淺析膨脹土的工程缺陷及其處治措施

蔣 勇

(重慶市公路工程(集團)股份有限公司)

淺析膨脹土的工程缺陷及其處治措施

蔣 勇

(重慶市公路工程(集團)股份有限公司)

介紹了膨脹土作為路基土的干縮濕脹、遇水崩解、多裂隙、超固結、易風化和強度衰減等工程缺陷，解釋了膨脹土路基發(fā)生沉陷、開裂、邊坡溜方、滑坡等病害的原因，并敘述了夯實法、換土法、土質改良法、保濕防滲法、加固路基等工程處治措施及其適用性。

膨脹土;路基病害;處治措施

1 引言

膨脹土在我國的珠江、長江和黃河的中下游及淮河、海河流域的廣大平原、盆地、河流階地和平緩丘陵地帶都有集中分布。在這些地區(qū)采用膨脹土進行路基填筑，應重視對膨脹土工程性質的了解，采取適當?shù)墓こ檀胧┻M行處治，以提高路基穩(wěn)定性，避免沉陷、開裂、邊坡溜方、滑坡等常見的膨脹土路基病害，確保路基工程質量。

2 膨脹土的工程缺陷

2.1 干縮濕脹

一方面，用于填筑路基的膨脹土如果吸水將產(chǎn)生體積膨脹，從而導致路面隆起變形等病害，就算膨脹受到限制未引起路基變形，但也會產(chǎn)生較大的向外膨脹力作用在路基、路面及支擋結構上。另一方面，它如果失去水分則將產(chǎn)生體積收縮和干縮開裂，進而導致路基沉陷、路面下沉和路面開裂等病害。另外，與一般粘性土的脹縮不同，膨脹土在反復干縮濕脹的情況下，其土體的有效凝聚力會逐漸降低，從而導致土體強度不斷下降。

2.2 遇水崩解

浸水后的膨脹土會發(fā)生體積膨脹，如果側向不加以限制土體就會不斷產(chǎn)生吸水濕化，并逐漸崩解，導致發(fā)生路基崩塌、滑坡等病害。膨脹土遇水崩解的速度與膨脹土類型有關，強膨脹土在浸水幾分鐘后就幾乎崩解完畢，其導致的路基病害會很快發(fā)生、破壞力較大。弱膨脹土在浸水后的崩解則需要經(jīng)過幾個月甚更長時間，且一般不會發(fā)生完全崩解，其導致的路基病害較輕，發(fā)生時間也較晚。中膨脹土遇水崩解的速度和危害則介于兩者之間。

2.3 多裂隙

膨脹土是多裂隙的土體，其內部存在大量垂直、水平或斜交的裂隙。裂隙的產(chǎn)生與膨脹土的干縮濕脹特性有著密切的關系，反復的失水干縮和吸水膨脹，破壞了土體的完整性，導致土體結構松散，產(chǎn)生出大量的裂隙。這些裂隙把土體分割成了許多不同幾何形狀的塊體，如棱錐體、棱臺體或短柱體等，進一步使土體的完整性遭到了破壞，降低了土體的粘聚力和強度。另外，裂隙的存在還在土體中產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象，加劇了土體的破壞。發(fā)生在膨脹土路基中的邊坡溜方、滑坡等病害，主要是因為土中的裂隙不斷發(fā)展并逐漸形成軟弱滑動面并在雨水作用下發(fā)生的。

2.4 超固結

超固結性是膨脹土的一個重要特性，膨脹土在開挖前常常具有較高的固結度、較小空隙率和較大的干密度，從而其初始結構強度較高。但在路基開挖后，膨脹土土體常產(chǎn)生超固結力的釋放，在路基邊坡、頂面或內部出現(xiàn)卸載膨脹，導致形成應力集中區(qū)和塑性區(qū)，從而發(fā)展為邊坡破壞或路基沉陷。因此，膨脹土的超固結性被認為是導致路基邊坡漸進性破壞的一個重要原因，越來越受到工程界的重視。

