高速公路改良膨脹土路基施工技術(shù)研究

蒙志偉

（廣西路橋工程集團有限公司，廣西 南寧 530000）

0 引言

近年來，我國高速公路通車里程以較大的幅度逐年增長，這種現(xiàn)象既體現(xiàn)了我國基礎(chǔ)交通網(wǎng)絡(luò)建設(shè)的有序推進，也反映了我國經(jīng)濟發(fā)展的良好走勢。高速公路工程的投資成本比其他工程更大，對質(zhì)量和工期的控制要求較為嚴格，特別是對一些地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、施工環(huán)境惡劣的區(qū)域，需要在施工前進行預(yù)處理的工作量巨大，所面臨的施工風險很多，這會相應(yīng)地增加工程預(yù)算。例如，在膨脹土環(huán)境下進行高速公路工程施工，需要綜合考慮的因素很多，如膨脹土含水率、含灰量及顆粒度等工程參數(shù)指標的改良，路基的不均勻沉降等。換言之，對膨脹土施工環(huán)境進行合理、科學的改良，能夠提高高速公路路基的結(jié)構(gòu)強度和穩(wěn)定性，對高速公路投入使用后的行車安全也具有重要的保障作用。相反，如果膨脹土改良試驗工作不夠充分和細致，很可能導致高速公路的路基發(fā)生不均勻沉降，給工程的整體進度帶來很多不利影響，也會帶來各類安全隱患，為后續(xù)工程的維護工作帶來一定挑戰(zhàn)。因此，對高速公路膨脹土的工程特性進行研究，制訂適合實際工程所需的膨脹土改良方案顯得十分必要，這關(guān)系到高速公路工程建設(shè)的質(zhì)量、工期和安全性。

1 膨脹土工程特性分析

膨脹土在我國的分布十分廣泛，很多高速公路都是在膨脹土路基上完成建設(shè)的，膨脹土路基極易發(fā)生沉降和滑坡等現(xiàn)象，對于一些大型的公路工程項目，為保證路基結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性，在膨脹土路基的處理過程中的投入很大，路基處理過程中所遇到的各類問題多為膨脹土路基所引發(fā)。從物理特性方面來看，膨脹土屬黏土性質(zhì)，其含有的礦物質(zhì)成分對所處環(huán)境的濕度變化十分敏感且易受濕度變化而發(fā)生不同程度的形變，進而使其結(jié)構(gòu)受到破壞，即膨脹土在濕度較大時表現(xiàn)為膨脹，而在干燥失水情況下表現(xiàn)為收縮裂縫，所以在進行膨脹土路基處理時應(yīng)著重考慮這種隨濕度變化較為敏感的特性。

為盡可能地降低膨脹土對濕度變化的敏感性，傳統(tǒng)的方法是在路基中添加一定量的石灰材料，目的是通過石灰的吸水特性對膨脹土進行改良，這種方法在工程中的應(yīng)用較為普遍，使膨脹土具有較好的改良效果。膨脹土是對某類受濕度變化較為敏感的黏土的統(tǒng)稱，并且不同地區(qū)的膨脹土差異性較為明顯，這是由所處環(huán)境的濕度情況和礦物質(zhì)成分決定的。在進行膨脹土的處置過程中，應(yīng)根據(jù)具體的環(huán)境進行因地制宜的研究和改良，但使用石灰進行改良的方法仍為主流工藝。由于膨脹土通常屬于高液限黏土，其自身的含水率較大并且散開困難，因此在添加石灰進行混合時其均勻性很難得到控制，對施工工藝和施工設(shè)備的要求也很高。在對膨脹土路基進行處理的過程中，必須注意兩個方面的問題：一是石灰與膨脹土的拌和問題，二是拌和的均勻性與質(zhì)量控制問題［1］。

2 膨脹土改良措施

2.1 石灰改良膨脹土

石灰改良膨脹土為當前國內(nèi)處理膨脹土的常見方法，屬于化學法處理，石灰改性后的膨脹土強度、水穩(wěn)性和壓實度等工程指標得到較好改善，標準加州承載比（CBR，評定土基及路面材料承載能力的指標）減小，達到施工標準要求。石灰改良工法中對施工工藝和施工設(shè)備的要求較高，使得該工法的工程造價較高，因此在我國西部或其他偏遠山區(qū)中的應(yīng)用場景不多，主要在經(jīng)濟條件較好的區(qū)域推廣。

