膨脹土高填方路堤變形控制及邊坡穩(wěn)定性分析

陳華

摘要 受膨脹土自身屬性影響，在荷載作用下的路堤變形程度較大，為此，進(jìn)行膨脹土高填方路堤變形控制及邊坡穩(wěn)定性分析研究。在考慮膨脹土高填方路堤結(jié)構(gòu)構(gòu)成以及應(yīng)力情況的基礎(chǔ)上，結(jié)合膨脹土路堤與大氣環(huán)境之間的濕熱交換對路堤含水率的影響，綜合分析了膨脹土路堤的變形屬性；在路堤變形控制階段，采用水泥攪拌樁對膨潤土高填方工點(diǎn)進(jìn)行處理，結(jié)合膨脹土路堤變形屬性對水泥攪拌樁規(guī)格進(jìn)行差異化設(shè)置，輔以鋼塑格柵結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對邊坡穩(wěn)定性的保障。測試結(jié)果表明，不同荷載狀態(tài)下，路堤水平方向和垂直方向變形程度均在10.0 mm以內(nèi)。

關(guān)鍵詞 膨脹土；高填方；路堤變形控制；邊坡穩(wěn)定性；濕熱交換；變形屬性；水泥攪拌樁；鋼塑格柵結(jié)構(gòu)

中圖分類號 TU47文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）12-0079-03

0 引言

膨脹土是一種具有顯著吸水膨脹和失水收縮特性的黏性土，分布廣泛。膨脹土的特殊性質(zhì)使得其在作為路堤填料時具有很大的不確定性。當(dāng)膨脹土處于干燥狀態(tài)時，其體積收縮、強(qiáng)度增加；而當(dāng)其吸水時，體積膨脹、強(qiáng)度降低。這種性質(zhì)的反復(fù)變化使得膨脹土路堤在建設(shè)和使用過程中面臨巨大的變形壓力和滑坡風(fēng)險，尤其是在高填方路堤中，由于填筑高度大，土壓力和滑坡力也隨之增大，對路堤的穩(wěn)定性提出了更高要求。

在開展道路施工建設(shè)的過程中，為了能夠最大限度保障工程的質(zhì)量和穩(wěn)定性，結(jié)合實(shí)際的地質(zhì)構(gòu)成情況對其進(jìn)行合理的變形控制措施極為必要[1]。其中，富含強(qiáng)親水性礦物的膨脹土在實(shí)際的道路施工建設(shè)中較為普遍。在吸水狀態(tài)下，膨脹土?xí)l(fā)生明顯的膨脹，增加路堤的對外壓力[2]；在失水狀態(tài)下，膨脹土又會出現(xiàn)明顯的收縮，對于來自外部的荷載應(yīng)力能力下降。在上述兩種情況下，都會增加路堤變形的概率，使得邊坡的穩(wěn)定性受到不同程度的影響，威脅修建于道路周圍的構(gòu)筑物安全[3]。針對此問題，結(jié)合攀西地區(qū)某工程實(shí)際情況，對膨脹土路堤很容易出現(xiàn)豎向隆起或沉降變形的區(qū)域?qū)嵤┯行У目刂拼胧?，就成為極為重要的施工環(huán)境之一，也是保障最終施工質(zhì)量的關(guān)鍵[4]，無論是在經(jīng)濟(jì)價值方面還是在工程建設(shè)方面，都具有重要的實(shí)際意義。特別是該工程周邊高填方所用填土均為膨脹土，且具有區(qū)別于一般膨脹土的缺點(diǎn)。

為此，該文針對膨脹土高填方路堤變形控制及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行了分析研究，并開展了實(shí)際應(yīng)用測試，驗(yàn)證了設(shè)計路堤變形控制技術(shù)的應(yīng)用價值。