2.5 易風化

在溫度、濕度等氣候因素的作用下，膨脹土極易遭受風化破壞。在風化作用下，膨脹土的土體結構很快遭到破壞，導致土體強度降低，從而發(fā)生剝落、碎裂和泥化等現(xiàn)象，并逐漸導致各種路基病害的形成。

2.6 強度衰減

有研究表明，膨脹土具有明顯的變動強度，其強度的最大值為極高的初期強度，其強度的最小值則為極低的殘余強度。超固結性帶給膨脹土極高的初期強度，但在脹縮效應和風化的不斷作用下，土體的強度出現(xiàn)大幅度衰減，直至極低的殘余強度。在這一強度衰減的過程中，影響其強度變化的速度和幅度的因素主要有土體的結構和狀態(tài)、土體的物質組成、脹縮效應的大小以及風化作用的強弱。膨脹土強度衰減的主要原因是土體的反復干縮濕脹和長期的風化作用，其直接后果則導致了膨脹土體的破壞和一系列的路基病害。

3 常用的處治措施

3.1 夯實法

夯實膨脹土對抑制膨脹變形有很好效果。擊實能有效增大膨脹土的干密度并減小土的含水量，從而提高其凝聚力和內摩擦角，有效降低土體反復干縮濕脹和減小風化對其的作用，改善膨脹土的工程性質，增大膨脹土路基的承載力。對于小范圍的膨脹土路基，夯實法簡單有效，成本較低。但對于大范圍的膨脹土路基處理，夯實法則耗時費力，成本較高。

3.2 換土法

將膨脹土挖除，采用普通土、灰土或砂礫來進行置換。這種方法在膨脹土層分布較薄地區(qū)的路段較為適用，施工簡單、造價不高又能起到徹底根治病害的作用。但對于膨脹土層較厚地區(qū)的路段，全部進行換填則不太現(xiàn)實，可采用部分挖除并鋪設砂、碎石墊層的方法來減小膨脹土引起的危害。

3.3 土質改良法

將一定比例的石灰、礦渣、粉煤灰、砂礫石、水泥或其混合物摻入膨脹土中能起到有效改善膨脹土的工程性質的作用。采用膨脹土作為路基填料時，摻入石灰是最常用的土質改良方法。石灰與土發(fā)生一系列的物理、化學作用，主要包括離子交換作用、結晶硬化作用、火山灰作用和碳酸化作用。石灰的固化作用能有效降低膨脹土的脹縮性，使土的性質發(fā)生根本改變，大大提高強度和穩(wěn)定性。土質改良法工藝簡單、施工快速，但處治成本較高的，一般適用于填土高度不大的路堤。

3.4 保濕防滲法

由于水分對膨脹土影響巨大，路基中的水分變化會導致膨脹土反復的吸水膨脹和失水收縮，降低土體的強度。因此，可以通過保持膨脹土路基的水分不變來抑制其脹縮變形。具體來說，就是采取有效的保濕防滲手段，防止路基邊坡和路肩土體發(fā)生吸水膨脹、失水收縮、表層風化、強度衰減等現(xiàn)象。常用的工程措施有路基坡面和路肩的表層防水、土釘錨桿護坡和路基兩側增設隔水墻等。

(1)路基坡面和路肩的表層防水。①在路基坡面和路肩采用二灰土或三合土進行封面處治，封面土層的厚度一般可采用0.2～0.3 m。②采用土工合成材料對坡面和路肩的表層進行封面處治，并于其上采用0.1 m粘土夯實。③包蓋邊處治，用符合要求的非膨脹土對膨脹土堤進行包圍填筑，分層填筑并壓實，包蓋邊厚度一般應大于1.5 m。④采用石砌菱形或拱形骨架進行護坡，為防水分滲入，菱形或拱形骨架中間一般采用二灰土或三合土進行封閉處治，封閉土層的厚度可根據(jù)骨架尺寸大小采用0.2～0.3 m，為防止水分對封面的沖刷，還可在骨架內的封面土層上鋪設草皮。⑤采用厚0.25～0.3 m漿砌片石封面。采用上述封閉措施，對坡面或路肩進行表層防水，施工簡單、效果良好，經(jīng)濟適用。

