高速公路膨脹土特殊路基設(shè)計(jì)研究

張忠海

摘? 要：高速公路對(duì)路基的承載性與穩(wěn)定性具有較高要求，由于我國(guó)幅員遼闊，地形復(fù)雜多樣，越來(lái)越多的公路基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)延伸山區(qū)，非常容易遇到紅黏土、凍土、黃土、鹽漬土和膨脹土等特殊路基建設(shè)情況。特別是膨脹土?xí)?duì)路基承載性帶來(lái)不利影響，如果得不到有效處理，易誘發(fā)路基沉降、坍塌等病害，因此加強(qiáng)其科學(xué)設(shè)計(jì)顯得尤為重要。文章在對(duì)膨脹土的分類(lèi)、判別與工程特性進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，重點(diǎn)對(duì)高速公路膨脹土路基設(shè)計(jì)對(duì)策進(jìn)行探討。

關(guān)鍵詞：高速公路;膨脹土;特殊路基;設(shè)計(jì)對(duì)策

中圖分類(lèi)號(hào)：U416? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2020）30-0092-02

Abstract： Expressway has higher requirements for the bearing capacity and stability of subgrade. Because of the vast territory and complex terrain of our country， more and more highway infrastructure construction extends to mountainous areas; therefore， it is very easy to encounter special road infrastructure such as red clay， frozen soil， loess， saline soil and expansive soil. In particular， expansive soil will have a negative impact on the bearing capacity of subgrade. If it is not effectively treated， it is easy to induce subgrade settlement， collapse and other diseases， so it is particularly important to strengthen its scientific design. Based on the analysis of the classification， discrimination and engineering characteristics of expansive soil， this paper mainly discusses the design countermeasures of the subgrade of expansive soil in expressway.

Keywords： expressway; expansive soil; special subgrade; design countermeasure

膨脹土廣泛分布在我國(guó)眾多省份與區(qū)域，尤其是在河北、陜西、江蘇、河南與四川等地帶分布范圍較為廣泛。高速公路膨脹土路段，若沒(méi)有做好相應(yīng)的路基設(shè)計(jì)，就容易誘發(fā)路基沉降、坍塌等質(zhì)量缺陷，進(jìn)而會(huì)影響高速公路行車(chē)的安全性與穩(wěn)定性。通過(guò)本文論述，旨在可以找到一些有效處理膨脹土路基設(shè)計(jì)的方法與手段，提高膨脹土路基整體強(qiáng)度與穩(wěn)定性，確保工程質(zhì)量。

1 膨脹土的分類(lèi)、判別及其成因分析

膨脹土本身是一種脹縮性特性很強(qiáng)且涉及到比較多裂隙的地質(zhì)體，其在失水狀態(tài)下會(huì)展現(xiàn)出很強(qiáng)的收縮性特性，在吸水狀態(tài)下會(huì)展現(xiàn)很強(qiáng)的膨脹性特性，這種土質(zhì)特征容易嚴(yán)重破壞工程結(jié)構(gòu)物。膨脹土的這些特性主要源于其具有比較大的塑性、塑限與液限指數(shù)，在天然含水率條件下容易處在比較堅(jiān)硬的狀態(tài)，相應(yīng)的壓縮性也相對(duì)較低，這種特性使得其常常容易被工程施工人員和技術(shù)人員所忽視，進(jìn)而會(huì)給工程建設(shè)埋下潛在的質(zhì)量與安全隱患。在當(dāng)前判定膨脹土期間，一般主要采取室內(nèi)試驗(yàn)的方式來(lái)定性判別土質(zhì)，相應(yīng)的判定指標(biāo)主要側(cè)重土土的強(qiáng)度、脹縮性與水穩(wěn)定性等等。根據(jù)它們各項(xiàng)參數(shù)的不同，可以將膨脹土劃分成弱膨脹土、中膨脹土與強(qiáng)膨脹土三種類(lèi)型，具體劃分標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表1。

鑒于膨脹土本身的特性可知，為了避免其給公路路基工程建設(shè)帶來(lái)不利影響，需要結(jié)合《公路路基設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定和要求來(lái)對(duì)膨脹土進(jìn)行有效處理。比如，基于規(guī)范規(guī)定可知，強(qiáng)膨脹土具有比較差的穩(wěn)定性，不可以當(dāng)成路基填料來(lái)使用;中等膨脹土可以結(jié)合公路路面結(jié)構(gòu)類(lèi)型、填料層數(shù)、膨脹土特性以及公路等級(jí)幾個(gè)方面實(shí)際情況，選擇恰當(dāng)?shù)穆坊牧寂c處理方法，之后可以用作路基填料;弱膨脹土可以結(jié)合當(dāng)?shù)氐乃?、地質(zhì)和氣候等實(shí)際情況來(lái)進(jìn)行合理應(yīng)用。