1 膨脹土高填方路堤變形控制技術(shù)設(shè)計

1.1 膨脹土路堤變形屬性分析

實(shí)現(xiàn)對膨脹土高填方路堤變形的有效控制，首先需要結(jié)合實(shí)際情況，對具體的控制強(qiáng)度進(jìn)行分析?？梢院唵蔚乩斫鉃椋?dāng)膨脹土路堤變形屬性較弱時，可以適當(dāng)采取較為柔和的控制技術(shù)；相反地，當(dāng)膨脹土路堤變形屬性較強(qiáng)時，可以適當(dāng)采取更加強(qiáng)硬的控制技術(shù)。通過這樣的方式，才能最大限度地有效保障最終采取的路堤變形控制技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對邊坡的穩(wěn)定性。結(jié)合上述理論基礎(chǔ)，該文首先開展了對膨脹土高填方路堤變形屬性的分析研究。

對于膨脹土高填方路堤而言，大多是采用分層壓實(shí)的方式進(jìn)行施工。在具體的施工階段，對應(yīng)的壓實(shí)控制含水率，以及初始干密度均為設(shè)計階段制定的固定參數(shù)，這也為膨脹土高填方路堤變形屬性的分析帶來了極大便利。除此之外，對于膨脹土高填方路堤實(shí)際應(yīng)用階段的應(yīng)力情況進(jìn)行綜合分析，也是關(guān)系到最終路堤變形屬性分析結(jié)果的關(guān)鍵。對于各膨脹土填筑層而言，一方面，其受到來自上覆土層自重、上部結(jié)構(gòu)自重的固定荷載作用；另一方面，其也受到來自列車的不固定荷載作用（考慮為靜載）。但是需要注意的是，膨脹土路堤與大氣環(huán)境之間的濕熱交換不可避免，由此帶來的最直接影響就是路堤含水率會在一定范圍內(nèi)發(fā)生改變，具體的平衡含水率將在6～8年內(nèi)逐漸達(dá)到。但是受膨脹土自身濕脹特性的影響，在此階段發(fā)生膨脹變形是膨脹土路堤發(fā)展的必然趨勢。其中，該文關(guān)于具體的膨脹率計算方式可以表示為：

式中，εi——第i層膨脹土的膨脹率參數(shù)；εm——在無荷載的情況下，對應(yīng)第i層膨脹土的膨脹率參數(shù)；we——第i層膨脹土的平衡含水率；w0——第i層膨脹土的原始含水率參數(shù)；Pi——第i層膨脹土受到的上覆壓力強(qiáng)度參數(shù)；Pm——第i層膨脹土的恒體積膨脹力參數(shù)；G——第i層膨脹土的相對比重參數(shù)；ρ0——第i層膨脹土的初始干密度參數(shù)；n——擬合參數(shù)，為正整數(shù)，取值范圍為[1-10]。

按照上述所示的方式，在實(shí)現(xiàn)對膨潤土平衡含水率達(dá)標(biāo)過程中，可以分析計算具體的膨脹率，那么對應(yīng)的膨脹土路堤變形程度的計算方式可以表示為：

Δ=∑εihi （2）

式中，Δ——膨脹土路堤變形量；hi——第i層膨脹土的厚度參數(shù)。

借助這樣的方式，對膨脹土路堤變形屬性做出準(zhǔn)確分析，可以更好地理解膨脹土的工程性質(zhì)，為后續(xù)的變形控制提供執(zhí)行基礎(chǔ)。

1.2 膨脹土高填方路堤變形控制

在膨脹土高填方路堤的建設(shè)中，對路堤變形的控制至關(guān)重要。結(jié)合1.1部分對膨脹土路堤變形屬性的分析結(jié)果，接下來探討如何有效地控制其變形。該文在開展膨脹土高填方路堤變形控制的過程中，采用水泥攪拌樁對膨潤土高填方工程進(jìn)行處理[5]。其中，水泥攪拌樁的規(guī)格以1.1部分分析得到的膨脹土路堤變形量結(jié)果為基礎(chǔ)，具體的設(shè)置標(biāo)準(zhǔn)如表1所示：

