡度來(lái)衡量，如果沒(méi)有采取有效的防護(hù)措施，即使很緩的邊坡，亦難以穩(wěn)固。

4.4 工程質(zhì)量檢查

1)路基填料檢查。路堤填筑的層厚，含水量的控制是影響路基工程質(zhì)量的關(guān)鍵指標(biāo)——“壓實(shí)度”的主要因素。只要填料與基底處理達(dá)到要求，控制好層厚、含水量并達(dá)到規(guī)定的壓實(shí)度，就可基本避免路基的內(nèi)在隱患，減少造成上層結(jié)構(gòu)不合格的影響因素。

2)路基寬度、標(biāo)高、平面位置、平整度、邊坡坡度及邊坡防護(hù)檢查。檢查路基的寬度、標(biāo)高、平面位置、平整度、邊坡坡度及邊坡防護(hù)是否符合設(shè)計(jì)要求。

3)防風(fēng)化檢查。膨脹土對(duì)氣候因素特別敏感，抗風(fēng)化能力很弱，邊坡開(kāi)挖后土體極易在水作用下解體或軟化，導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)。要檢查施工中采取必要的防風(fēng)化措施，是否達(dá)到保持土體的原狀結(jié)構(gòu)不受破壞。

4)防水與排水工程檢查。水是導(dǎo)致膨脹土邊坡滑動(dòng)的主要因素，不僅是產(chǎn)生滑坡的直接誘發(fā)因素，而且是土體濕脹干縮的直接參與因素，危害路基穩(wěn)定性甚大。施工時(shí)應(yīng)檢查防水與排水工程的位置、形式尺寸和底面的縱坡，依照實(shí)際地形與合適的位置，將地面水和地下水排出路基以外。

5)擋土墻與涵洞工程的基礎(chǔ)檢查。擋土墻與涵洞工程的基礎(chǔ)，受地基土脹縮變形的影響，變形破壞比較普遍。為了不遭受破壞，基礎(chǔ)的埋置深度應(yīng)在大氣風(fēng)化作用影響深度以下。

5 結(jié)語(yǔ)

對(duì)膨脹土來(lái)說(shuō)，最大的困難在于如何保證其工程的安全與穩(wěn)定。本文通過(guò)分析膨脹土的特性，提出膨脹土公路施工就地取材進(jìn)行工程處治的措施，能夠因地制宜，把膨脹土造成公路病害的經(jīng)濟(jì)損失減少到最低程度。

［1］JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［2］尤曉暐.路基路面［M］.北京:北京交通大學(xué)出版社，2006.

［3］孫繼偉，王 軍.淺談膨脹土路基施工［J］.鐵道工程學(xué)報(bào)，2004(4):82-83.

［4］高志強(qiáng).高速公路膨脹土路基施工［J］.山西建筑，2010，36(8):298-299.