膨脹土分類及其路基病害處置措施

□姜濤 張治國 馬玉梅 朱英珍

膨脹土分類及其路基病害處置措施

□姜濤 張治國 馬玉梅 朱英珍

公路路基；膨脹土；工程特性；路基病害；措施

近幾十年來，世界上有20多個國家在交通建設(shè)中遇到了膨脹土的危害問題。我國地域遼闊，隨著公路里程建設(shè)的不斷增多，有相當(dāng)一部分地區(qū)公路在建設(shè)過程中也遇到了膨脹土問題。膨脹土路基作為特殊路基的一種，具有吸水膨脹、失水收縮、反復(fù)變形、浸水承載力衰減、干縮裂隙發(fā)育等特性，對高等級公路路基和邊坡工程所產(chǎn)生的變形破壞巨大，需要花費很大的資金來進(jìn)行改造或維護(hù)。因此，分析膨脹土的性質(zhì)，研究其病害，對于治理膨脹土的工程災(zāi)害具有重要的現(xiàn)實意義。

一、膨脹土的分類

世界各國對膨脹土的相關(guān)工程研究已有70余年的歷史。在我國，由長沙理工大學(xué)鄭健龍主持的“膨脹土地區(qū)公路建設(shè)成套技術(shù)”項目，其中“封閉包蓋、保濕防滲、以柔治脹”的思想理論，被廣泛運用于膨脹土路堤處理和邊坡穩(wěn)定方面。與傳統(tǒng)的方法比較，該方法處治效果更加明顯。例如，1996年以來，該理論被廣泛應(yīng)用于全國10個省區(qū)的20多條高速公路和南水北調(diào)工程中，共產(chǎn)生直接經(jīng)濟(jì)效益11.75億元，并節(jié)約建設(shè)用地1.6萬余畝，其應(yīng)用前景、產(chǎn)生的效益突出，被交通運輸部列為重點推廣技術(shù)。

膨脹土的透水性很弱，但當(dāng)膨脹土暴露于大氣之中后，在風(fēng)化營力作用下失水開裂后，其透水性將顯著增加，然而裂隙附近的土含水量增加將產(chǎn)生膨脹而封堵裂隙，從而阻止水向土體內(nèi)部的進(jìn)一步滲入。

在膨脹土地區(qū)建設(shè)施工，應(yīng)根據(jù)不同類型采取各自的工程對策。能否準(zhǔn)確地對膨脹土類型進(jìn)行辨識，判斷其膨脹性能的強(qiáng)弱顯得比較關(guān)鍵，以便為后期的工程設(shè)計和施工打下基礎(chǔ)，否則，會導(dǎo)致工程病害的發(fā)生。國內(nèi)外提出的用于膨脹土脹縮等級評判的指標(biāo)和相應(yīng)的評判標(biāo)準(zhǔn)較多，如柯尊敬標(biāo)準(zhǔn)、美國墾務(wù)局標(biāo)準(zhǔn)、膨脹潛勢標(biāo)準(zhǔn)、楊世基標(biāo)準(zhǔn)、楊濤等提出的等效數(shù)值評判法、李生林等提出的塑性圖判別法等。筆者依據(jù)國家交通運輸部通用的《公路路基設(shè)計規(guī)范JTJ013-95》標(biāo)準(zhǔn)對膨脹土性能進(jìn)行分類，具體分類見表1所列。

表1 交通運輸部《公路路基設(shè)計規(guī)范JTJ013-95》標(biāo)準(zhǔn)

比如，商洛至商州高速公路月子嶺段，屬于山間盆地、粘土型地貌，中間有膨脹土夾層，經(jīng)檢驗其自由膨脹率在47%～69%之間。該工程共產(chǎn)生挖方110萬立方米，最高邊坡達(dá)32米，對照表1中數(shù)據(jù)可知該路段膨脹土呈中弱膨脹性。為此，西商高速公路管理處多次組織專家到現(xiàn)場調(diào)研，針對該地段膨脹土的物理及力學(xué)性質(zhì)，根據(jù)地質(zhì)勘測所得數(shù)據(jù)，并借鑒國內(nèi)治理膨脹土的工程經(jīng)驗，最后采用抗滑樁支擋、坡面排水相結(jié)合的綜合治理方案，取得了增強(qiáng)坡面排水能力、降低土體膨脹率、減少土體遇雨膨脹的良好效果。由此可見，只有認(rèn)真研究高速公路建設(shè)區(qū)膨脹土的性質(zhì)，正確地對土壤的膨脹性能做出分類，才能為后期的施工處理打基礎(chǔ)，做出客觀實際的應(yīng)對措施，防治災(zāi)害的發(fā)生，同時也節(jié)省了人力和物力，加快了施工進(jìn)程。

