探討服役公路膨脹土路基病害成因及治理措施

田 華

（貴州省公路建設(shè)養(yǎng)護(hù)集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

公路主要包括路基、路面、隧道、涵洞、橋梁等結(jié)構(gòu)物，這些結(jié)構(gòu)物相互配合使公路整體結(jié)構(gòu)保持良好的穩(wěn)定性。其中路基、橋梁、涵洞等結(jié)構(gòu)是公路的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，確保基礎(chǔ)穩(wěn)定才能保證公路結(jié)構(gòu)體系的整體穩(wěn)定，從根本上保障公路工程的整體質(zhì)量[1]。由于材料強(qiáng)度、剛度等因素的影響，路基成為公路結(jié)構(gòu)體系中最容易產(chǎn)生病害的結(jié)構(gòu)物。而膨脹土路基病害是路基病害中比較常見的一種，對公路路用性能及行車安全有較大影響[2]。該文通過對服役公路膨脹土路基病害成因及處治進(jìn)行探討，總結(jié)其病害種類、病害形成原因以及防治方法，并根據(jù)膨脹土路基工程實(shí)際情況對如何提高其病害處治效果給出相應(yīng)建議。

1 路基膨脹土性質(zhì)

膨脹土是一種由親水性礦物構(gòu)成的吸水性強(qiáng)，遇水膨脹軟化，失水快速干裂的細(xì)粒黏土，在干、濕交替條件下，其殘余強(qiáng)度明顯小于其最大強(qiáng)度。

在干燥條件下，膨脹土具有較高的強(qiáng)度和承載能力，因而很少受到施工人員的重視，加上我國前期的道路規(guī)劃和施工中普遍存在“重橋輕基”的問題，因此，在公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)相對寬松時期未對膨脹土進(jìn)行相應(yīng)處理就直接用于路基填筑。隨著公路服役時間的增加，道路交通量和汽車載重的增大，膨脹土路基病害逐漸增多，導(dǎo)致道路表面不平整，行車安全性及舒適性大大降低[3]。

2 服役公路膨脹土路基病害類型

2.1 基床陷槽

基床陷槽是一種普遍存在的路基病害類型，形成原因是未及時排干的地面積水滲入基床膨脹土，使路基膨脹土遇水后強(qiáng)度急劇下降，使其軟化甚至液化，最終導(dǎo)致路基土體承載力嚴(yán)重下降。

在路基自重和汽車動載荷的長期影響下，公路路面結(jié)構(gòu)逐漸侵入基床形成基床陷槽，在基床橫向上，基床中部受車輛動載荷的影響最明顯，基床中部逐漸形成軟弱沉陷，而基床表面的排水不暢進(jìn)一步加劇路基土體軟化，導(dǎo)致基床陷槽病害不斷擴(kuò)展。

2.2 翻漿冒泥

路基基床產(chǎn)生陷槽后，路面結(jié)構(gòu)侵入基床使基層路面結(jié)構(gòu)硬化，喪失彈性。隨著地表積水的持續(xù)下滲，膨脹土路基軟化并液化成泥漿，在汽車動荷載的影響下，泥漿沿道路縫隙向上涌出，加重基床硬化程度，降低基床彈性。在部分排水不良或基床長期處于低洼區(qū)域的路段，翻漿冒泥病是一種較為普遍的病害，且治理難度大[4]。

2.3 基床外擠溜塌

由于地基沉降，基床產(chǎn)生“馬鞍形”凹坑，在路面下陷及車輛動荷載的共同影響下，基床邊坡被擠壓，產(chǎn)生側(cè)向應(yīng)力，從而造成路基沉降。

在夏天持續(xù)高溫的氣候條件下，膨脹土路基邊坡表層土體快速失水，發(fā)生收縮、干裂，出現(xiàn)松動裂縫，一旦下大雨，短時間內(nèi)將會有大量降雨注入裂縫中，造成邊坡滑移，基床崩塌，甚至沖毀路基，導(dǎo)致交通癱瘓。

2.4 路肩及橋涵附屬結(jié)構(gòu)物開裂

在長期干旱條件下，膨脹土將發(fā)生收縮干裂，在相同的周期載荷作用下，路基膨脹土內(nèi)部會發(fā)生壓縮變形，從而引起路基表面及路肩干縮、龜裂，造成路基護(hù)坡、隧道、涵洞結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)失穩(wěn)，使其在土體脹縮過程中形成裂縫，使用壽命縮短。膨脹土路基出現(xiàn)翻漿冒泥、路肩開裂隆起、陷槽等病害時，都會影響路面結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致路面沉降不均勻，危及行車安全。

