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(jié)、易風(fēng)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(zhì)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(yīng)重視對膨脹土工程性質(zhì)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(zhì)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(dǎo)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(jié)構(gòu)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(dǎo)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(fù)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(dǎo)致土體強度不斷下降。

2.2 遇水崩解

浸水后的膨脹土?xí)l(fā)生體積膨脹，如果側(cè)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(dǎo)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(guān)，強膨脹土在浸水幾分鐘后就幾乎崩解完畢，其導(dǎo)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(dǎo)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(nèi)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(guān)系，反復(fù)的失水干縮和吸水膨脹，破壞了土體的完整性，導(dǎo)致土體結(jié)構(gòu)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(yīng)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(jié)

超固結(jié)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(jié)度、較小空隙率和較大的干密度，從而其初始結(jié)構(gòu)強度較高。但在路基開挖后，膨脹土土體常產(chǎn)生超固結(jié)力的釋放，在路基邊坡、頂面或內(nèi)部出現(xiàn)卸載膨脹，導(dǎo)致形成應(yīng)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(jié)性被認為是導(dǎo)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(fēng)化

在溫度、濕度等氣候因素的作用下，膨脹土極易遭受風(fēng)化破壞。在風(fēng)化作用下，膨脹土的土體結(jié)構(gòu)很快遭到破壞，導(dǎo)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(dǎo)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(jié)性帶給膨脹土極高的初期強度，但在脹縮效應(yīng)和風(fēng)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(jié)構(gòu)和狀態(tài)、土體的物質(zhì)組成、脹縮效應(yīng)的大小以及風(fēng)化作用的強弱。膨脹土強度衰減的主要原因是土體的反復(fù)干縮濕脹和長期的風(fēng)化作用，其直接后果則導(dǎo)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(nèi)摩擦角，有效降低土體反復(fù)干縮濕脹和減小風(fēng)化對其的作用，改善膨脹土的工程性質(zhì)，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(shè)砂、碎石墊層的方法來減小膨脹土引起的危害。

3.3 土質(zhì)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(zhì)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(zhì)改良方法。石灰與土發(fā)生一系列的物理、化學(xué)作用，主要包括離子交換作用、結(jié)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(zhì)發(fā)生根本改變，大大提高強度和穩(wěn)定性。土質(zhì)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(dǎo)致膨脹土反復(fù)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(fēng)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(cè)增設(shè)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(yīng)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(nèi)的封面土層上鋪設(shè)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(gòu)件的邊坡圍護結(jié)構(gòu)技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于基坑圍護工程中。此護坡技術(shù)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(nèi)，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(fù)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(yù)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(shù)施工工藝較為復(fù)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(cè)增設(shè)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(cè)坡腳侵入，而導(dǎo)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(cè)增設(shè)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(shè)在路基兩側(cè)的地面以下。該法施工工藝簡單，常用于路基兩側(cè)有地下水或地面水侵入的路段。

3.5 加固路基

(1)設(shè)置抗滑樁。在某些不良工程地質(zhì)或水文地質(zhì)的路段，膨脹土路基易發(fā)生滑坡等災(zāi)害，導(dǎo)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(yù)制抗滑樁對路基邊坡一側(cè)或兩側(cè)進行加固，抗滑樁常采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，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(shè)冠梁和橫向支撐等多種結(jié)構(gòu)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(shè)置擋土墻。擋土墻能承受側(cè)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(zhì)導(dǎo)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?xí)_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(shè)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(dǎo)致了擋墻設(shè)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(shè)計時應(yīng)引起注意的。

4 總結(jié)

因此，在公路建設(shè)和養(yǎng)護中，應(yīng)重視對膨脹土工程性質(zhì)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(zhì)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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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。