路基路面設(shè)計中膨脹土處理研究

高先明

(安徽省啟帆建設(shè)工程設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230000)

膨脹土通常具有較強的抗壓性，但其本身抗壓性會隨著土體失穩(wěn)而瞬間大幅度下降，從而降低抗壓強度。因膨脹土中的主要成分為蒙脫石、伊利石等等吸水性礦物質(zhì)，故而其本身存在顯著的吸水膨脹和失水收縮特性，進而對路基路面結(jié)構(gòu)造成損害。所以在路基路面設(shè)計階段必須充分掌握膨脹土的特性，可通過系統(tǒng)分析或現(xiàn)場試驗等方式加以驗證，并確定整體設(shè)計方案，從而避免各種設(shè)計缺陷導(dǎo)致后期路基路面的破壞。

1 膨脹土工程特性分析

膨脹土廣泛分布于我國各個地域，大部分道路的路基都是用膨脹土材料建設(shè)而成，在膨脹土路基工程中普遍存在滑坡和沉陷等現(xiàn)象，路基事故多數(shù)發(fā)生在以膨脹土作為路基填筑材料建設(shè)的工程中。針對部分規(guī)模較大的工程而言，為保障道路路基結(jié)構(gòu)本身的安全性和穩(wěn)定性，在路基建設(shè)階段通常需要投入大量人力和物力。膨脹土屬于黏性土質(zhì)，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮的變形性能，在荷重作用下仍能浸水膨脹，產(chǎn)生膨脹壓力。同時膨脹土還具有脹縮變形的可逆性，在吸水膨脹、失水收縮后，有再吸水再膨脹、再失水再收縮的特性。在膨脹力及其反復(fù)脹縮變形條件下，造成道路發(fā)生開裂[1]。

膨脹土內(nèi)部礦物成分極易受到周圍環(huán)境溫濕度的影響，其形態(tài)會隨著附近區(qū)域溫濕度的變化而發(fā)生改變，從而破壞內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)，在周圍環(huán)境濕度增大時膨脹土的膨脹量也會隨之增加，而周圍空氣過于干燥時又會引起不同程度的收縮裂縫。因此，應(yīng)將環(huán)境溫濕度列為處理膨脹土路基中的重要考量因素，最大限度降低膨脹土因周圍溫濕度變化造成的影響。在路基建造中適量摻加石灰材料，利用其本身的吸水性來有效改良膨脹土性質(zhì)，這也是現(xiàn)階段工程中較為常用的膨脹土改良方法。不同區(qū)域的膨脹土對于環(huán)境溫濕度的敏感程度也各不相同，而不同施工環(huán)境中所存在的礦物質(zhì)和環(huán)境溫度也各有所異。因此，在實施膨脹土改良時應(yīng)充分了解工程所在區(qū)域的氣候及地質(zhì)環(huán)境，并針對性采取科學(xué)合理的方法進行土體材料改良作業(yè)。通常在路基工程建設(shè)中，膨脹土大多為高液限黏土，擁有較高的含水率且極難控制，碾壓過程中易形成“彈簧土”，故而使用石灰拌合時需要重點關(guān)注石灰的用量與土體的含水率，并對相關(guān)施工設(shè)備與相關(guān)施工工藝提出相應(yīng)的要求。

