公路工程膨脹土路基設(shè)計(jì)分析

劉陽河

（中國公路工程咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100089）

0 引言

近年來，伴隨我國公路工程不斷快速發(fā)展，路基設(shè)計(jì)中遇到膨脹土的問題日益增多，對公路工程建設(shè)影響很大。因此在公路工程地質(zhì)勘察工作中，需正確識別膨脹土與非膨脹土，并準(zhǔn)確地判斷出膨脹土的脹縮性，有助于公路路基設(shè)計(jì)與地基處理工作，對保障公路路基安全具有重大意義。

1 膨脹土的特性分析

膨脹土具有明顯的漲縮特性，對水較為敏感，吸水膨脹、失水收縮。在膨脹土路基施工中，易由于膨脹土性質(zhì)的特殊性誘發(fā)路基質(zhì)量問題，嚴(yán)重時會影響公路整體的建設(shè)與運(yùn)營效果。為此，首先需明確膨脹土的特性，再采取適宜的應(yīng)對措施，改善膨脹土的不良性質(zhì)。關(guān)于膨脹土的特性，做如下分析：

1.1 強(qiáng)度特性

膨脹土在不同條件下的強(qiáng)度特性存在差異，常規(guī)狀況下抗剪強(qiáng)度高，穩(wěn)定性不足時抗剪強(qiáng)度顯著降低。相關(guān)學(xué)者根據(jù)膨脹土在穩(wěn)定程度不同時期的抗剪強(qiáng)度展開深入研究，提出飽和土強(qiáng)度理論和非飽和土強(qiáng)度理論，兩種理論從不同的角度對膨脹土特性的成因做出闡述。

1.2 吸水膨脹、失水收縮特性

膨脹土含有吸水性礦物，吸水時強(qiáng)度降低，失水時強(qiáng)度提高。膨脹土在含水量偏高或偏低時發(fā)生膨脹或收縮變化，均會影響路基穩(wěn)定性。因此，若解決膨脹土路基的膨脹收縮問題，需探明膨脹土在不同含水量下的特性，再做相應(yīng)的處理?？v觀行業(yè)發(fā)展趨勢，工程技術(shù)人員對膨脹土的吸水膨脹、失水收縮特性予以高度的關(guān)注，持續(xù)組織試驗(yàn)并建立模型，以期通過高效的方式解決路基損壞問題。

2 公路工程路基設(shè)計(jì)中的膨脹土處理方法

根據(jù)上述對膨脹土基本特性的分析，進(jìn)一步探討膨脹土的處理方法，如下：

2.1 石灰改良膨脹土

向膨脹土中加入生石灰是常見的膨脹土改良方法，生石灰的摻入有助于改善土壤的膨脹性能，提高土壤的水穩(wěn)性和強(qiáng)度，經(jīng)過改良后的膨脹土更具穩(wěn)定性。從改良效果來看，石灰改良的方法具有可行性，但對工藝要求較高，例如須精準(zhǔn)控制生石灰的用量。

2.2 土工格柵加筋法改良膨脹土

通過土工格柵加筋法的應(yīng)用，可提升公路路面的整體性和抗剪性，可避免由路基強(qiáng)度不足而誘發(fā)局部下陷、受損等問題。得益于土工格柵的抗拉性能，在膨脹土缺水收縮時可吸收此過程產(chǎn)生的收縮力，避免路基由于受力過強(qiáng)而失穩(wěn)，取得良好的路基防護(hù)效果。土工格柵在緩解公路地面裂紋方面也有突出的作用，若有水分滲入膨脹土，會在一定程度上解決膨脹土吸水膨脹后硬度降低的問題。

2.3 加強(qiáng)路表排水系統(tǒng)的建設(shè)