2.2 非膨脹土包邊

非膨脹土包邊屬于物理工法，通過對膨脹土周圍的非膨脹土進行封閉包蓋，減少外部干濕度變化對填芯膨脹土的影響，保證填芯膨脹土干濕度變化范圍可控，使其強度不會發(fā)生較大的衰減或變化，進而使膨脹土路基的強度及穩(wěn)定性得到充分保障。非膨脹土區(qū)域包邊主要方法有礫石土包邊和非膨脹黏土包邊。

2.3 土工格柵（網(wǎng)）加筋

土工格柵（網(wǎng)）加筋是一種較為常見的物理工法，主要使用了土工格柵（網(wǎng)）抗拉強度原理，即土與格柵（網(wǎng)）之間的彼此咬合與摩擦作用。由土工格柵（網(wǎng)）對其中的部分土體收縮應(yīng)力進行有效吸收，此部分應(yīng)力一般因土體干燥失水收縮而產(chǎn)生，可在一定程度上抑制坡面膨脹土開裂程度，進一步防止坡面發(fā)生更為嚴重的開裂，阻止外部水分滲入。此外，土工格柵（網(wǎng)）還可防止外部水分進入坡面而發(fā)生土體膨脹或松散，對提高路基表層整體的抗剪強度具有一定作用，使路基土體在雨季發(fā)生水分飽和后仍不會發(fā)生強度降低等情況，也可有效減少因自重過大而導致的失穩(wěn)現(xiàn)象。土工格柵（網(wǎng)）加筋施工法屬于封閉包蓋法的另一種形式，土工格柵與膨脹土之間發(fā)生往復(fù)作用，最終形成一種獨特的筋土混合物，對路基填芯膨脹土有很好的封閉包蓋作用。土工格柵（網(wǎng)）加筋方法主要有土工格柵（網(wǎng)）包邊、土工布加固及碎石土夾層+土工格柵包邊。

2.4 滲透性土體換填

相關(guān)工程資料表明，在膨脹土路基頂部進行高滲透性土體換填施工能夠有效弱化不均勻膨脹形變對路面的影響，并且換填深度在80～100 cm的效果更佳，具體的施工材料和施工工藝應(yīng)符合工程標準規(guī)范的要求。

2.5 膨脹土路基加鋪土層

膨脹土路基一般具有較低的壓實度，其回彈模量相對于工程標準規(guī)范的要求偏低，荷載能力明顯不足，影響到其上方的路面結(jié)構(gòu)，因此可于膨脹土路基上方加鋪相應(yīng)厚度的普通土層，以增強膨脹土路基的荷載能力［2］。

3 膨脹土路基防排水與沉降控制

3.1 路表面防排水

通常，高速公路的路幅較寬，為有效降低路面上的積水對邊坡的沖刷強度，可在邊坡沖刷位置邊緣設(shè)置相應(yīng)的排水溝或阻水帶，應(yīng)特別注意的是，如果是阻水帶，應(yīng)依據(jù)當?shù)鼐唧w的氣象和水文條件及工程排水規(guī)范的標準而具體設(shè)置，確保施工質(zhì)量能夠滿足工程標準要求，防止雨水下滲。對于高速公路的彎道較高部分，可于較高部分的中央隔離帶內(nèi)部搭建排水溝或集水井，也可設(shè)置橫向排水管道或急流槽，以防止較高部分的水穿過隔離帶而涌入另一側(cè)路面，避免因路面積水嚴重而引起行車事故。