2 膨脹土對路基的危害

在大部分膨脹土地區(qū)，路基經(jīng)常發(fā)生各種各樣的病害，必須充分意識到路基病害的嚴重性并制定科學(xué)合理的防護措施，從根本上降低路基病害的發(fā)生率。1)從力學(xué)角度上分析，應(yīng)從膨脹土其本身抗壓強度和變形性兩個層面來看，保障路基路面整體安全最重要的因素便是強度，如膨脹土其本身特性會導(dǎo)致路基強度產(chǎn)生變化，再加上路基路面在各種外力荷載的作用下，也會導(dǎo)致路面與路基產(chǎn)生不同程度的變形，同時路面相關(guān)建筑材料也會發(fā)生不同程度的變形，甚至引起滑坡及其他一些嚴重的損壞；2)土壤含水率的大小決定著路基壓實度，進而影響路基整體結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定。膨脹土?xí)S著水分流失而產(chǎn)生不同程度的收縮現(xiàn)象，從而使路基及路邊產(chǎn)生區(qū)域性變形和移位。膨脹土在經(jīng)過水分浸泡后又會產(chǎn)生膨脹現(xiàn)象，對土體本身強度影響較大，當(dāng)外界荷載超過路基本身所能承受的最大壓力時，便會造成不同程度的裂縫和沉降，如果超負荷荷載持續(xù)存在，則會導(dǎo)致路面結(jié)構(gòu)的嚴重損害，從而增加道路維修成本，也影響區(qū)域內(nèi)的交通順暢。

3 案例分析

3.1 工程概況

以某市城市主干路建設(shè)項目為例，該項目全長約為2.7km，重交通等級。該區(qū)域?qū)儆趤啛釒駶櫦撅L(fēng)氣候區(qū)，其最高溫度41.3℃，最低氣溫-17.0℃，多年平均氣溫在15.5℃左右，雨季集中在每年的5月份到8月份之間，平均降雨量超1000ml。通過勘察分析得知，該工程建設(shè)區(qū)域土質(zhì)均為高嶺土，含有大量蒙脫石、伊利石等礦物。場地土自由膨脹率在36～48%之間，膨脹力在28～55kPa之間。膨脹變形量為16.5mm，收縮變形量為4.2mm，脹縮變形量為13.3mm，以中等、弱膨脹土為主。地區(qū)膨脹土濕度系數(shù)ψw約為0.815，大氣影響深度約為3.4m，大氣影響急劇層深度約為1.5m。根據(jù)現(xiàn)場鉆探、原位測試、結(jié)合室內(nèi)巖土試驗成果資料分析，該場地內(nèi)各層巖土的地基承載力特征值fak、相應(yīng)的壓縮模量Es1-2、基床系數(shù)[2]K見表1。

表1 各層巖土的地基承載力

本工程部分地段填方高度較大，結(jié)合周邊場地土方平整，本著降低工程造價，節(jié)約資源的原則，路基使用周邊開挖土方為路堤填筑材料。為保障整體路基工程質(zhì)量，須采取科學(xué)合理的方法對其加以改良處理，從而滿足工程設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)。

3.2 膨脹土路基填筑方案

道路路基必須密實、均勻、穩(wěn)定，為路面提供堅固的支撐基礎(chǔ)。路基施工應(yīng)使整體路基結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定性等方面符合相關(guān)規(guī)范要求?，F(xiàn)階段主要根據(jù)氣候、土壤的性質(zhì)和含水率摻加一定比例的石灰來改良膨脹土。通常膨脹土在經(jīng)過系統(tǒng)改良后應(yīng)低于0.7%的脹縮率。結(jié)合路基填筑設(shè)計方案，采用多種方法測試分析對比后確定最終施工方案，如表2所示。膨脹土摻石灰比例在5%～6%左右，同時控制土的含水量應(yīng)接近最佳含水量，具體以試驗結(jié)果為準(zhǔn)。根據(jù)施工現(xiàn)場情況隨時調(diào)整石灰劑量，從而保障整體施工質(zhì)量。經(jīng)過一系列調(diào)查分析，通過摻石灰的方法對該區(qū)域膨脹土改良，施工工藝成熟且工程成本較低。因工程本身對壓實度與填筑質(zhì)量要求較高，通過對沿線土方進行測試，最終確定摻石灰比例為6%。表2為該道路膨脹土處理方案對比。

