淺談膨脹土對(duì)公路路基沉降和邊坡穩(wěn)定性的影響

劉華超

摘要 近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展，高等級(jí)公路也迎來了大規(guī)模建設(shè)，然而我國地質(zhì)條件十分復(fù)雜，膨脹土分布十分廣泛。膨脹土屬于黏性土，對(duì)路基壓實(shí)度和邊坡穩(wěn)定性影響較大，嚴(yán)重制約道路的通行能力。因此文章對(duì)膨脹土地區(qū)公路病害、膨脹土路基沉降特性、路基邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了研究，提出膨脹土地區(qū)路基邊坡處置措施，同時(shí)表明設(shè)置排水設(shè)施的重要性。

關(guān)鍵詞 膨脹土；公路病害；邊坡穩(wěn)定性

中圖分類號(hào) U416.167文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）09-0138-03

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國公路進(jìn)入大規(guī)模建設(shè)階段，公路網(wǎng)不斷擴(kuò)大，西部地區(qū)公路建設(shè)工程上馬得越來越多。由于我國西部地區(qū)膨脹土分布廣泛[1]，造成各類工程問題和事故屢屢發(fā)生，所以對(duì)膨脹土工程研究提出了更高質(zhì)量和工藝的要求，因此對(duì)膨脹土路基沉降和邊坡穩(wěn)定性問題研究也已到了刻不容緩的地步。

1 現(xiàn)時(shí)期的膨脹土研究狀況

我國對(duì)于膨脹土的認(rèn)知與了解，早在20世紀(jì)就有相關(guān)記載。對(duì)黏性土地基變形破壞和邊坡失穩(wěn)事件分析存在相關(guān)記錄，由于技術(shù)落后和意識(shí)的短缺沒有引起人們的注意[2]。我國對(duì)膨脹土問題研究起始于20世紀(jì)60年代。公路、鐵路工程的建設(shè)過程中經(jīng)常會(huì)遇到膨脹土問題，如成渝鐵路、成昆線北段、焦枝線、陽安線等工程施工過程中都遇到了膨脹土病害[3]。近年來，我國在膨脹土工程地質(zhì)特性的評(píng)定、試驗(yàn)技術(shù)、脹縮機(jī)理、邊坡的工程實(shí)踐、強(qiáng)度特性等多個(gè)方面都有相當(dāng)水平的科研成果。

2 研究膨脹土的意義

膨脹土定義：系指土中礦物成分主要由親水礦物組成，同時(shí)具有顯著的吸水膨脹和失水收縮兩種變形特性的黏性土。膨脹土屬于黏性土的一種，且膨脹結(jié)構(gòu)比較特殊[4]，主要礦物成分為伊利石和蒙脫石等，屬于強(qiáng)親水性礦物，包含大量黏粒。膨脹土在天然狀態(tài)下為硬塑狀態(tài)，呈現(xiàn)棕色、褐色、黃色、紅色、灰白色等。各類膨脹土中蒙脫石、伊利石的含量見表1。

膨脹土在天然狀態(tài)下為硬塑狀態(tài)，具有較高的強(qiáng)度。由于膨脹土存在脹縮性、裂隙性和超固結(jié)性，因此對(duì)環(huán)境變化較為敏感。如：當(dāng)土壤環(huán)境含水量增加時(shí)，膨脹土便會(huì)膨脹；當(dāng)含水量減少時(shí)，膨脹土發(fā)生收縮，且自由膨脹率不低于40%[5]。當(dāng)膨脹土發(fā)生多次膨脹收縮時(shí)，強(qiáng)度會(huì)發(fā)生大幅度降低，甚至引起膨脹土崩解。我國幅員遼闊，地質(zhì)復(fù)雜，各個(gè)地區(qū)膨脹土由于其結(jié)構(gòu)不同，埋藏深度差異，造成了各地膨脹土都存在一定的差異性。由于膨脹土膨脹收縮特性和其特殊縫隙結(jié)構(gòu)，會(huì)對(duì)公路及鐵路建設(shè)造成比較大的困難。