按照表1所示的方式，實(shí)現(xiàn)對水泥攪拌樁規(guī)格的合理設(shè)置。通過分析表1可知，水泥攪拌樁的規(guī)格設(shè)置與膨脹土路堤的變形量有關(guān)，隨著變形量的增加，樁徑、樁距和樁長都有所變化。隨著變形量的增加，水泥攪拌樁的樁徑逐漸增大，從0.5 m增加到3.0 m；樁距逐漸減小，從1.5 m減小到0.5 m；樁長逐漸增加，從7.0 m增加到8.5 m。為了更好地控制變形，采用更大直徑和更長樁長的水泥攪拌樁，同時減小樁距，這種設(shè)置方式可以更好地提高路堤的穩(wěn)定性。

在對水泥攪拌樁的樁位進(jìn)行布局時，該文以膨脹土高填方路堤邊坡所在平面為基礎(chǔ)，按照呈現(xiàn)等邊三角形的方式進(jìn)行布局。其中，具體的布局方式如圖1所示。

在按照圖1所示的方式對水泥攪拌樁進(jìn)行布局時，需要注意的是，保障樁加固材料的強(qiáng)度能夠達(dá)到實(shí)際應(yīng)力條件下的邊坡穩(wěn)定控制需求，也是最小化邊坡變形問題的關(guān)鍵[6]。針對此，該文將42.5級普通硅酸鹽水泥作為具體的施工材料，并在目標(biāo)路堤底部鋪設(shè)鋼塑格柵結(jié)構(gòu)，使其與水泥攪拌樁以組合的形式存在，構(gòu)成樁-網(wǎng)復(fù)合地基結(jié)構(gòu)，最大限度地降低應(yīng)力條件下受膨脹土自身屬性帶來的變形。在對鋼塑格柵的鋪設(shè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行設(shè)置時，該文按照沿路堤縱向每3 m通鋪一層的方式開展具體施工。

按照上述所示的方式，實(shí)現(xiàn)對膨脹土高填方路堤變形的有效控制，最大限度保障其穩(wěn)定性，確保在應(yīng)力狀態(tài)下不會出現(xiàn)大幅度的變形。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 測試環(huán)境

在測試該文設(shè)計的膨脹土高填方路堤變形控制技術(shù)實(shí)際應(yīng)用效果的過程中，以某道路的路基工程為基礎(chǔ)，開展了對比分析。其中，對施工環(huán)境的基本概況進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，對應(yīng)路基的總施工長度為3.125 km；起始位置的里程信息為K0+000，終點(diǎn)位置的里程信息為K3+162。在此基礎(chǔ)上，考慮膨脹土高填方路堤變形控制的主要影響因素為施工環(huán)境的基礎(chǔ)地質(zhì)情況，因此對其進(jìn)行了統(tǒng)計分析。其中，侵蝕丘陵地貌單元為擬建道路路基工程場地的主要特征，在沿線周邊范圍，大多為田地、水塘及林地類型的地質(zhì)。從整體地勢角度對其進(jìn)行觀察可以發(fā)現(xiàn)，其呈現(xiàn)出東低西高的趨勢，對應(yīng)的地質(zhì)構(gòu)造也較為簡單，相關(guān)地震活動整體呈現(xiàn)較弱的特點(diǎn)，因此，可以初步判斷施工區(qū)段的構(gòu)造具有相對穩(wěn)定的屬性。在此基礎(chǔ)上，對擬建場范圍內(nèi)的特殊性巖土構(gòu)成情況進(jìn)行統(tǒng)計，其主要分為雜填土、淤泥、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、泥質(zhì)粉砂巖。為了提高雜填土、軟土的承載力，為工程性質(zhì)提供保障，將膨脹土作為路基填料，對其進(jìn)行填筑治理。其中，不同地質(zhì)構(gòu)成的具體參數(shù)信息如表2所示。