公路建設(shè)于自然環(huán)境中，降雨、日曬均會對公路帶來侵蝕作用，若存在膨脹土路基，經(jīng)過雨水的滲透，膨脹土吸水膨脹，性能惡化，影響路基的穩(wěn)定性[1]。因此，要建設(shè)排水系統(tǒng)，提高排水效率，避免現(xiàn)場形成積水。施工中，可以考慮在路堤邊坡處修筑路肩排水溝，阻止雨水滲透至公路中，在減弱水侵蝕作用后，保證公路路基的完整性和穩(wěn)定性。同時，公路表面聚積過量雨水時會導(dǎo)致車輛打滑，嚴(yán)重時誘發(fā)交通事故，故加強(qiáng)排水設(shè)施的建設(shè)也具有必要性。公路排水系統(tǒng)的建設(shè)遵循因地制宜的原則，各路段的氣候條件、公路運(yùn)營狀態(tài)存在差異，對應(yīng)的排水系統(tǒng)也需得到優(yōu)化。

2.4 以換填土的方式處理膨脹土

對于公路路基施工中膨脹土的處理，還可考慮換填土的方法，選取的土料應(yīng)具有滲透性，應(yīng)用優(yōu)質(zhì)的土料改善膨脹土的特性。經(jīng)過對膨脹土表面的換填處理后，緩解膨脹土吸水或失水而引發(fā)的脹縮現(xiàn)象，使膨脹土的形態(tài)維持穩(wěn)定，避免公路路基受損[2]。為保證換填土的應(yīng)用效果，需嚴(yán)格按照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)控制換填高度。必要時，在膨脹土上方覆蓋其他的土質(zhì)，用于提高地基的承載性能，此時對膨脹土特性的改良效果得到進(jìn)一步的保障，能夠消除膨脹土對地基造成危害的異常狀況。根據(jù)膨脹土特性、現(xiàn)場施工條件等選擇適宜的換填土料，條件允許時適量填入小石子。為減少換填工作量，換填時遵循因地制宜的原則，根據(jù)現(xiàn)場情況選擇局部換填或是完全換填的方法，并對換填的高度做靈活的調(diào)整。著重考慮對大氣變化較為敏感的膨脹土，經(jīng)過換填后改善地基土質(zhì)條件。經(jīng)驗(yàn)表明，換填法在公路路基膨脹土處理中廣泛應(yīng)用，是一種處理效果好、實(shí)用性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)效益突出的施工方法。

3 膨脹土路基設(shè)計(jì)實(shí)際應(yīng)用

3.1 工程概況

該文以某公路工程為研究對象，總長為94.029 km，處于膨脹土區(qū)域，受溫度、氣候等因素的影響，較易形成膨脹性黏土礦物。據(jù)地勘報(bào)告可以得知，此公路工程約有50%的路段分布有膨脹土，且其中大部分為弱中膨脹土，局部存在強(qiáng)膨脹土。據(jù)初步設(shè)計(jì)，該路段開挖膨脹土至少有120萬m3，路基設(shè)計(jì)仍沿用傳統(tǒng)方案，必然會增加建設(shè)費(fèi)用，并嚴(yán)重破壞周邊沿線生態(tài)環(huán)境。為此，該公路工程重新對路段膨脹土進(jìn)行研究分析，對照新的膨脹土分類指標(biāo)體系，設(shè)計(jì)了新的路基設(shè)計(jì)方案，具體如下。

3.2 膨脹土路基設(shè)計(jì)

3.2.1 路基處置深度

從膨脹土性質(zhì)角度來分析，其脹縮性能會受到多種因素的影響，如：環(huán)境濕度、氣候條件等，表層膨脹土隨著環(huán)境的變化，其脹縮性能也會隨之變化，極易發(fā)生強(qiáng)度衰減狀況，但是深層膨脹土卻受環(huán)境因素的影響程度較小，不會產(chǎn)生大幅度的脹縮變形，具有較高的強(qiáng)度。針對此，該公路工程路基設(shè)計(jì)過程中，必須對路基進(jìn)行合理處理，明確處置深度。挖方與零填路段在確定路基深度時，可根據(jù)相關(guān)規(guī)定進(jìn)行處置，如：選擇膨脹土換填層厚度確定法，主要就是根據(jù)膨脹土路基構(gòu)筑物承載力超出基底單位面積膨脹力確定處置深度，具體公式如下：

式中，h——零填及挖方路段膨脹土地基處置深度（cm）；δep0——膨脹土試驗(yàn)卸荷至零時的膨脹率（%），取7%。

3.2.2 路基坡率

該工程公路膨脹土路基設(shè)計(jì)，并未遵循相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的坡率，而是選擇了變坡率的方法，主要依據(jù)為同類公路工程地質(zhì)比擬積力學(xué)，分析具體見表1。