二、膨脹土的工程特性

1.脹縮性

膨脹土吸水后體積膨脹，使其上面的建筑物或路面隆起。如果膨脹受阻即產(chǎn)生膨脹力，失去水分后體積收縮，造成土體開裂，并會使其上面的建筑物下沉。膨脹土的脹縮性有別于其他粘土，重復(fù)多次干縮濕脹后，在很大程度上降低了土體的有效凝聚力和強(qiáng)度。膨脹土的脹縮特性往往會導(dǎo)致裂縫的產(chǎn)生。

2.崩解性

膨脹土浸水后體積膨脹，在無側(cè)限壓力的情況下會吸水濕化。且不同類型的膨脹土其崩解性不一樣，強(qiáng)膨脹土浸入水后，幾分鐘很快就完全崩解；弱膨脹土浸水后，則需要經(jīng)過較長的時間才能逐步崩解，且不完全崩解。

3.裂隙性

膨脹土中的裂隙，主要分為垂直裂隙、水平裂隙與斜交裂隙3種類型。裂隙將土體分割成不同幾何形狀的塊體，如菱塊狀、短柱狀等，且破壞了土體的完整性。膨脹土路基邊坡的破壞，大多與土中裂隙有關(guān)，且滑動面的形成主要受裂隙軟弱結(jié)構(gòu)面控制。

4.超固結(jié)性

膨脹土大多具有超固結(jié)性，天然空隙比較小，干密度較大，初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度較高。超固結(jié)膨脹土路基開挖后，將產(chǎn)生土體超固結(jié)應(yīng)力的釋放，邊坡與路基面出現(xiàn)卸荷后膨脹，并常在坡腳形成應(yīng)力集中區(qū)和塑性區(qū)，使邊坡產(chǎn)生破壞。

5.風(fēng)化特性

膨脹土受氣候因索影響，極易產(chǎn)生風(fēng)化破壞作用。路基開挖后，土體在風(fēng)化作用下，很快會產(chǎn)生碎裂、剝落和泥化等現(xiàn)象，使土體結(jié)構(gòu)破壞，強(qiáng)度降低。按其風(fēng)化程度，一般將膨脹土劃分為強(qiáng)、中、弱3層。

三、典型的病害類型

1.裂縫

膨脹土路基出現(xiàn)的反射裂縫大多是由于土體的失水收縮所致，縫寬度一般在1～3厘米。在整個路幅內(nèi)，隨土基含水量的變化引起不均勻的脹縮，而產(chǎn)生橫向的波浪變形。由于路基填土的密實度未達(dá)到規(guī)范要求，在大氣干濕交替變化中，常會在路肩沿路線方向產(chǎn)生縱向開裂。

2.翻漿冒泥

路基上部在氣溫高低變化的作用下，反復(fù)熱脹冷縮，然后在水的作用下路基土迅速吸水膨脹，其強(qiáng)度也迅速降低，此時在行車荷載等外力作用下，路基和面層之間形成的泥漿被擠壓上翻，從而對路面造成破壞。如果在雨季路面滲水后，在行車荷載作用下，常會出現(xiàn)沿路面裂縫、伸縮縫濺漿冒泥的破壞。

3.坍肩和溜坍

在進(jìn)行碾壓時，路堤外邊緣受力不均勻，其土體壓實度難以達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，會造成路基強(qiáng)度不足。在雨季或潮濕季節(jié)，水滲入路基，在荷載作用下產(chǎn)生滑坍，隨時間推移由路邊緣向路面中心破壞。當(dāng)表層風(fēng)化、吸水過飽和，在行車荷載作用下，常出現(xiàn)沿坡面向下的塑流狀路基塌移。

