膨脹土路基工程特性分析和施工方法探討

桑東恒,陳志煒

(中國石化勝利建設工程有限公司 東非項目部,山東 東營 257000)

膨脹土是一類典型的非飽和土,成因以殘積或殘坡積為主,在中國很多地區(qū)均有分布[1]。膨脹土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮性能,以及高塑性特性。 膨脹土對氣候變化特別敏感,一般在天然狀態(tài)下強度較高。同時,由于膨脹土本身的超固結性,使得一旦開挖暴露于自然環(huán)境中,超固結應力釋放,裂隙隨之發(fā)展,造成強度降低。這些性質決定了膨脹土的工程性能極差。在工程實際中,膨脹土產(chǎn)生的工程病害具有多發(fā)性、反復性和長期潛在性的特點。一直以來,對膨脹土病害的防治都是巖土力學和實際工況下的難題。近年來,隨著高速公路、高鐵等大型工程的修建,對膨脹土的特性和工程危害進行深入研究,找到有效、合理、經(jīng)濟的處理方法和施工工藝顯得尤為重要。

1 膨脹土的判定和危害類型

1.1 膨脹土判定

在工程建設中,首先要正確識別膨脹土,并判斷膨脹土實際工程特性,依此制定合理的施工方案指導現(xiàn)場施工。根據(jù)以往的道路工程建設經(jīng)驗,因為沒有對膨脹土性質的正確判斷,而制定有效的處理方法,造成了質量問題和巨大的經(jīng)濟損失。因此,對于膨脹土的判別顯得尤為重要。目前,國內(nèi)外對膨脹土的判別方法沒有統(tǒng)一標準,一般采用現(xiàn)場定性和試驗定量相結合的方法,根據(jù)實際施工中地質情況和試驗測定的土的自由膨脹率判定:①裂隙發(fā)育,在自然條件下表現(xiàn)為硬塑性的地質特征;②施工中,表現(xiàn)出的淺層滑坡、地表開裂、開完坑槽壁易出現(xiàn)溜坡、垮塌等;③常存在于二級或二級以上的山前丘陵、階地和盆地的邊緣,地形走勢平緩、無顯著的自然陡坎;④建筑物裂縫隨自然條件變化(主要是濕度、溫度)而反復變化,表現(xiàn)為超固結性;⑤自由膨脹率大于或等于40%,遠遠大于普通黏土。具備以上特點的土一般可判定為膨脹土,為準確地掌握土的實際特性制定施工方案,還需通過試驗方法對黏土工程物理指標系數(shù)等進行全面分析研究。

1.2 膨脹土危害類型

1.2.1 對路面造成的病害

膨脹土對高速公路路面造成的危害類型有路面波浪變形、開裂、唧漿等[2]。波浪變形是由于高速公路路基土的含水量變化,引起塑性變化,路基由于漲縮而失穩(wěn),表現(xiàn)在路面上就是波浪變形。波浪變形的影響因素主要是氣候的變化,尤其雨水的影響。如果含水量達到一定值,路基漲縮幅度繼續(xù)變大,便可導致路面出現(xiàn)不規(guī)則的開裂裂縫。當雨季來臨,雨水通過路面開裂裂縫滲入路基,瞬間路基出現(xiàn)大面積的積水,形成泥漿,當路面有載荷施加,泥漿從不規(guī)則裂縫處被擠出,形成路面唧漿現(xiàn)象。如果雨水繼續(xù)滲入裂縫,使唧漿現(xiàn)象加劇,在重復載荷的作用下,開裂處會出現(xiàn)更嚴重的破壞,給路面造成更大面積的損害。

1.2.2 路基病害

路基病害分路塹病害和路堤病害。由于自然風化作用的影響,路塹坡面表層土壤剝落,破壞坡面的防水作用,在雨水的侵蝕作用下,路塹含水量增加,由于膨脹土的遇水膨脹的特性,路塹土瞬間形成泥流,當雨水繼續(xù)增大,將會發(fā)生路塹溜塌、嚴重的形成泥石流災害,破壞路基。

在高速公路路提施工過程中,如果膨脹土路基的壓實不夠充分,壓實度不達標,再加上路提坡面防護不夠,自然降水間接影響路基膨脹土的含水量、引起塑性變大,在高速公路投入使用后,由于路面載荷的增加,路堤或路肩就會因為膨脹土含水量增加引起的性質變化而發(fā)生沉陷、縱裂、溜塌、坍塌等病害。