3 膨脹土路基病害發(fā)生機(jī)理及原因分析

該文從膨脹土的礦物成分、物理力學(xué)特性、水、氣候以及人為因素等多個角度出發(fā)分析膨脹土路基病害的發(fā)生機(jī)理及形成原因。

3.1 膨脹土礦物組成及土的物理力學(xué)特性

膨脹土的礦物成分主要包括高嶺石、伊利石、蒙脫石等親水性黏性土礦物，現(xiàn)有研究顯示，膨脹土的膨脹率、脹縮率與蒙脫石的含量有直接關(guān)系。蒙脫石是由含有大量負(fù)電荷的硅四面體與鋁氧八面體[（Mg·Al）2（Si4O10）（OH）2·nH2O]構(gòu)成，該分子結(jié)構(gòu)的表面含有大量的負(fù)電荷，吸水性強(qiáng)，在礦物表層上產(chǎn)生大量親水層。同時蒙脫石具備高嶺石、伊利石沒有的晶格間膨脹性，這種膨脹性是影響膨脹土膨脹率的重要因素。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，膨脹土中含有大量的黏土礦物，其吸水性和礦物晶格之間的擴(kuò)展特性，使其在遇到水分時可快速膨脹。膨脹土體中的礦物質(zhì)與水分接觸后，會產(chǎn)生一層親水膜，根據(jù)摩爾—庫侖定律可知，水膜存在會降低膨脹土體的黏附力和內(nèi)部摩擦力，土體的抗壓強(qiáng)度急劇降低，導(dǎo)致其承載力不足。

3.2 水分及氣候的因素

水分和氣候因素是引起膨脹土體物理力學(xué)性能改變的主要外在原因，其中水分為最主要的誘因。在膨脹土體中，水分會促進(jìn)其礦物成分分子的再組合并對膨脹土宏觀上的抗剪破壞性能產(chǎn)生一定作用，從而導(dǎo)致其承載能力下降。在膨脹路基病害方面，地下水的影響形式主要包括降水、地表徑流和淺層地下水[5]。膨脹土的分布范圍主要集中在我國的東部和南部，這些區(qū)域受亞熱帶季風(fēng)的影響，每年入夏后，天氣表現(xiàn)為高溫多雨，短時突降暴雨會造成膨脹性土的快速軟化、液化。而在高溫干燥條件下，膨脹土?xí)l(fā)生脫水和開裂，再遇水時則再次膨脹，導(dǎo)致干縮裂縫擴(kuò)大。在經(jīng)歷多輪干濕循環(huán)作用后，膨脹土路基病害逐漸向下層擴(kuò)展，病害逐步加重。

3.3 動荷載的影響

車輛動載荷通過路基上層向基床傳遞，基床表面已液化的泥漿由于車輛動載荷的抽吸作用，沿著道路縫隙向上涌出，對路基基床造成嚴(yán)重破壞。此外，由于車輛動荷載的影響，公路路面結(jié)構(gòu)物進(jìn)入基床，導(dǎo)致基床下沉，特別是當(dāng)車速加快、軸重增大時，路基基床下沉更加明顯。

3.4 設(shè)計(jì)施工及養(yǎng)護(hù)的原因

（1）國內(nèi)部分公路建成年代久遠(yuǎn)，偏重橋梁、隧道等重要節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)，忽視了路基的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)路基時未將路基視為力學(xué)結(jié)構(gòu)物，導(dǎo)致路基設(shè)計(jì)不合理，容易出現(xiàn)病害。

（2）因早期我國公路設(shè)計(jì)與施工技術(shù)水平的限制，對膨脹土的性質(zhì)認(rèn)識不足，加之工程質(zhì)量管理不嚴(yán)格，致使公路長年服役后，膨脹土路基病害問題逐漸顯露，且愈演愈烈。

（3）公路服役期間，膨脹土路基病害處治受到多種因素制約，根據(jù)交通需求，一般將路基大修時間定在春季、秋季，而在高溫多雨的夏季，膨脹土路基無法及時排干基床積水，無法及時進(jìn)行病害修復(fù)。

（4）對于膨脹土路基病害往往通過修補(bǔ)路面結(jié)構(gòu)使路面保持平順。而在對路基基床進(jìn)行清篩時，大型機(jī)械設(shè)備的深度有限，底層板結(jié)基床無法得到徹底清篩。

由此可以總結(jié)出膨脹土路基病害的主要影響因素包括膨脹土體的礦物成分、水分和氣候條件、線路規(guī)劃和施工不合理以及服役后的養(yǎng)護(hù)不到位等。

4 膨脹土路基病害治理措施

4.1 改變基床填料的力學(xué)及水理特性

改變基床填料的力學(xué)及水理特性是指改變膨脹土路基基床填筑物成分，減少基床填筑物中蒙脫土的比例，從而改善膨脹土路基基床的水理特性及力學(xué)特性。工程實(shí)踐中一般采用河砂、二灰土、三合土進(jìn)行換砂或采用輕型、高強(qiáng)度的土工格柵加固，也可兩者結(jié)合使用。在施工工藝方面一般采用高壓灌漿、劈裂灌漿、丙酸鹽、吸水聚胺等化工泥漿灌注工藝，以形成膠結(jié)土顆粒，改善膨脹土的力學(xué)性能[6]。

4.2 防排水治理措施

在膨脹土路基病害影響因素中，水分是最主要的因素，做好路基表面防水、排水處理可有效確?；膊槐挥晁治g，使其內(nèi)部水分含量穩(wěn)定，從而保障膨脹土路基的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。