3 膨脹土地區(qū)公路路基病害

天然狀態(tài)下的膨脹土為硬塑狀態(tài)，在未發(fā)生膨脹時(shí)，路基穩(wěn)定性較好，路基強(qiáng)度較高。但是隨著時(shí)間推移，表面風(fēng)化、膨脹、收縮等多重因素作用下就會(huì)出現(xiàn)路基翻漿冒泥、路基波浪形沉降、路堤與路塹邊坡失穩(wěn)、路基渣囊以及路肩縱向開裂與坍塌等多種病害[6]。

3.1 路基翻漿冒泥

膨脹土路基發(fā)生失穩(wěn)破壞且得不到及時(shí)處理時(shí)，在循環(huán)膨脹收縮和車輛碾壓作用下，會(huì)導(dǎo)致路基強(qiáng)度降低和泥化現(xiàn)象，引起路基松弛滲水。當(dāng)孔隙水壓增加時(shí)，周圍泥土雜質(zhì)在水壓作用下進(jìn)入到粒料中，沿裂縫冒出，形成路基翻漿冒泥現(xiàn)象，如果不及時(shí)處理甚至引起路基變形與沉陷。

3.2 路基波浪形沉陷

在長時(shí)間風(fēng)化和雨水作用下，不同路段路基中的膨脹土漲縮效果也存在差異，路基便會(huì)形成波浪形沉陷，而且路基沉降形變隨著路堤的增高變形明顯。路基沉陷會(huì)影響正常行車，當(dāng)沉降過大時(shí)極易引起交通事故[7]。

3.3 路堤與路塹邊坡失穩(wěn)

膨脹土路基經(jīng)過長時(shí)間風(fēng)化導(dǎo)致邊坡表面剝落。當(dāng)遇到雨水時(shí)，膨脹土吸水膨脹，降低了膨脹土抗剪強(qiáng)度，當(dāng)壓實(shí)度較差時(shí)，還會(huì)引起路堤溜滑、路肩溜塌和滑坡等現(xiàn)象。

路堤與路塹在雨水沖刷下會(huì)形成泥土流，造成涵洞和邊溝的堵塞，嚴(yán)重情況下會(huì)造成路面被淹沒或路基被沖毀。從以往項(xiàng)目經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得出：膨脹土路堤和路塹邊坡發(fā)生滑坡現(xiàn)象一般都是在投運(yùn)3～5年后發(fā)生，部分膨脹土路堤和路塹事故潛伏時(shí)間還會(huì)更長。要想有效預(yù)防膨脹土滑坡，需要采取合適的防排水措施，還應(yīng)對(duì)邊坡上的膨脹土進(jìn)行加固和改良[8]。

3.4 路基渣囊

當(dāng)路基出現(xiàn)泥化現(xiàn)象，路面基層內(nèi)的粒料被擠入泥化的基床中形成渣囊結(jié)構(gòu)，渣囊不僅會(huì)破壞地基結(jié)構(gòu)，同時(shí)也會(huì)成為儲(chǔ)水容器和滲水通道，使深層土體的泥化現(xiàn)象加劇，進(jìn)而加速渣囊的形成，造成惡性循環(huán)。

3.5 路肩縱向開裂與坍塌

路肩部位由于其臨空特殊性，其承受外力作用較大，又由于工程施工時(shí)機(jī)械碾壓不到位，常常造成路肩沉降形變遠(yuǎn)大于堤身部位。膨脹土路肩極易形成縱向開裂現(xiàn)象，路肩開裂后雖然不至于影響道路安全使用，但如果不及時(shí)修復(fù)，縱裂縫便會(huì)成為滲水通道，加速水分滲入，從而引起路肩塌陷現(xiàn)象。