表1 公路膨脹土邏輯邊坡坡率

靠近平臺路塹內(nèi)側(cè)位置，可以增設(shè)截水溝，尺寸為0.4 m×0.4 m，選材為漿砌石，路堤平臺位置，則可不設(shè)截水溝。此種設(shè)計(jì)方法，不僅能夠充分支撐坡腳，防止邊坡變形，還能夠有效減緩邊坡承受的高邊坡土體壓力，便于維護(hù)邊坡穩(wěn)定性。

3.2.3 排水溝及護(hù)坡道

結(jié)合水力計(jì)算可知，內(nèi)外坡率均為1∶1，且底寬、深度均為0.8 m的倒梯形排水溝能在滿足路基路面排水要求的基礎(chǔ)上降低排水溝內(nèi)水對路基、路床結(jié)構(gòu)的不利影響，所以應(yīng)適當(dāng)加寬、加深膨脹土段排水溝，使溝底達(dá)到路床頂面以下40 cm以上。綜合考慮路塹路床改性處理的具體要求，排水溝內(nèi)水對路床干濕狀態(tài)并無較大影響，所以應(yīng)將排水溝底寬和深度均增大至1.0 m。在坡腳外緣增設(shè)寬度2.0 m的護(hù)坡道，以起到阻止邊坡碎石滾落入排水溝堵塞溝體及減弱溝內(nèi)水對坡腳不利影響的雙重作用。

3.2.4 路基處理

對該文案例工程進(jìn)行地質(zhì)勘查得出，該文工程膨脹土分布位置大氣影響深度范圍約為3.0～5.0 m，大氣急劇影響深度范圍約為1.6 m，受大氣急劇影響，公路工程路基路面就會受到不利影響，出現(xiàn)多種病害問題，如：路基結(jié)構(gòu)變形、邊坡破壞等[3]。針對此，該工程設(shè)計(jì)膨脹土路基與路面結(jié)構(gòu)總厚度時，確定最小值為1.6 m。路堤段處理選擇分層填筑方法，碾壓作業(yè)后會破壞土體結(jié)構(gòu)，但卻能夠保留膨脹土微結(jié)構(gòu)與土質(zhì)特性，同時受膨脹土特性的影響，其膨脹性能會隨含水量變化而不斷增大，因此此環(huán)節(jié)應(yīng)充分考慮路床、上路堤兩方面因素。路塹段處理注意采取有效防水措施，因膨脹土具有固結(jié)性特點(diǎn)，所以此措施實(shí)施后膨脹土結(jié)構(gòu)強(qiáng)度會有所提高?；诖?，該工程路基處理僅考慮加固路床，具體設(shè)計(jì)思路如下：

（1）弱膨脹土路基處理。在弱膨脹土路段，其路面結(jié)構(gòu)層厚度小于0.72 m，路床厚度小于0.8 m，路基高度不超過1.52 m，上路床采用6%石灰土，下路床采用5%石灰土，確保95%以上壓實(shí)度。若路基高度在1.52～2.22 m內(nèi)，那么路床摻灰量與壓實(shí)度均需維持不變。若路床填料CBR值經(jīng)檢驗(yàn)，其強(qiáng)度不符合相關(guān)規(guī)定，那么摻灰量則應(yīng)做出相應(yīng)改變，約4%石灰，壓實(shí)度需超過93%，雖然此解決措施未有效解決路基土膨脹性特點(diǎn)，但能夠有效降低其黏粒和膠粒含量，一定程度上減緩膨脹速度，同時摻灰也便于提高填料CBR值。當(dāng)路基高度大于2.2 m時，可采取上述方法處理路床與上路堤，摻灰比例一致。一般而言，路基作用區(qū)域主要為路面下2.0 m位置，所以僅要求填料強(qiáng)度CBR值不小于3。當(dāng)弱膨脹土含水量處于增大階段，但壓實(shí)度與CBR值符合規(guī)定，故而該公路工程并不對膨脹土下路堤進(jìn)行處理優(yōu)化。該公路膨脹土邊坡土體地處于強(qiáng)風(fēng)化位置，土體出現(xiàn)脹縮效應(yīng)，可能與干濕循環(huán)因素有關(guān)，進(jìn)而破壞了邊坡穩(wěn)定性，所以還應(yīng)對邊坡進(jìn)行有效處理，采用50 cm厚的非膨脹土對其進(jìn)行包邊。下路堤當(dāng)中沒有摻灰處理的邊坡，也應(yīng)進(jìn)行包邊處理，采用6%石灰土，以60 cm垂直厚度進(jìn)行處理。另外，非膨脹包邊土應(yīng)與石灰進(jìn)行同層碾壓處理[4]。