2 膨脹土的主要工程特性

膨脹土的主要工程特性表現(xiàn)在如下幾個(gè)方面：其一，裂隙性特征。膨脹度本身具有相對(duì)較于軟弱的結(jié)構(gòu)面以及多裂隙構(gòu)成的結(jié)構(gòu)體，這極大地影響了其本身的抗剪強(qiáng)度，容易誘發(fā)比較嚴(yán)重的工程地質(zhì)問(wèn)題。其二，脹縮性。膨脹土的親水性特性比較強(qiáng)，只有同水進(jìn)行相互作用才能夠增大其體積能力與土體濕度。而如果膨脹土體吸收了大量水，那么就會(huì)出現(xiàn)大程度膨脹，這樣會(huì)容易使道路出現(xiàn)隆起變形破壞，如圖1就是因?yàn)榕蛎浲僚蛎浽斐晒仿坊鍓K突起破壞。

如果膨脹土本身失水，那么其體積也會(huì)縮小而出現(xiàn)收縮變化，并使得土體出現(xiàn)裂隙問(wèn)題，這樣的變化同樣容易誘發(fā)道路開(kāi)裂或土基下沉等一些變形破壞問(wèn)題。其三，風(fēng)化特性。膨脹土由于長(zhǎng)期暴露在露天環(huán)境當(dāng)中，會(huì)極大地受到外在環(huán)境當(dāng)中水分含量的影響而在表層部分出現(xiàn)碎裂泥化，這樣會(huì)降低其表層的強(qiáng)度。其四，超固結(jié)特性。膨脹土源于上層土層侵蝕作用而逐步形成的，這種特性使得其會(huì)反復(fù)、嚴(yán)重地危害道路，如使公路路面會(huì)隨著季節(jié)改變而出現(xiàn)波浪變形破壞。

3 高速公路膨脹土路基設(shè)計(jì)的對(duì)策研究

3.1 膨脹土的改良方法

基于膨脹土的工程特性可知，其會(huì)對(duì)高速公路路基施工的承載性與穩(wěn)固性產(chǎn)生比較大的影響。在那些缺乏優(yōu)質(zhì)土資源的區(qū)域，如果必須要選擇利用膨脹土當(dāng)作路基的填料，那么為了避免后續(xù)膨脹土路基出現(xiàn)質(zhì)量病害，就需要采取恰當(dāng)?shù)氖侄闻c方法來(lái)改良膨脹土，常用的改良手段與方法如下：

（1）加入纖維材料。在土壤環(huán)境中水分含量增加的條件下，膨脹土中的蒙脫石等一些活性黏土礦物質(zhì)本身會(huì)展現(xiàn)出極強(qiáng)的吸水性，并且會(huì)在吸水之后出現(xiàn)膨脹變化。而如果可以在膨脹土當(dāng)中適當(dāng)?shù)丶尤胍恍├w維材料，那么可以使所形成的公路路基和纖維材料之間形成切應(yīng)力，這樣就可以對(duì)膨脹土特殊路基向外膨脹的變形進(jìn)行有效地限制。有關(guān)實(shí)踐與研究已經(jīng)表明，通過(guò)將一定量的乙烯纖維添加到膨脹土中，膨脹土壤的膨脹情況得到有效改良。此外，在膨脹土中的蒙脫石出現(xiàn)吸水膨脹變化之后，所添加的纖維材料會(huì)相應(yīng)地被拉長(zhǎng)，這樣能夠?qū)ε蛎浲寥赖耐鈹U(kuò)進(jìn)行限制，同樣對(duì)其變形進(jìn)行有效抑制，這樣極大地減少膨脹土對(duì)高速公路路基施工帶來(lái)的各種不利影響，同時(shí)添加纖維材料的施工成本相對(duì)較低，所以在高速公路膨脹土路基施工中廣泛應(yīng)用。除了乙烯纖維之外，丙烯纖維也是成為改良膨脹土的重要添加料。