以表2所示的數(shù)據(jù)信息為基礎(chǔ)，分別采用該文設(shè)計的路堤變形控制技術(shù)，以及文獻(xiàn)3和文獻(xiàn)4提出的路堤變形控制技術(shù)開展對比測試。通過分析不同荷載狀態(tài)下的變形情況，對該文設(shè)計技術(shù)的應(yīng)用效果以及變形控制性能做出客觀評價。

2.2 測試結(jié)果與分析

在上述基礎(chǔ)上，對不同控制技術(shù)下邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析時，該文分別在不同測試區(qū)段設(shè)置了10個監(jiān)測點(diǎn)，統(tǒng)計不同荷載條件下的位移均值，具體的測試結(jié)果如表3所示。

結(jié)合表3所示的測試結(jié)果，對三種不同變形控制技術(shù)的應(yīng)用效果進(jìn)行分析可以看出：在文獻(xiàn)3技術(shù)和文獻(xiàn)4技術(shù)下，當(dāng)無列車通過時（荷載強(qiáng)度為0），水平方向和垂直方向上的變形情況基本一致，且穩(wěn)定在較低水平。當(dāng)常規(guī)列車通過時（荷載強(qiáng)度為60.0 kPa），文獻(xiàn)3技術(shù)下測試路基水平方向和垂直方向上的變形程度明顯加大，分別達(dá)到了14.25 mm和59.64 mm；相比之下，文獻(xiàn)4技術(shù)下測試路基水平方向和垂直方向上的變形程度相對較小，分別為10.53 mm和34.71 mm。但是當(dāng)滿載列車通過時（荷載強(qiáng)度為70.0 kPa），文獻(xiàn)4技術(shù)下測試路基水平方向和垂直方向上的變形程度，與常規(guī)列車通過時（荷載強(qiáng)度為60.0 kPa）相比，對應(yīng)的增幅分別達(dá)到了5.69 mm和29.38 mm，穩(wěn)定性明顯較低。在此基礎(chǔ)上，對該文設(shè)計的變形控制技術(shù)的測試結(jié)果進(jìn)行分析，其中，當(dāng)無列車通過時（荷載強(qiáng)度為0），對應(yīng)路基的水平方向和垂直方向變形程度均在1.10 mm以內(nèi)；當(dāng)常規(guī)列車通過時（荷載強(qiáng)度為60.0 kPa），水平方向和垂直方向變形程度均穩(wěn)定在6.0 mm以內(nèi)；當(dāng)滿載列車通過時（荷載強(qiáng)度為70.0 kPa），水平方向變形程度低于對照組10.0 mm以上，垂直方向變形程度低于對照組55.0 mm以上，表明該文設(shè)計的膨脹土高填方路堤變形控制技術(shù)能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語

由于膨脹土具有顯著的吸水膨脹和失水收縮特性，因此在實(shí)際應(yīng)用中，控制其變形和保持邊坡穩(wěn)定性成為一個技術(shù)難題。為了能夠進(jìn)一步保障道路在荷載條件下的穩(wěn)定性，最大限度地降低路基的變形程度，該文對膨脹土高填方路堤變形控制及邊坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析研究，從實(shí)際的角度出發(fā)，充分考慮了膨脹土的屬性特征以及應(yīng)力條件下的變形機(jī)制，設(shè)計了針對性的控制技術(shù)，切實(shí)實(shí)現(xiàn)了提高邊坡穩(wěn)定性的目的。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)荷載強(qiáng)度為0時，對應(yīng)路基的水平方向和垂直方向變形程度均在1.10 mm以內(nèi)；當(dāng)荷載強(qiáng)度為60.0 kPa時，水平方向和垂直方向變形程度均穩(wěn)定在6.0 mm以內(nèi)；當(dāng)荷載強(qiáng)度為70.0 kPa時，水平方向變形程度低于對照組10.0 mm以上，垂直方向變形程度低于對照組55.0 mm以上，該文設(shè)計的膨脹土高填方路堤變形控制技術(shù)能夠有效提高邊坡的穩(wěn)定性。

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