(2)土釘錨桿護坡。土釘錨桿護坡是一種以土釘作為主要受力構件的邊坡圍護結構技術，它廣泛應用于基坑圍護工程中。此護坡技術利用土釘錨桿和坡面鋼筋網(wǎng)架筋的共同作用對坡面起到“框箍”作用。一方面，土釘墻有明顯的保濕防滲作用，能使坡面土的含水率、干重度保持在一定范圍內，從而有效防止土體膨脹力，抑制濕脹變形。另一方面，土釘錨桿能起到強度補償作用，盡管土體的抗剪強度因其反復的干縮濕脹現(xiàn)象而不斷降低，但在土釘錨桿的作用下，坡面受到了鋼筋網(wǎng)架施加的預壓力，從而使土體強度有效增加，提高了邊坡土體的穩(wěn)定性。當然，這種護坡技術施工工藝較為復雜、造價也較高，一般可用于具有高大路基邊坡且其潛在膨脹性較強的局部路段。

(3)路基兩側增設隔水墻。一般來說，路基坡面和路肩的表層防水較好的路基，阻斷了天然降雨進入路基的途徑，防止了膨脹土因雨水滲透浸入而產(chǎn)生的膨脹。但是，水分還可能通過地面積水或地下水沿路基邊坡兩側坡腳侵入，而導致膨脹土路基的膨脹破壞。對此，工程實際中常采取在路基兩側增設一道至多道隔水墻或止水帷幕的方法，阻止地面積水或地下水的侵入，提高膨脹土路基的穩(wěn)定性。隔水墻寬度一般為0.5 m左右，厚度一般為1.5 m左右，材料采用石灰土、二灰土或三合土，夯實后鋪設在路基兩側的地面以下。該法施工工藝簡單，常用于路基兩側有地下水或地面水侵入的路段。

3.5 加固路基

(1)設置抗滑樁。在某些不良工程地質或水文地質的路段，膨脹土路基易發(fā)生滑坡等災害，導致道路破壞、行車中斷，甚至帶來人員傷害。為了防止此類事故的發(fā)生，宜采用單排或雙排預制抗滑樁對路基邊坡一側或兩側進行加固，抗滑樁常采用鋼筋混凝土結構，樁徑一般為0.5～1.5 m，樁間距一般為3～5 m，樁體間常加設冠梁和橫向支撐等多種結構以提高抗滑樁的整體強度，確保路基的整體和抗滑穩(wěn)定。

(2)設置擋土墻。擋土墻能承受側向土壓力，防止土體坍滑，起到增加膨脹土路基的邊坡穩(wěn)定、減小填方和節(jié)約道路用地的作用。值得注意的是，膨脹土地區(qū)擋土墻常發(fā)生墻體上部的剪切破壞，這正是膨脹土遇水膨脹這一工程性質導致的。有研究表明:膨脹土遇水后產(chǎn)生的膨脹壓力最大值甚至會達到庫侖土壓力的20%左右，其在擋墻上的分布范圍常為墻高上部2 m左右。此部分墻體除了要承受一般土壓力的作用，還要承受土體膨脹壓力的作用，而在擋墻設計中往往只考慮了一般土壓力的作用，而沒考慮膨脹力的作用，導致了擋墻設計強度不夠而被破壞，這是在膨脹土地區(qū)進行路基擋土墻設計時應引起注意的。

4 總結

因此，在公路建設和養(yǎng)護中，應重視對膨脹土工程性質的了解，并根據(jù)所處地區(qū)的實際情況，遵循安全、適用、經(jīng)濟、施工便利等原則，在夯實法、換土法、土質改良法、保濕防滲法、加固路基等方法中選取一種或多種進行處治，確保路基的安全和穩(wěn)定。

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［3］李生林.中國膨脹土工程地質研究［M］.南京:江蘇科學技術出版社，1992.

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U416.1

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1008-3383(2012)12-0035-02

2011-11-11

蔣勇(1974-)，男，工程師，研究方向:土木工程。