4 膨脹土路基沉降的特性

4.1 荷載作用下膨脹土路基的沉降

4.1.1 荷載作用下膨脹土路基的沉降三分量

和普通土質(zhì)路基相似，主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降和瞬時(shí)沉降構(gòu)成荷載作用下膨脹土路基的三個(gè)沉降分量。次固結(jié)沉降，膨脹土由水鋁片和硅氧片的構(gòu)成結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定，對(duì)于膨脹土路基沉降影響微乎其微，可忽略不計(jì)。在公路長期使用過程中，膨脹土的瞬時(shí)沉降與主固結(jié)沉降會(huì)產(chǎn)生一部分，主要原因?yàn)榇笾匦涂ㄜ嚭透咚倨噷?duì)路面的反復(fù)荷載作用；另一部分是在公路建設(shè)過程中，路面承受荷載隨著工程推進(jìn)而逐漸增加，每一次荷載的施加都會(huì)引起主固結(jié)沉降和瞬時(shí)沉降[9]。綜上所述，次固結(jié)沉降影響小，而主固結(jié)沉降和瞬時(shí)沉降在公路使用期間和建設(shè)過程中隨荷載和時(shí)間一同變化。

4.1.2 反復(fù)車輛荷載作用下膨脹土路基的沉降特點(diǎn)

公路長期使用期間，在車輛的往復(fù)荷載作用下，膨脹土路基土的應(yīng)力與應(yīng)變的關(guān)系如圖1所示[10]。

從圖1可以看出，膨脹路基土變形由不可恢復(fù)塑性變形和可恢復(fù)彈性變形兩部分構(gòu)成，其中，路基瞬時(shí)沉降主要是彈性形變?cè)斐桑坊鞴探Y(jié)沉降由塑性變形造成。在長時(shí)間循環(huán)加荷－卸荷的作用下，路基塑性變形在每次卸荷載后都無法完全恢復(fù)，變形也是不斷累積，而彈性變形就可以完全恢復(fù)。路基土承受荷載大小和加荷－卸荷作用次數(shù)都直接影響塑性變形積累的沉降總量，荷載大小、循環(huán)次數(shù)都與主固結(jié)沉降累積量成正比關(guān)系。綜上可以得出，路基承受的車輛重量與道路車流量都影響著路基土的沉降量，且與道路應(yīng)力有關(guān)。

4.2 膨脹土路基的脹縮沉降規(guī)律

膨脹土路基在膨脹與收縮的循環(huán)作用下會(huì)出現(xiàn)脹縮變形，引起路基的脹縮沉降。其中膨脹土發(fā)生膨脹后會(huì)造成路基向上變形，其方向定義為負(fù)，收縮后會(huì)造成路基向下沉降，其方向定義為正[10]。特殊情況下膨脹土吸水后會(huì)引起路基濕陷變形，導(dǎo)致出現(xiàn)膨脹土得水出現(xiàn)正沉降現(xiàn)象。為了驗(yàn)證膨脹土路基脹縮沉降與時(shí)間的關(guān)系，通過對(duì)某項(xiàng)目路基膨脹土進(jìn)行浸水試驗(yàn)，得到膨脹土自由膨脹率與時(shí)間的關(guān)系如圖2所示[10]。

從圖2可以看出，膨脹土變形隨時(shí)間加長會(huì)出現(xiàn)階段性特性，根據(jù)特性可分為三個(gè)階段：

第一階段（oa）：該階段時(shí)間處于膨脹土浸水0～

30 min，膨脹率和時(shí)間在該階段大致呈正比關(guān)系，且膨脹土膨脹較快，此階段特點(diǎn)總結(jié)為膨脹土勻速急劇膨脹。

第二階段（ab）：該階段時(shí)間處于膨脹土浸水30～

160 min，膨脹土雖然還在膨脹，但是膨脹率隨時(shí)間變化其增長速率已經(jīng)顯著變緩，此階段特點(diǎn)總結(jié)為減速膨脹。

第三階段（bc）：該階段時(shí)間處于膨脹土浸水160 min以后，膨脹土變形基本穩(wěn)定，膨脹率基本不再隨時(shí)間增長而變化，此階段特點(diǎn)總結(jié)為緩慢膨脹階段。