2 膨脹土物理特性分析

膨脹土成分中所含膨脹性礦物主要有蒙脫石及與高嶺石、伊利石、綠泥石組成的混層礦物,這些膨脹性礦物成分決定著土的物理化學性和親水性;決定著土的塑性、膨脹收縮性、壓縮、強度以及隨環(huán)境變化的性狀。對膨脹土性質的準確研究需要通過實驗測定膨脹土基本物理力學指標,包括:自由膨脹率、膨脹率、膨脹力、收縮率、收縮系數(shù)等[3]。

2.1 自由膨脹率

自由膨脹率δef指的是人工制備的烘干的土試樣在水中的體積增量與浸水前原體積之比,計算為

式中,Vw為土試樣在水中充分膨脹穩(wěn)定后的體積，m3;V0為土試樣原有體積,m3。

自由膨脹率反映了無結構力影響下黏土在水中的膨脹特性,受土中黏性顆粒含量和礦物成分組成支配。黏土中黏性顆粒含量高低,決定了礦物親水性的強弱和自由膨脹率的大小。

2.2 膨脹率

膨脹率δep指的是在施加外在壓力下,土試樣浸水膨脹穩(wěn)定后的高度增量與浸水前原高度之比,計算為

式中,hw為土試樣在水中膨脹穩(wěn)定后的高度，m;h0為土試樣的原始高度,m。

2.3 膨脹力

膨脹力Pe指在試驗中,在保持土試樣體積不變的條件下,土試樣在達到最大浸水量后產(chǎn)生的最大內(nèi)應力。土的膨脹率越大,說明膨脹性越強,其產(chǎn)生的內(nèi)應力也越大。施工中,膨脹力的大小是直接導致路基或路面變化的直接因素。

2.4 土的收縮率和收縮系數(shù)

土的收縮率δs指土試樣在充分干燥失水平衡后的高度與土試樣試驗前原高度之比,計算為

式中,h為土試樣收縮穩(wěn)定后的高度,m;h0為土試樣原始高度,m。

收縮系數(shù)λs是指原狀土樣在收縮階段,含水量減少1%時的收縮率,計算為

λs=Δδs/Δw.

(4)

式中,w為在收縮階段上任意兩點土試樣含水量之差;Δδs收縮階段上相應的Δw兩點收縮率之差。

實際施工過程中,一定要通過試驗對膨脹土的各個指標進行全面的分析,通過這些定量分析,才能準確地掌握膨脹土的實際性質。自由膨脹率的分析,以及實際土壤的組成成分,可以為施工中確定合理、有效經(jīng)濟的改良材料提供指導。而膨脹率和膨脹力的分析,可以為工程設計施工方案提供指導。一般情況下,膨脹土含水量低時,吸水膨脹明顯;開挖路基初始含水量較高時,其膨脹率較低。收縮率和收縮系數(shù)反應的是膨脹土的收縮特性,是干燥地區(qū)膨脹土施工中著重掌握的數(shù)據(jù)。膨脹土物理特性的分析,對合理處理膨脹土路基意義重大,對制定膨脹土有效的路基處理方法具有理論指導作用。

3 膨脹土路基處理方法

3.1 路基邊坡防護處理

膨脹土路基邊坡處理一般是采用邊坡全封閉防護法,目的是阻止雨水深入路基內(nèi)部,從而增加膨脹土路基含水率,因此主要采用漿砌片石、混凝土六角塊滿鋪、土釘墻加固邊坡、抗滑樁、擋墻等方法進行防護。但實際工程施工中,根據(jù)膨脹土實際情況,也可采用鋪設土工格柵、鋪設復合土工膜、干砌護肩等方法。在現(xiàn)場施工過程中,膨脹土路基施工應該盡量避開雨季,如果實在困難,施工中要注意增加臨時邊溝,避免雨水對膨脹土路基的長時間浸泡。其次對于高填方路段,在邊坡防護中也要加急流槽、泄流槽等排水設施。