3.2 路面內(nèi)部防排水

為保證結(jié)構(gòu)強度，防止路基發(fā)生形變，通常在富含膨脹土結(jié)構(gòu)的高速公路區(qū)域進行換填施工，在進行膨脹土高速公路路面內(nèi)部排水時，可僅考慮自由水對路面表層的影響程度，因此對于瀝青路面而言，可于路面下部設(shè)置微型碎石排水系統(tǒng)；對于水泥路面而言，可設(shè)置多層盲溝進行排水，分別設(shè)置在土路肩下及車道與路肩交界處，同時在合適的位置設(shè)置小型盲溝以排出路面水，或在路面內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)置基層排水系統(tǒng)。在凹形豎曲線下方路段，雨水滲入路面結(jié)構(gòu)與膨脹土路基的情況通常無法避免且凹形豎曲線下方多為雨水集中的位置，因此應(yīng)加強凹形豎曲線下方路基內(nèi)部的排水，在凹形豎曲線下方及有縱坡橋梁的端部位置應(yīng)設(shè)置一定數(shù)量的橫向滲溝，將滲溝和級配碎石基層連通，超高路段可通過與橫向排水管配合的方式進行。路面結(jié)構(gòu)中可設(shè)置相應(yīng)的級配碎石作為基底層，也可當作路面內(nèi)部的排水結(jié)構(gòu)，對于凹形豎曲線下部的挖方段，當邊溝下方設(shè)置有滲溝時，可將一定級配的碎石基底層和下滲溝相連接，從而將雨水排出，若邊溝下尚未設(shè)置滲溝，則可在基底層結(jié)構(gòu)的邊緣和邊溝間設(shè)置一定級配的碎石滲溝，從而將雨水引出。為滿足中央隔離帶的排水要求，可設(shè)置縱向滲溝和橫向排水管的復(fù)合式排水系統(tǒng)以達到施工排水要求，當超高段橫坡處積水較為嚴重時，應(yīng)采取更為有效的措施加強排水。

3.3 膨脹土路基沉降控制

膨脹土路基受自身土體結(jié)構(gòu)強度等因素影響，在施工過程中會發(fā)生一定的沉降，給路面的穩(wěn)定性和行車安全性帶來不利影響。因此，應(yīng)依據(jù)橫向變坡率等指標要求采取一定措施對膨脹土路基的沉降進行控制，特別是不均勻沉降情況。在進行路基填筑的同時應(yīng)加強對沉降的監(jiān)測并做好記錄，待路基施工完成后應(yīng)持續(xù)跟蹤頂部橫斷面的沉降情況，通過分析沉降值隨時間變化的曲線判斷各時段的沉降情況，還應(yīng)充分考慮路基橫斷面的最大沉降值及橫向的變坡率，當橫向變坡率達到標準要求時方可進行路面施工，并且路面各層完成施工時均應(yīng)進行監(jiān)測，為后續(xù)環(huán)節(jié)的施工打下基礎(chǔ)。

4 工程應(yīng)用與分析

4.1 工程概況

以南寧市某新建高速公路為例，為滿足實際交通運輸需要并盡可能縮減通車里程，該工程的主體段建設(shè)不可避免膨脹土等不利環(huán)境。此外，該工程設(shè)計標準高，對路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性及路面各類病害等控制較為嚴格，因此作為該工程的基礎(chǔ)，路基應(yīng)具有較高的強度、較大的剛度、較好的穩(wěn)定性和耐久性等，對各類自然災(zāi)害及其他不可抗力事件也應(yīng)具有一定的抵御能力。通過對施工現(xiàn)場環(huán)境及地質(zhì)條件進行勘測后可知，該工程全線基本上位于第四系更新黏土上，其膨脹強度為中級和弱級，無法直接用于施工，應(yīng)對這類膨脹土進行合理改良。

在進行如此大規(guī)模的膨脹土改良并填筑施工時，工藝和質(zhì)量控制是最重要的環(huán)節(jié)。選取DK1053+100～DK 1055+100作為試驗路段，試驗路段長度為2 km，進行膨脹土路基改良工藝研究，主要討論工藝方法、工藝參數(shù)及工藝流程，以科學的試驗數(shù)據(jù)指導下一步全線的施工。由于該施工區(qū)域的膨脹土屬于高塑性黏土且附近地下水位較高，土體含水率較大，因此拌和方法的選擇是工程的重點和難點。只有選用合適的拌和技術(shù)，才可滿足本工程的質(zhì)量及進度要求。

