高速公路膨脹土路基設(shè)計(jì)問題分析

張慶磊

（商洛市交通設(shè)計(jì)院，陜西商洛726000）

1 工程概況

ND 高速公路起訖樁號(hào)K196+000～K285+700，全線總長(zhǎng)度為89.70km，線路橫穿典型的膨脹土地區(qū)，區(qū)域內(nèi)年氣溫均值14.5～15.8℃，7月極端溫度最高紀(jì)錄為41.4℃，年平均降雨量在710.1～1175.3mm 之間，降雨主要集中在每年的7 至9月，除此之外的其余月份則因降雨稀少，礦物質(zhì)分解速度大大減緩，蝕變過程因受到充足水量的影響容易引發(fā)堿土金屬元素積聚以及膨脹性黏土礦物的形成。結(jié)合地勘報(bào)告，該公路段弱膨脹土和中膨脹土長(zhǎng)度之和在線路總長(zhǎng)中占比54.21%，弱膨脹土僅現(xiàn)局部深層填方路基中，填筑高度均值3.47m，對(duì)路基影響較小。中膨脹土具有明顯的反復(fù)濕脹干縮及超固結(jié)性、多裂隙性、易崩解性和強(qiáng)度衰減性等特征，會(huì)引發(fā)路基不均勻沉降、路肩縱向裂縫，降低路面結(jié)構(gòu)承載力。由于弱中膨脹土在該公路路基填筑施工中大量應(yīng)用，必須在設(shè)計(jì)中重點(diǎn)考慮膨脹土對(duì)路基填筑施工質(zhì)量的影響。

2 膨脹土路基設(shè)計(jì)

2.1 路基邊坡坡率

該高速公路在設(shè)計(jì)時(shí)并未完全遵守相關(guān)規(guī)范所給定的坡率，而是通過同類工程地質(zhì)比擬和力學(xué)分析，采用變坡率設(shè)計(jì)，具體情況見表1。

表1 膨脹土路基變坡率設(shè)計(jì)

在路塹平臺(tái)的內(nèi)側(cè)增設(shè)長(zhǎng)×寬為0.4m×0.4m 的漿砌片石截水溝，而路堤平臺(tái)不設(shè)截水溝。本公路路基邊坡設(shè)計(jì)既能使高邊坡土體向坡腳處施加較小的壓力，同時(shí)能對(duì)坡腳起到進(jìn)一步支撐的作用，使邊坡潛在及現(xiàn)實(shí)變形均顯著減小，邊坡土體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性大大提升。

2.2 排水溝設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求以及所取得的水力計(jì)算結(jié)果，考慮該公路膨脹土路基路面排水的需要，應(yīng)當(dāng)設(shè)置0.8m深、0.8m 底寬且內(nèi)外坡率均為1∶1 的倒梯形排水溝。為盡可能避免排水溝內(nèi)流水對(duì)路床、路基產(chǎn)生不利影響，必須將膨脹土路基段對(duì)應(yīng)的排水溝加寬加深處理，使路床頂面以下溝底深度至少達(dá)到40cm；根據(jù)路塹路床改性處理要求，應(yīng)將排水溝深度從原0.8m 加深至1.0m，同時(shí)將排水溝底寬從0.8m 加寬至1.0m。將寬度為2.0m 的護(hù)坡道增設(shè)于坡腳外緣，以便起到預(yù)防邊坡掉落土體滑入排水溝引發(fā)堵塞的作用，同時(shí)減緩溝內(nèi)水流對(duì)坡腳的沖刷。

2.3 路基處理

根據(jù)地勘報(bào)告，該公路所在地膨脹土區(qū)域大氣影響深度較大，對(duì)路基及路面結(jié)構(gòu)變形、邊坡穩(wěn)定存在較為嚴(yán)重的影響，為此，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30—2015），必須將包括膨脹土路基以及路面結(jié)構(gòu)在內(nèi)的結(jié)構(gòu)總厚度控制在1.6m 及以上。進(jìn)行路堤分層填筑碾壓施工后必將在一定程度上破壞土體結(jié)構(gòu)，而膨脹土土質(zhì)特征以及微結(jié)構(gòu)卻予以保留，填筑碾壓施工還會(huì)改變土體含水量，使土體膨脹性增大。為此，必須結(jié)合路床和上路堤一并進(jìn)行路堤段處理，而路塹段膨脹土具有超固結(jié)性，通過防水保濕處理后可使其初始結(jié)構(gòu)強(qiáng)度增大，故而只需進(jìn)行路床處理。

2.3.1 弱膨脹土段路基處理

對(duì)于路面結(jié)構(gòu)層總厚度72cm，路床厚80cm 的總高度≤1.52m 的弱膨脹土路基段而言，上下路床應(yīng)分別采用6%和5%石灰土，且壓實(shí)度均不小于95%；而對(duì)于膨脹土路基高度在1.52m～2.22m 之間的情況，也應(yīng)按照相同比例摻灰，但當(dāng)路床底面以下路基填料CBR 值不能使填料強(qiáng)度提升并滿足設(shè)計(jì)要求時(shí)，通過控制摻灰量及壓實(shí)度達(dá)到設(shè)計(jì)目的，即摻灰量≤4%，壓實(shí)度≥93%。雖然這一摻灰量無(wú)法徹底消除路基土的膨脹性，但是膠粒及黏粒含量可以大大減小，膨脹土性能得到有效遏制，且路基土CBR 值也將顯著提升[1]。對(duì)于膨脹土路基高度超出2.22m 的施工段，應(yīng)按照以上方式和比例摻灰處理?？紤]到該公路工程路基主要作用于路面結(jié)構(gòu)以下2.0m 的范圍以內(nèi)，同時(shí)，下路堤路基填料強(qiáng)度要求并不高，即使弱膨脹土料的壓實(shí)度和含水量均呈增大趨勢(shì)，其CBR 值仍能達(dá)到規(guī)范相關(guān)要求，既然如此，本公路工程下路堤膨脹土材料不予處理。