膨脹土路基當(dāng)水開始浸入，最先是膨脹土表面膨脹，由于路基各個(gè)部分浸水的先后順序，所以膨脹沉降速度在路基各個(gè)部分都有明顯差異。在浸水剛開始時(shí)，路基表面膨脹土首先進(jìn)入第一階段，膨脹土勻速急劇膨脹，而且路基上層的膨脹土不用承受較大的自身重力，所以上層膨脹土沉降量也相對(duì)非常大。當(dāng)水分隨著時(shí)間慢慢向路基內(nèi)部滲入后，路基中下部膨脹土也開始沉降，但是由于上層土已經(jīng)膨脹完成，對(duì)中下層膨脹土壓力較大，而且上層土膨脹時(shí)，阻礙了水向中下層滲透，致使中下層膨脹土膨脹沉降速度減緩，所以中下層的沉降量相對(duì)較小。

5 路基邊坡的穩(wěn)定性分析研究

膨脹土與普通土邊坡相比，邊坡內(nèi)變形與受力差別較大，主要因?yàn)榕蛎浲僚蛎浐褪湛s特性。近些年來，技術(shù)人員通過對(duì)膨脹土邊坡分析研究發(fā)現(xiàn)，此前路基工程最常采用的邊坡穩(wěn)定性分析方法，如圓弧滑動(dòng)面條分法等并不適用于膨脹土這種特殊土質(zhì)的邊坡，并總結(jié)出膨脹土邊坡是一種漸進(jìn)性破壞的真實(shí)失穩(wěn)形式。近年來隨著我國計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，膨脹土邊坡穩(wěn)定性分析的新型理論逐漸豐富起來，如灰色理論與模糊數(shù)學(xué)等。邊坡的穩(wěn)定性分析方法也日新月異，現(xiàn)在主要有離散元法、流形元法、限元法三種。由于工程數(shù)字化和虛擬仿真技術(shù)的不斷發(fā)展和逐漸成熟，也為邊坡穩(wěn)定性研究提供了新思路，由二維向三維、靜態(tài)向動(dòng)態(tài)的方向發(fā)展。

近年來，我國針對(duì)膨脹土邊坡穩(wěn)定性的分析研究，理論方面還不夠成熟，但是實(shí)踐應(yīng)用方面已經(jīng)積累了一定經(jīng)驗(yàn)，比如在膨脹土邊坡加固等方面都有豐富的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)。隨著我國科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，膨脹土路基方面研究雖然還處于剛起步階段，但是通過專家的分析研究，關(guān)于路基土改良方面的研究已取得了許多成果，比如針對(duì)鐵路工程中膨脹土進(jìn)行了土工合成材料加固路堤的施工技術(shù)研究，就強(qiáng)夯法在膨脹土高填方路堤填筑中的應(yīng)用進(jìn)行了研究、對(duì)石灰穩(wěn)定膨脹土效用及其施工質(zhì)量控制進(jìn)行了試驗(yàn)研究等。目前就預(yù)防治理膨脹土路基病害的措施方法根據(jù)機(jī)理上的不同可分為邊坡支護(hù)與加固、壓實(shí)和換填法、土工織物加筋法、保濕法、土性改良法等幾大類，具體方法有改性土樁、粉噴攪拌樁強(qiáng)化基床、素混凝土和改性土骨架護(hù)坡、土工織物治理膨脹土基床病害、植物護(hù)坡、土釘墻等幾十種。

6 結(jié)論

該文通過借鑒前輩科研人員的研究成果并結(jié)合自身工作經(jīng)驗(yàn)，通過對(duì)公路膨脹土路基沉降和邊坡穩(wěn)定性影響分析總結(jié)得出以下結(jié)論：

（1）膨脹土路基的主要病害有翻漿冒泥、路基波浪形沉降、路堤與路塹邊坡失穩(wěn)、路基渣囊以及路肩縱向開裂與坍塌。

（2）荷載作用下膨脹土路基的沉降特性為次固結(jié)沉降影響小，而主固結(jié)沉降和瞬時(shí)沉降在公路使用期間和建設(shè)過程中隨荷載和時(shí)間一同變化。

（3）根據(jù)膨脹土路基脹縮沉降規(guī)律分析得出上層膨脹土沉降量相對(duì)較大，而中下層沉降量相對(duì)較小。

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