（2）加入風(fēng)化砂。通過(guò)在膨脹土當(dāng)中適當(dāng)?shù)靥砑右欢康娘L(fēng)化砂，也起到改良膨脹土的作用，如借助比例適當(dāng)?shù)娘L(fēng)化砂確定，可以適當(dāng)?shù)卦黾优蛎浲寥乐写笪镔|(zhì)顆粒的整體含量，降低土壤當(dāng)中吸水物質(zhì)的活性;通過(guò)在膨脹土壤中加入風(fēng)化砂，同樣可以對(duì)土壤空隙進(jìn)行填充，保證膨脹土路基在吸水之后的土壤擁有充足的膨脹范圍與空間;通過(guò)添加風(fēng)化砂，對(duì)膨脹土壤的整體膨脹系數(shù)進(jìn)行改善，有利于減小不同土壤顆粒之間的摩擦力;基于風(fēng)化砂在膨脹土路基施工中的應(yīng)用，也有利于提升土壤內(nèi)環(huán)境含水量，以此降低膨脹土本身的吸水性。通過(guò)上述這些添加風(fēng)化砂作用的發(fā)揮，可以對(duì)膨脹土路基的變形進(jìn)行有效控制，但是在實(shí)際施工中要注意充分?jǐn)嚢枧蛎浲镣欢ū壤娘L(fēng)化砂，避免攪拌不充分或不均勻而使膨脹土出現(xiàn)了二次變形問(wèn)題。

3.2 其他方法

除了對(duì)膨脹土進(jìn)行改良之外，如果高速公路膨脹土段路基施工中的條件允許，那么為了確保整個(gè)膨脹土段路基施工的質(zhì)量，同樣可以采取下述幾種方法：

（1）換填法。換填法就是將不滿(mǎn)足高速公路路基承載性能要求的土體直接替換為那些滿(mǎn)足施工要求和規(guī)定的填料或土體，以此改善路基的承載性。在膨脹土進(jìn)行換填處理期間，可以采用灰土、砂石以及一些非膨脹土進(jìn)行換填，保證換填之后的路基滿(mǎn)足設(shè)計(jì)規(guī)定與施工要求，減小其變形量。在實(shí)際的膨脹土換填施工期間，主要是將基底部位處的膨脹土挖除掉300～500mm，之后再在其中相應(yīng)地回填灰土、砂石等一些膨脹性比較小的填料。在此基礎(chǔ)上，要做好換填之后的碾壓施工處理，力求可以最大程度降低路基變形量，避免其在未來(lái)出現(xiàn)不均勻沉降變化。

（2）樁基法。樁基是當(dāng)前路基加固施工中廣泛應(yīng)用的一種地基處理方式，其可以使地基沉降量控制在0，不僅適用于江河區(qū)域地基加固，同樣適用于膨脹土段公路路基處理。樁基一般具有相對(duì)較大的長(zhǎng)細(xì)比，深度也達(dá)到了數(shù)十米，甚至一些達(dá)到了數(shù)百米，由于樁基持力層設(shè)置在承載力很強(qiáng)的土層或巖石層中，所以保證了其本身具有良好的承載性。但是在膨脹土段應(yīng)用樁基加固路基期間，要保證整個(gè)樁基施工工序與過(guò)程的準(zhǔn)確性，避免出現(xiàn)斷樁或垂直度不準(zhǔn)等問(wèn)題。

（3）預(yù)濕（膨脹）法。也是處理膨脹土路基中比較常用的一種施工處理工藝，可以對(duì)膨脹土內(nèi)部的濕度進(jìn)行平衡，降低了膨脹土路基的變形破壞。預(yù)濕膨脹法主要是在膨脹土路基施工之前的膨脹土中加水使其保持濕潤(rùn)膨脹狀態(tài)，這樣可以使其在后續(xù)使用中不會(huì)繼續(xù)出現(xiàn)過(guò)大的吸水膨脹變形，有效保護(hù)了膨脹土路基結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)束語(yǔ)

總之，膨脹土路基是高速公路路基施工中一種特殊路基形式，本身容易誘發(fā)比較嚴(yán)重的路基沉降病害。在實(shí)際的高速公路膨脹土路基設(shè)計(jì)與施工中，需要結(jié)合工程的實(shí)際情況，在對(duì)膨脹土進(jìn)行科學(xué)改良的基礎(chǔ)上，靈活地選用換填法、樁基以及預(yù)濕（膨脹）法等來(lái)全面確保膨脹土路基施工質(zhì)量。

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