表2 膨脹土處理方案

路堤填筑按路基橫斷面全寬度縱向分層、水平分段填筑，分段長度不宜大于300m。為消除新老路基差異沉降變形，老路拼接段路基要提高加寬部分地基處理及路基壓實度標(biāo)準(zhǔn)，必要時采用強夯提高路基壓實度，壓實度比一般路基提高一個等級。填方分幾個作業(yè)段施工時，接頭部位如不能交替填筑，則先填路段，應(yīng)分層留臺階，如交替填筑，則應(yīng)分層相互交替搭接，搭接長度不小于2m。石灰土宜在氣溫較高的季節(jié)施工，施工期的最低氣溫應(yīng)在5℃以上。并應(yīng)在第一次重冰凍(-3～-5℃)到來之前一個月到一個半月完成，應(yīng)避免在雨季進行石灰土結(jié)構(gòu)層的施工，不能在水文不良地段采用。石灰土盡量采用集中廠拌施工，將土和石灰先干拌1～2遍，然后加水拌和不少于3遍，直至均勻為止。將拌和好的石灰土混合料按松鋪厚度攤鋪均勻后碾壓。若采用路拌，須隨時檢查拌和深度，防止拌合深度不夠形成素土夾層。在施工過程中，石灰土應(yīng)采用分層填筑的方式，每層厚度不大于20cm，并通過合理的碾壓機械組合，達到了規(guī)定的壓實度要求。

3.3 路基坡率

在該項目路基坡率設(shè)計過程中，參考路基規(guī)范并且與相同類型的優(yōu)秀道路工程項目為參考，再建立模型通過力學(xué)分析，以此確定該工程的路基坡率設(shè)計方案為1∶1.5，同時在路塹頂部的位置設(shè)置0.4×0.4m的截水溝，進一步減少雨水對路基的影響。在該工程路基路面施工過程中，路基的邊坡按照規(guī)定的參數(shù)進行實施，并且對部分地段的路基坡率適當(dāng)做出調(diào)整與優(yōu)化，最大限度降低坡腳和土體的承載力。增加坡腳支撐承載力，減小路基在使用中發(fā)生變形，提升路基邊坡的安全性與穩(wěn)定性。地面橫坡緩于1∶5時，在清除地表草皮、腐殖土后，可直接在天然地面上填筑路堤。在地面自然橫坡度陡于1∶5的斜坡上(包括縱斷面方向)，路基基底應(yīng)挖臺階，臺階寬度不得小于2m，臺階底應(yīng)有2%～4%向內(nèi)傾斜的坡度，挖臺階前應(yīng)清除草皮及樹根。對土質(zhì)路基填挖銜接處應(yīng)采取超挖回填措施并進行壓實。地基表層應(yīng)碾壓密實，路基底的壓實度不下于90%。為保證路基邊坡滿足壓實度要求，填方路基兩側(cè)各超寬30cm填筑，路基全部施工完畢后再進行刷坡。

3.4 弱膨脹土路基處理

在弱膨脹土路基處理過程中，將膨脹土的承載性能進行充分研究與分析后，繼而設(shè)計得出合理的路面結(jié)構(gòu)和路床厚度數(shù)據(jù)，并對施工方案再次進行調(diào)整優(yōu)化。通常情況，在路床處理膨脹土過程中，控制石灰的比例在5%～6%左右，壓實度達到95%以上。對于路基高度超過0.8m的路堤部分，加入4%的石灰對膨脹土進行處理，壓實度控制在93%以上。需要注意的是，這個環(huán)節(jié)雖不能對路基膨脹土完全處理，但膨脹土的黏粒和膠粒的含量可以大大降低，膨脹變形量會明顯改善，并且加入石灰后，材料的CBR值明顯提升。若路基的填筑高度大于2.22m，設(shè)計人員按照上述方法再次對路基進行處理，并且控制路基填筑料CBR≥3。在該工程弱膨脹土路基處理環(huán)節(jié)，膨脹土對路基造成的反應(yīng)并不強烈，基于此，相關(guān)的施工人員沒有進行過多的其他特殊處理，就達到了設(shè)計要求。設(shè)計對道路邊坡采用10cm的非膨脹土加以包封保護，道路邊坡結(jié)構(gòu)就具備了較強的穩(wěn)定性與安全性。