4.2 拌和工藝分析

在取土場分別進行集中路拌法及集中預(yù)拌路拌法工藝試驗，兩組試驗在相同的外界環(huán)境下進行，由于石灰具有一定的散失性，因此實際石灰摻量為7%左右（比設(shè)計參數(shù)增加1%），超過15 mm顆粒的含量低于20%即視為達到拌和標準。集中路拌法先將填料運送到 1 200～1 500 m2的硬化石灰土場地，然后進行攤鋪初平，使用旋耕犁進行翻曬2 d后再整平、靜壓，最后施作布灰路拌，實際攤鋪厚度約35 cm，完成布灰后再路拌5～6遍，使用推土機集中堆運到路基填筑段。

集中預(yù)拌路拌則是選取長40 m、寬8 m的取土面，取土深度約1 m，由計算所得的結(jié)果進行布灰，使用挖掘機預(yù)拌3遍，然后運送到填筑面，實際攤鋪厚度約35 cm，路拌3遍，每完成一次拌和后進行隨機抽樣（30組）分析，兩種方式共選取拌和膨脹土試樣180組，完成取樣后立即進行試驗并對試驗數(shù)據(jù)進行準確分析，主要計算其含水率、含灰量、大徑（粒徑超過15 mm）顆粒含量等，通過多組數(shù)據(jù)求出最大值、最小值及平均值。

4.3 膨脹土路基改良效果分析

路拌改良膨脹土的均勻性是衡量其拌和質(zhì)量的重要指標，即拌和最終的目的是獲得更均勻的改良填料，相比集中路拌法，集中預(yù)拌路拌法在均勻性方面要好一些，這是因為在預(yù)拌過程中，已將石灰和土充分拌和均勻，而在預(yù)拌階段，石灰的顏色變化是拌和程度的直接反映，即通過判斷翻拌后拌和料顏色的一致性與否便可判斷預(yù)拌的質(zhì)量，但與此同時，大顆粒填料的存在對路拌過程中局部范圍的含灰量具有一定影響，所以在拌和前應(yīng)嚴格控制土塊的粒徑，最大粒徑應(yīng)不超過15 mm且大粒徑塊土不得集中。

集中路拌法中因路拌機原有的工作模式的限制，僅可使一定范圍內(nèi)的填料拌和均勻，而大面積的含灰量等指標控制需通過最終的攤鋪厚度及密度完成，還包括對布灰厚度的控制。值得注意的是，含水率的控制無法通過拌和次數(shù)的增加而得到有效控制，其主要依賴于外界溫濕度等蒸發(fā)條件，也與單次拌和時長有關(guān)。此外，消石灰或是生石灰的選擇對改良膨脹土的含水率也會有一定的影響，特別是消石灰的含水率屬于直接影響因素。

根據(jù)以往的施工經(jīng)驗可知，當選用生石灰粉進行膨脹土改良時，通常應(yīng)堆放燜料2～3 h，目的是降低改良后的膨脹土含水率。由試驗結(jié)果可知，當完成3遍預(yù)拌路拌后，再進行2遍路拌，膨脹土含灰量、超過15 mm粒徑大小的顆粒含量及含水率3種指標均達到了施工標準要求，實現(xiàn)了較為均勻的拌和過程，而完成5遍集中路拌后，其含灰量和含水率更均勻，但顆粒度指標必須完成6遍拌和才符合施工標準要求。

通過多次試驗可知，集中路拌的方式受填料的含水率等性質(zhì)的影響較大，超過最佳含水率4%的填料，在完成路拌6遍后能夠符合顆粒度指標要求，當含水率再次提高時，則相應(yīng)的拌和時間也需要延長，但集中預(yù)拌路拌法對含水率較高的膨脹土填料更為適合［3］。

5 結(jié)束語

膨脹土地質(zhì)結(jié)構(gòu)對公路工程路基施工具有諸多不利影響，將膨脹土進行科學改良以適合實際的路基施工，對公路結(jié)構(gòu)強度及使用壽命都具有重要意義。本文詳細分析了膨脹土工程特性，列舉了幾種常見而有效的膨脹土改良措施，如石灰改良膨脹土、非膨脹土包邊、土工格柵（網(wǎng)）加筋、滲透性土體換填及膨脹土路基加鋪土層等。此外，對于膨脹土路基的防排水與沉降控制部分也分別進行了討論，以南寧某高速公路工程膨脹土路基改良施工作為具體案例，介紹了拌和工藝在膨脹土路基改良效果方面所起到的重要作用。