4.搓板

搓板是黑色柔性路面最常見的病害之一，在膨脹土地區(qū)，在整個路幅內(nèi)路基吸水后含水率不均勻變化。當(dāng)路基路面較寬時，會差別較大的橫向變形，這種變形就造成車輛行駛時發(fā)生劇烈顛簸震動，長時間會產(chǎn)生路面搓板。

5.路基下沉

在有裂縫的路基路面處，在雨季或汛期雨水沿裂縫滲入，膨脹土路基迅速吸水膨脹，強(qiáng)度降低，隨后土體發(fā)生崩解。在上部路面、路基自重與汽車荷載的作用下，基床翻漿冒泥，路基下沉，并促使混凝上路面板塊錯臺、斷裂。當(dāng)一部分軟化土被擠出后，路基會產(chǎn)生沉陷，從而降低了路面的平整度，造成路面沉陷破壞。

四、膨脹土路基處理方法

膨脹土路基病害常常會造成道路破壞，并影響交通。常見的幾種典型的膨脹土路基處理對策如下。

1.換填基床

在具體施工過程中，先挖掉工程性質(zhì)不良的膨脹土，再換上填好的非膨脹土或砂礫土。由于各地區(qū)的膨脹土的臨界含水量不同，換土的臨界深度通常在1～2米，因此應(yīng)根據(jù)膨脹土的強(qiáng)弱和當(dāng)?shù)氐臍夂蛱攸c來確定換土的深度，同時做到快速施工，保證路床不受地表水的浸害。

2.增設(shè)隔水墻

膨脹土路基面層的結(jié)構(gòu)和材料相對密實，雨水和徑流不易滲入，在路面橫坡的作用下，雨水沿路肩或邊坡排出，在流量較大部位會產(chǎn)生路肩失穩(wěn)現(xiàn)象。此時，可采取在路基的兩側(cè)增設(shè)隔水墻的辦法，待隔水墻夯實后鋪設(shè)在基層以下1.0～1.2米的深度內(nèi)。

3.改良土質(zhì)

在膨脹土中加入工程性質(zhì)穩(wěn)定的石灰、水泥、粉煤灰等建筑材料，以增加路基的強(qiáng)度。在遇到弱膨脹土土質(zhì)時，《公路路基設(shè)計規(guī)范》中常用的方法是摻入石灰，使其中的鈣離子與膨脹土中的蒙脫石、伊利石等礦物發(fā)生化學(xué)作用，使膨脹土減弱親水性，從而達(dá)到使土基自身穩(wěn)定的目的。

4.濕度控制法

膨脹土路基處理可采用預(yù)先加濕和維持含水量兩種方法。盡量維持原土體的含水量，使其不受擾動，減少受外界環(huán)境影響的程度，在施工時采取封閉隔絕的方法。利用土工布或粘土處理，盡量減少膨脹土內(nèi)部的濕度遷移。

5.土釘錨桿護(hù)坡

路基邊坡的防護(hù)也會對路基起到很好的保護(hù)作用。在高路塹的膨脹土地區(qū)，可采用土釘錨桿和坡面筋網(wǎng)架方法對坡面加固，該方法通過施加預(yù)應(yīng)力，在土體膨脹時有一定伸縮性，允許一定的邊坡變形。一方面，控制土體膨脹力，控制變形，保持土體的濕度。另一方面，抑制因反復(fù)干縮濕脹，降低土體抗剪強(qiáng)度。該方法施工難度大、造價高，多用于膨脹土高邊坡路基的局部。

由于膨脹土路基工程性質(zhì)存在諸多缺陷，要從設(shè)計開始分析膨脹土的類型，進(jìn)而研究其工程特性，預(yù)測可能出現(xiàn)的路基病害類型，在施工、維修方面建立綜合防治病害體系；確保膨脹土路基的防水、保濕，防止其反復(fù)變形；路堤高度的設(shè)計，其邊坡采用的柔性或剛性坡面防護(hù)都應(yīng)考慮在內(nèi)；路基強(qiáng)度的處理，從而使膨脹土路基盡量減少病害，能更好地發(fā)揮性能。

（作者單位：青島市公路規(guī)劃設(shè)計院；中交公路規(guī)劃設(shè)計院有限公司；榆林路橋勘察設(shè)計院；長安大學(xué)公路學(xué)院）

10.3963/j.issn.1006-8864.2014.12.018