（1）路基防水、排水工程的重點(diǎn)是防止雨水滲入，同時考慮對地下水的侵蝕，具體措施包括在基床表面鋪設(shè)塑料排水板或防水土工布，以有效阻斷雨水滲入基床。

（2）在基床底部設(shè)置橫渠或盲溝，使基床中的積水能及時排出。

（3）在路堤段采用漿砌片石拱作為防滲設(shè)施，防止雨水滲入路基，同時可以有效抑制路基土體膨脹、溜塌[7]。

4.3 其他措施

除以上兩種常用處治措施外，對于某些特殊的膨脹土體可以進(jìn)行特別處理。如在有膨脹率很高的地段可采用“以橋代路”的處治方案，將膨脹土路基改造成旱橋，將橋梁基礎(chǔ)設(shè)在非膨脹土區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)徹底治理。

對于路基邊坡擠出明顯的地段，為提高公路路基的側(cè)向承載力，可采用在路基邊坡坡底設(shè)置擋墻、抗滑樁、片石垛等支護(hù)措施[8]。

5 某服役公路膨脹土路基病害治理措施分析

5.1 膨脹土工程地質(zhì)特性及病害狀況

某公路工程位于沖積平原區(qū)，地勢平坦，以平原和丘陵為主，沿線區(qū)域以弱膨脹土或中度膨脹土為主要土體，土層厚，其中含有鐵錳結(jié)核、鈣質(zhì)團(tuán)，粒度細(xì)小，富含黏性土。公路K9-K10 路段因長時間的高溫少雨，導(dǎo)致路肩出現(xiàn)裂縫，路面不均勻沉降，嚴(yán)重影響道路正常運(yùn)行和行車安全性。

5.2 病害處治措施

該公路膨脹土多為弱膨脹土，親水性礦物含量較少，結(jié)合該公路膨脹土路基病害情況以及《特殊路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中有關(guān)膨脹土路基處治的相關(guān)規(guī)范確定主要采用防排水措施處治膨脹土路基病害[9]。針對目前常用的膨脹土路基病害的處治措施特點(diǎn)及施工對交通的影響，該文給出如下處治方案：

（1）采用灌漿法將石灰漿注入基床進(jìn)行加固。該方法的基本思想是基于膨脹土路基采用石灰進(jìn)行填筑改良的經(jīng)驗(yàn)，采用高壓灌漿工藝將石灰漿注入基床土體。從微觀層面看，膨脹土中的伊利石、蒙脫石在吸收水分的過程中，因其表面存在著大量的負(fù)電荷，使石灰漿中的鈣離子吸附在其表面生成Ca(OH)2固化膜，從而阻止親水礦物與水分子的結(jié)合，使膨脹土的親水性減弱，抑制其軟化、液化，維持其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（2）用防水工布封閉基床。對該公路膨脹土路基病害進(jìn)行實(shí)地勘察，針對病害嚴(yán)重區(qū)域的基床進(jìn)行破底清篩，確保清篩深度達(dá)到基床表層以下0.5 m，并在基床上布設(shè)排水路拱，然后鋪設(shè)高密度聚乙烯土工薄膜等防水土工布，再鋪一層黃砂，黃砂層上為路面結(jié)構(gòu)層，在其與黃土層間以適當(dāng)?shù)拈g距布置橫向排水孔。該方法的基本原理是采用防水工布封閉基床，阻斷雨水下滲至基床，同時減小基床土體水分蒸發(fā)，使其水分含量保持相對平穩(wěn)[10]。

（3）處治路基基床病害，用挖掘機(jī)等大型機(jī)械設(shè)備協(xié)同作業(yè)對路基進(jìn)行加固處治，在路基病害部位迅速開挖路基，直至達(dá)到規(guī)定深度后重新設(shè)置排水路拱，并覆蓋防水土工布。

5.3 施工質(zhì)量檢測

采用上述處治措施后，對該公路膨脹土路基土體的平整度、壓實(shí)度進(jìn)行試驗(yàn)檢測，以評價處治措施的有效性。檢測結(jié)果如表1、表2 所示，所測的膨脹土路基的壓實(shí)度、平整度符合設(shè)計(jì)指標(biāo)，路基加固效果明顯，路基強(qiáng)度和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性能均有不同程度的改善。

表1 平整度檢測結(jié)果

表2 壓實(shí)度檢測結(jié)果

6 結(jié)論

綜上所述，路基是公路結(jié)構(gòu)體系中最容易產(chǎn)生病害的結(jié)構(gòu)物。而在公路運(yùn)營中，膨脹土路基病害較為普遍，由于膨脹土本身具有很強(qiáng)的脹縮性和吸水性，如不進(jìn)行處理會導(dǎo)致路基承載能力和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性下降。現(xiàn)階段，膨脹土路基處理措施主要包括換填、防水排水以及土體改良，需根據(jù)實(shí)際情況靈活運(yùn)用。