弱膨脹土段邊坡土體所處地區(qū)為強(qiáng)風(fēng)化區(qū)，存在十分明顯的脹縮效應(yīng)，干濕循環(huán)對(duì)邊坡的破壞性較大，必須根據(jù)以上對(duì)膨脹土路床及上路堤的處理，通過厚度50cm 的非膨脹土進(jìn)行邊坡包邊處理。下路堤未摻灰的邊坡則采用厚度60cm、摻灰比6%的石灰土包邊處理。需要注意的是，非膨脹包邊土必須和石灰處治土及弱膨脹土填料同層碾壓，并通過非膨脹土進(jìn)行培路肩處理。石灰摻量與膨脹土無(wú)荷膨脹率關(guān)系曲線[2]，詳見圖1。

圖1 石灰摻量與膨脹土無(wú)荷膨脹率關(guān)系曲線

2.3.2 中膨脹土段路基處理

對(duì)于路面結(jié)構(gòu)層總厚度72cm，路床厚80cm 的總高度≤1.52m 的中膨脹土路基段而言，上下路床應(yīng)分別采用7%和6%石灰土，且壓實(shí)度均不小于95%；對(duì)于膨脹土路基高度在1.52～2.22m 之間的情況，也應(yīng)按照相同比例摻灰，超出地面70cm 范圍內(nèi)的路堤通過6.5%石灰土處治，壓實(shí)度控制在93%以上。下路堤填料使用4%石灰土，壓實(shí)度不小于93%，以達(dá)到脹縮性及經(jīng)濟(jì)性等方面的要求。通過垂直厚度50cm 非膨脹土將邊坡路面以下高度包邊處理，并嚴(yán)格控制壓實(shí)度。

2.3.3 其他方面

在以上處理方式的基礎(chǔ)上，應(yīng)選用三層雙向玻纖土工格柵材料，且該材料強(qiáng)度控制在60kN/m 及以上，延伸率控制在4%的以內(nèi)，將材料設(shè)置于路床范圍內(nèi)，以有效控制土料含水量變化，避免因含水量波動(dòng)引發(fā)路基不均勻沉降現(xiàn)象的發(fā)生。

當(dāng)路堤段地下水位較高時(shí)，必須在基底清表后增設(shè)厚度30～50cm 砂礫墊層或碎石層，并按照高出邊溝底面70cm 尺寸增大邊溝深度，方便墊層內(nèi)水流及時(shí)排出。當(dāng)路塹段地下水位較高時(shí)，應(yīng)超挖80cm 摻灰處理，在此基礎(chǔ)上再超挖30～50cm 深度增設(shè)砂礫墊層或碎石墊層，并將50cm 深、60cm 寬碎石盲溝設(shè)置邊溝下，同時(shí)外包土工布反濾，在碎石盲溝底部縱向設(shè)置內(nèi)徑15cm 的高密度聚乙烯波紋管。

3 施工效果

根據(jù)該高速公路開工后膨脹土路堤試驗(yàn)段情況，采用本文所提出的技術(shù)進(jìn)行膨脹土處理后，其工程屬性及根據(jù)設(shè)計(jì)比摻灰處理后的工程應(yīng)用效果與試驗(yàn)結(jié)果非常接近，考慮到試驗(yàn)段灰劑量檢測(cè)過程的復(fù)雜性，結(jié)合膨脹試驗(yàn)以及無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)進(jìn)行摻灰后膨脹土性能效果檢測(cè)。檢測(cè)結(jié)果顯示，摻灰量分別為4%、5%、6%、7%、8%時(shí)，7d 無(wú)側(cè)限抗壓強(qiáng)度分別為0.5MPa（弱膨脹土）、0.6MPa（弱膨脹土）、0.7MPa（弱膨脹土）和0.5MPa（中膨脹土）、0.7MPa（中膨脹土）、0.8MPa（中膨脹土）。通過調(diào)查路塹段碎石墊層、邊溝下所設(shè)置的縱向排水盲溝及橫向碎石墊層發(fā)現(xiàn)，試驗(yàn)段施工后正好遭遇該地區(qū)強(qiáng)降雨，盲溝內(nèi)存在持續(xù)水流，次月后再次觀察發(fā)現(xiàn)，盲溝內(nèi)水流仍源源不斷，排水設(shè)施運(yùn)行良好。

4 結(jié)語(yǔ)

膨脹土與筑路施工質(zhì)量關(guān)系密切，對(duì)路基施工質(zhì)量也存在十分不利的影響，通過石灰改性試驗(yàn)確定出適宜的石灰摻量，該工程弱膨脹土和中膨脹土石灰摻量分別為6%和8%，此外同時(shí)采取防水保濕、防風(fēng)化等消除土體膨脹性的方式，以保證施工質(zhì)量。