公路膨脹土特性及處理措施

欒現(xiàn)鵬

摘 要： 膨脹土是一種特殊土，常常引起公路病害，高度重視膨脹土病害，加強處治措施是確保公路工程質(zhì)量安全的關(guān)鍵。本文按照現(xiàn)行的公路工程設(shè)計規(guī)范，充分結(jié)合項目實地調(diào)研資料和設(shè)計方案，對公路膨脹土的特性及膨脹土地區(qū)公路工程設(shè)計進行分析。

關(guān)鍵詞： 膨脹土;膨脹土判別;公路病害;設(shè)計對策

【中圖分類號】U416.1+67 ? ? 【文獻標(biāo)識碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.214

1 膨脹土判別原則

膨脹土是一種比較特殊的粘性土，其含有較多的粘粒及親水性較強的伊利石、蒙脫石等粘土礦物成份，使它具有遇水膨脹、失水收縮的特性，同時膨脹土又具有崩解性、脹縮性、超固結(jié)性、風(fēng)化性、強度衰減性、多裂縫等多種特殊的工程特性。按照公路行業(yè)有關(guān)技術(shù)規(guī)范，通過對京新高速G7烏魯木齊至大黃山段公路全線的挖探、對部分段落存在的紅棕色和白灰色中、高液限粘土，經(jīng)過初步判定，此路段為膨脹土路段。下表是這些路段的部分土力學(xué)指標(biāo)：（見表1所示）

通過上表數(shù)據(jù)分析：土體具有液限高、自由膨脹率大、粘粒含量高等特點，符合膨脹土特點。

2 膨脹粘土的變形機理

引起膨脹土變形的主要因素分為內(nèi)部因素與外部因素，內(nèi)部因素主要為組成土的物質(zhì)成分，外部因素主要為土所處的外部環(huán)境和擊實條件等。膨脹粘土吸水膨脹的實質(zhì)是在組成膨脹粘土的粘土礦物顆粒與水的接觸面上形成水膜，使顆粒間距離增大產(chǎn)生土的體積膨脹。而膨脹粘土失水收縮的實質(zhì)是由于膨脹粘土失水過程中物理化學(xué)作用與力學(xué)效應(yīng)共同作用形成的結(jié)果。

3 膨脹土地區(qū)公路病害表現(xiàn)型式

3.1 路面縱向裂縫

在膨脹土地區(qū)公路的路基填方路段，常常會產(chǎn)生路面縱向裂縫，經(jīng)過分析，當(dāng)路床填料采用未改性的膨脹土?xí)r，在路基碾壓施工過程中土的含水量偏大，超過最優(yōu)含水率，這是膨脹土產(chǎn)生收縮變形的內(nèi)在因素。在路基邊坡與大氣直接接觸的條件下，路床填料膨脹土在大氣影響深度范圍內(nèi)明顯收縮，形成拉開裂縫，并反射到路面結(jié)構(gòu)，形成路面縱向裂縫。這種路面縱向裂縫在京新高速G7烏魯木齊至大黃山段膨脹土地段普遍可見，最長可達幾十米，最寬裂縫大于1cm，其位置主要在停車帶，部分進入行車道。

3.2 路面沉陷、鼓包

膨脹土地區(qū)路面沉陷、鼓包是常見的公路病害，這種病害在路基挖方和填方路段均存在，產(chǎn)生這種病害的主要原因是在路基填筑時未對路床范圍內(nèi)的膨脹土進行超挖換填;當(dāng)填方路基路床填料采用未改性膨脹土?xí)r，由于膨脹土的CBR強度較低，在路面排水、邊溝排水、中央分隔帶排水等多種水的綜合影響下，導(dǎo)致路床內(nèi)浸水或含水量增加，在車輛荷載的反復(fù)作用下，路床膨脹土軟化或形成泥漿，形成了較強的孔隙水壓力，在干濕循環(huán)和脹縮變形的共同作用下，造成路面沉陷和鼓包，最終導(dǎo)致路面破壞。

3.3 橋涵構(gòu)造物的破壞

3.3.1 涵洞通道和橋臺淺基礎(chǔ)不均勻沉陷，導(dǎo)致涵洞、通道墻體開裂，拱頂裂縫、涵底錯臺和橋臺上部結(jié)構(gòu)開裂。其原因是基礎(chǔ)埋深淺，持力層在大氣影響深度范圍內(nèi)以及涵底、涵洞進出口及橋臺未采取防滲措施，致使膨脹土地基浸水且其程度不均勻，則地基強度和脹縮變形差異也不均勻。

3.3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)開裂，其原因是樁基設(shè)置在大氣影響深度范圍內(nèi)，樁側(cè)極限摩擦力取值不當(dāng)，即未考慮到膨脹土的不利影響，樁基承載力取值大，與實際情況不符。個別樁基有下沉現(xiàn)象。

4 膨脹土段落處理建議

4.1 膨脹土段落設(shè)計對策

膨脹土路段的公路設(shè)計應(yīng)遵循“低路堤、緩邊坡、淺路塹、強支護、改土性、寬散水”的設(shè)計原則。

4.1.1 當(dāng)路基填方為就地取土回填，并且填料多為強膨脹土?xí)r，可采取部分挖除原路基，并用“兩布一膜”的土工布做隔斷后再采用非膨脹土填筑路基。利用土工膜將膨脹土表面封閉，使土與水隔離，保持土中含水量不變，可以減小膨脹土對公路路基的危害。在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)下鋪設(shè)土工膜，可以有效改善結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的沉降、隆起、傾斜等，也可以抑制膨脹土中裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，減小膨脹土的危害。這是一種常用的比較經(jīng)濟的膨脹土處治措施。