3.5 中膨脹土路基處理

在該工程項目中，通過對現(xiàn)場進行全方面勘察，發(fā)現(xiàn)在該區(qū)域土體極易受到天氣影響，產(chǎn)生較大反應(yīng)，對路基造成破壞。在道路運營過程中，如果大氣快速下降就會對路面結(jié)構(gòu)造成嚴重的變形?；诖?，通過計算將膨脹土路床的厚度控制在0.8m，對項目路基的填土高度超過1.2m時，設(shè)計對道路路堤進行加入4%的石灰的處理方案，并且控制石灰土壓實度達到93%以上，同時對路邊坡使用非膨脹性質(zhì)的材料進行封邊，保證道路路基路面運行結(jié)構(gòu)穩(wěn)定[3]。

3.6 路面內(nèi)部防排水

對瀝青路面可以選擇升級配路面系統(tǒng)；對水泥路面可以選擇在行車道與土路肩的交匯處設(shè)置盲溝排水的方法，在路面整體結(jié)構(gòu)中形成一套完整的基層排水系統(tǒng)。通常在道路凹形豎曲線的最低點，雨水極易滲透到路面結(jié)構(gòu)內(nèi)與膨脹土產(chǎn)生反應(yīng)，導(dǎo)致路基產(chǎn)生破壞，進而造成表面變形損壞的問題?；诖?，在凹形豎曲線底部的路面下方按照一定間距設(shè)置橫向盲溝，將盲溝和道路排水系統(tǒng)相互連接，繼而完成有效的內(nèi)部排水。為解決中央分隔帶的排水問題，設(shè)計采用橫向排水管道和縱向排水管道進行相互融合的方式，以此快速排除路面雨水[4]。

3.7 在膨脹土上換填土

在進行換填土過程中，應(yīng)該嚴格按照規(guī)范的標(biāo)準(zhǔn)進行膨脹土更換，將膨脹土表面全換為非膨脹土壓實后，就可以有效解決路基膨脹土危害。路基換填土應(yīng)優(yōu)先選用級配良好的礫類土、砂類土等粗粒土作為填料，填料最大粒徑應(yīng)小于15cm。

3.8 土工格柵加筋

土工格柵加筋對路基整體結(jié)構(gòu)具有較強的穩(wěn)定作用，土工格柵和膨脹土充分結(jié)合后，形成一種特殊的筋土混合物，有助于路基形成一道封閉層，促使路基結(jié)構(gòu)在洪澇時期水分充足后仍然不會大幅降低強度，有效降低路基發(fā)生失穩(wěn)的現(xiàn)象，該項方法對道路的穩(wěn)定性具有重要作用。土工格柵外側(cè)距離邊坡應(yīng)留出10cm的距離，防止土工格柵外露。斜坡地段底層坡腳鋪設(shè)時，應(yīng)將邊坡坡腳處地面土工格柵范圍內(nèi)的基底鏟成平臺，以保證土工格柵水平鋪設(shè)，加強路基邊坡穩(wěn)定。土工格柵縱向接頭，采用搭接綁扎，搭接長度不小于30cm[5]。

4 結(jié)語

綜上所述，路面路基工程中膨脹土的處理有較多的方法，可根據(jù)不同的地質(zhì)選擇合理的方法。膨脹土在道路工程施工中屬于常見問題，并且已有眾多學(xué)者進行相應(yīng)研究，雖已研發(fā)出較多的解決方法，但其屬于特殊性的土質(zhì)，仍會因為各種因素的影響，對路基路面造成相應(yīng)破壞，甚至還會帶來嚴重的經(jīng)濟損失?；诖耍嚓P(guān)部門需要引起重視，尤其是在設(shè)計階段，以此減少不必要的損失。