3.2 換填土法

換填土法要根據(jù)工程實際,首先要確定膨脹土的臨界深度和臨界含水量。根據(jù)土壤特性,在一定深度以下,膨脹土的含水量不再受外界環(huán)境變化的影響,此深度通常稱之為臨界深度,在臨界深度的含水量稱之為臨界含水量。施工中,換填土深度要根據(jù)臨界深度來確定,一般在1～2 m。其中強膨脹土,深度為2 m,中、弱膨脹土,深度為1～1.5 m。換填土法施工簡易,但換填土過程中的層層碾壓,增加了施工時間和施工成本,且開挖棄土會對環(huán)境造成影響,不適合大規(guī)模的膨脹土路基處理。

3.3 濕度控制法

對于膨脹土路基,可以采用控制膨脹土路基濕度的方法,穩(wěn)定膨脹土路基的含水量,避免含水率的動態(tài)變化,防止膨脹土路基由于含水量變化引起的塑性動態(tài)變化,施工中出現(xiàn)的脹縮變形。濕度控制法就是在施工過程中嚴格控制膨脹土的濕度,尤其是在最佳含水量情況下完成的施工路基,要進行外部覆蓋,對于層層填筑的路基,要在碾壓完成后,盡快完成上層填土的覆蓋工作;對于填筑的邊坡可以采用黏土覆蓋的方法,避免膨脹土與自然環(huán)境的長時間直接接觸。其次對于強膨脹土區(qū)域,成本允許的情況下,可以通過增加路基填筑寬度的方法進行濕度控制。

3.4 無機材料改良處理法

無機材料改良法,一般采用石灰、水泥等無機材料改良膨脹土。在控制膨脹土含水量前提下,在土中摻入石灰、水泥拌和,使之產(chǎn)生物理化學反應,達到降低或消除膨脹土吸水膨脹失水收縮的特性,增強水穩(wěn)性和耐久性的目的。

4 膨脹土施工技術控制

4.1 控制分層攤鋪和碾壓

高速公路膨脹土路基施工中,做好分層攤鋪與粉碎工作非常重要,同時膨脹土施工盡量不要選擇在雨季進行,如果實在困難,做好施工現(xiàn)場的排水工作,適當?shù)那闆r下設置臨時排水溝等排水設施。攤鋪設備和壓實設備的選擇要基于對各方面影響因素的分析和工程實際,控制攤鋪厚度和壓實厚度的要求為,分別不超過30 cm和25 cm。施工中,根據(jù)設計準確計算石灰、水泥的用量,劃好灰線方格,控制好灰土配比和含水量,進行均勻攤鋪或拌和。

4.2 控制路基土粒徑

膨脹土粒徑的大小決定土與石灰或水泥混合后能否充分發(fā)生物理化學反應改良膨脹土的特性。一般要求膨脹土路基土層粒徑不能超過5 cm。如果施工遇到氣溫較低時,則土層粒徑必須控制在3 cm以下。施工中,要充分利用拌和機將水分與土壤進行均勻的拌和接觸,可以有效降低土壤自身膨脹性,提高路基的致密性和整體穩(wěn)定性。

4.3 控制膨脹土路基的壓實度

由于膨脹土路基的特殊性,在施工中必須采用大噸位的壓路機進行碾壓,碾壓的過程中要嚴格控制好行駛速度,不能高于4 km/h。碾壓的順序應該根據(jù)施工要求,遵循先兩邊后中間的順序,保證路基各區(qū)域都要碾壓到,嚴格控制好碾壓次數(shù),不能出現(xiàn)漏壓和少壓的情況。施工中注重路提、路塹邊緣區(qū)域,以及與路肩結合區(qū),要著重進行碾壓,提高結合處的密實性。特殊情況下,為了進一步保證施工質量,也可以適當?shù)卦黾勇诽釋挾?增加邊緣區(qū)域碾壓質量,提高路基整體性。

5 結束語

膨脹土對高速公路路基破壞力極大。為避免危害的發(fā)生,通過對膨脹土判定和工程物理特性的探討和分析,提出了邊坡防護處理、換填土、濕度控制、無機材料改良處理的方法,以及膨脹土路基施工技術控制方法,旨在為工程施工提供指導和減少膨脹土在高速公路路基中的危害。

[1] 劉峰,江政. 膨脹土路基常用處理方法分析[J].山西建筑, 2009,35(8):299-301.

[2] 中華人民共和國城鄉(xiāng)建設環(huán)境保護部.膨脹土地區(qū)建設技術規(guī)范[S].北京：中華人民共和國國家計劃委員會,1988.

[3] 李飛,楊幸平.膨脹土路基的施工處理方法及質量控制[J].交通世界,2012(12):172-173.