4.1.2 路面增設(shè)不透水封層或采用不透水面層。為盡可能確保路面排水通暢，橫坡盡量放大。

4.1.3 路肩寬度不少于2.0～2.5m，并對路肩硬化或采取其他防滲措施。

4.1.4 路基兩側(cè)可以用一般粘性土做反壓護坡道，防止路基兩側(cè)的積水進入路基。

4.1.5 膨脹土路段應(yīng)做好排水設(shè)計，使地表水能夠順利排走，防止積水浸泡路基。膨脹土路段應(yīng)采用加深、加寬排水溝和邊溝，同時排水溝、邊溝外表面宜采用漿砌加固，以減小滲漏，溝底縱坡要盡可能陡一些，同時要定期清淤，防止淤塞積水。

4.1.6 膨脹土段落的路基邊坡應(yīng)用漿砌片石或混凝土護坡進行防護，并做好排水，防止降水從路基邊坡滲入路基。土在干濕循環(huán)作用下表面風(fēng)化，導(dǎo)致土體的抗剪強度大大降低，這是造成膨脹土路基邊坡發(fā)生破壞的主要原因。因此對路基邊坡坡面進行快速有效封閉，盡可能使邊坡土體保持其濕度不發(fā)生大幅度變化，是膨脹土路基邊坡防護的關(guān)鍵所在。

4.2 含水量變化的控制

膨脹土中含水量變化是引起路基病害的根本原因。含水量變化越大，土的脹縮變形也就越大。因此，膨脹土路基處理的根本原則就是保持地基土的均衡含水量。公路路基填方挖方較大時，土體中含水狀態(tài)將發(fā)生變化，當(dāng)路堤填土高大于6m時，路基土就容易出現(xiàn)含水量變化大等問題。膨脹土地區(qū)路基設(shè)計應(yīng)避免高填深挖，避免高路堤和深長路塹，宜以淺路塹、低路堤通過。

4.3 基礎(chǔ)及地基處理

4.3.1 橋涵構(gòu)造物

天然地基淺基礎(chǔ)埋深宜等于或大于大氣急劇影響深度（宜不小于1.6m）或用石灰土換填至基底標(biāo)高。涵洞、通道進出口和涵底設(shè)灰土防護滲層并用混凝土硬化。大氣影響深度內(nèi)的膨脹土作持力層時，容許承載力可按0.35折減。樁基設(shè)計時，大氣急劇影響深度可不計樁側(cè)極限摩阻力，大氣影響深度內(nèi)的樁側(cè)極限摩阻力可按0.35折減。樁基外緣至坡肩的水平距離宜大于大氣影響深度。否則，應(yīng)采取封閉加固措施。

增大基礎(chǔ)埋置深度，這種方法常用為膨脹土地基的長期防治技術(shù)。確定基礎(chǔ)有效埋深時，應(yīng)重視本地的工程經(jīng)驗，而且基礎(chǔ)不應(yīng)與膨脹土直接接觸，可采用補償墊層、砂包基礎(chǔ)、摻石灰等技術(shù)進行基底地基處理。工程中擋墻、橋涵等工程變形嚴(yán)重，很大程度上就是由于基礎(chǔ)與膨脹土直接接觸產(chǎn)生的。

4.3.2 補償墊層

補償墊層能減弱結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的脹縮變形，發(fā)揮補償作用，是一種特殊的墊層。國內(nèi)對砂墊層的補償作用進行過室內(nèi)模型試驗和現(xiàn)場試驗，認(rèn)為砂墊層厚度為0.5～0.8m時可使膨脹力降低25%～30%。采用補償墊層時，基礎(chǔ)埋深應(yīng)大于1.5m。墊層材料采用中粗砂，分層夯實到中密（15.5～16.0KN/m3），墊層的厚度可參照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行.符合以上條件時，墊層的調(diào)節(jié)作用及補償作用是顯著的，所以膨脹土地區(qū)的擋墻及橋涵的基礎(chǔ)應(yīng)加設(shè)補償墊層，以減小基礎(chǔ)的脹縮變形。

結(jié)束語：膨脹土是一種特殊土，它對公路建設(shè)的質(zhì)量安全影響較大，由膨脹土造成的公路邊坡失穩(wěn)、路面破壞、構(gòu)造物開裂等病害對我國公路建設(shè)造成了很大的經(jīng)濟損失。因此，在膨脹土地區(qū)開展公路建設(shè)時，首先要按照國家相關(guān)技術(shù)規(guī)范做好工程地質(zhì)勘察，其次要根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果根據(jù)膨脹土是工程特性進行合理的工程設(shè)計，最后是嚴(yán)格按照勘察設(shè)計成果施工，確保工程建設(shè)質(zhì)量，消除工程安全隱患。膨脹土挖方邊坡失穩(wěn)是常見的公路病害。對此，合理確定邊坡坡率和對坡形、坡面封閉防護、強化排水防滲設(shè)計是至關(guān)重要的。對挖深大于6m的邊坡，建議設(shè)擋土墻，以確保邊坡穩(wěn)定。挖方路基路床超挖換填處理、填方路基路床采用改性后的膨脹土填筑，并強化防滲措施和封閉上路堤頂部以上邊坡是確保路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

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