（2）中膨脹土路基處理。中膨脹土路段路面結(jié)構(gòu)層厚度在0.72 m以下、路床厚度在0.8 m以下，路基高度不足1.52 m時，上下路床分別采用8%和7%的石灰土，壓實(shí)度至少達(dá)到95%及以上。當(dāng)路基高度在1.52～2.22 m之間時，路床摻灰量和壓實(shí)度不變，且采用6.5%石灰土處治地面以上70 cm范圍內(nèi)的路堤，壓實(shí)度至少為93%。而路基高度超出2.22 m時，路床和上路堤摻灰量和壓實(shí)度不變，僅從脹縮性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮用采用4%石灰土進(jìn)行膨脹土改性處置，且壓實(shí)度至少為93%。邊坡路面結(jié)構(gòu)層以下采用非膨脹土，按50 cm厚度包邊。

（3）填挖交界處路基處理。對于填挖交界處路基，除應(yīng)按照膨脹土路基高度進(jìn)行常規(guī)性處理外，還應(yīng)在路床范圍內(nèi)增設(shè)三層強(qiáng)度至少60 kN/m、延伸率不超過4%的雙向玻纖土工格柵材料，避免含水量改變導(dǎo)致路基發(fā)生不均勻沉降，保證路基結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。

（4）地下水位影響。地下水位高的路堤段應(yīng)在清表處理后增設(shè)厚度30～50 cm的砂礫石墊層，并按照墊層底面應(yīng)高出邊溝底面至少70 cm的要求加深路段邊溝，便于墊層內(nèi)的水順利排出。墊層以上設(shè)計(jì)主要根據(jù)膨脹土類型及路基設(shè)計(jì)高度具體確定。地下水位高的路塹段應(yīng)按照路床超挖80 cm的要求摻灰處理，并超挖30～50 cm后增設(shè)砂礫石墊層，還應(yīng)在邊溝以下增設(shè)60 cm寬、50 cm深的碎石盲溝，外包反濾土工布，并將內(nèi)徑15 cm的高密度聚乙烯雙壁打孔波紋管增設(shè)在盲溝底部。

3.3 施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)

因膨脹土性質(zhì)較為特殊，若在實(shí)際施工中未選擇恰當(dāng)?shù)奶幚矸椒?，在后續(xù)使用期間必然會出現(xiàn)病害問題[5]。應(yīng)提前了解當(dāng)?shù)貧夂驐l件，避免在雨水多的季節(jié)進(jìn)行施工，且路基填筑環(huán)節(jié)應(yīng)注意保持連續(xù)性，尤其要控制內(nèi)部含水量，確保符合施工標(biāo)準(zhǔn)。在整個施工過程當(dāng)中，路塹邊坡占據(jù)十分重要的地位，需注意遵循自然原則，確保能夠充分滿足施工要求。與此同時，還需采取相應(yīng)支擋措施，注意實(shí)施防水處理，合理設(shè)置排水系統(tǒng)，防止施工過程中出現(xiàn)大量積水，以免影響施工質(zhì)量。

4 結(jié)束語

膨脹土具有較強(qiáng)的脹縮性、超固性等特點(diǎn)，而且受環(huán)境、大氣等因素影響，其含水率會發(fā)生大幅度的變化，進(jìn)而加大工程施工難度。所以，在實(shí)際設(shè)計(jì)公路工程膨脹土路基時，提高對其特性的重視，根據(jù)實(shí)際情況，采取相應(yīng)防水、排水、加固等措施，充分保障路基穩(wěn)定性與安全性，確保公路工程整體質(zhì)量。