戴 欣,趙心源，王 萍

（濟(jì)南市市政工程設(shè)計(jì)研究院（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，山東 濟(jì)南 250101）

0 引言

全世界約40多個(gè)國家和地區(qū)都含有膨脹土，我國膨脹土主要分布在河南、河北、安徽、湖北、四川、廣西、貴州等地。這種土具有脹縮性、超固結(jié)性、裂隙性等特殊工程性質(zhì)，具有遇水膨脹、失水收縮的特性，很容易引起公路路基的收縮和脹裂，破壞路基的整體強(qiáng)度和穩(wěn)定性，造成公路的早期破壞，影響行車安全，并會(huì)造成很大的經(jīng)濟(jì)損失。主要常見的病害有基床翻漿冒泥、路肩鼓脹、路塹側(cè)溝壁擠出等，邊坡淺層滑坍和深層滑動(dòng)的比率也較大，而且具有漸進(jìn)性和長期性的特點(diǎn)。膨脹土的往復(fù)脹縮變形對道路的結(jié)構(gòu)破壞十分嚴(yán)重，且不易修復(fù)[1-6]。本文結(jié)合山東某市政道路病害檢測，發(fā)現(xiàn)路基填料及地基中均含大量膨脹土，且分布不均；通過室內(nèi)檢測分析，確定了膨脹土類型及力學(xué)特性，分析了富水環(huán)境作用下膨脹土膨脹變形的特征，揭示了其對半剛性路面結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)理。本文研究成果的取得對類似工程的設(shè)計(jì)與施工具有較好的指導(dǎo)和借鑒意義。

1 工程概況

該市政道路2010年9月進(jìn)場進(jìn)行路床土方開挖，2011年3—5月進(jìn)入道路結(jié)構(gòu)層的施工，2011年6月基本竣工放開通行。2011年11月開始，道路逐漸出現(xiàn)道路縱向裂縫、道路波浪起伏、檢查井下沉、雨水收水口下沉、立沿石移位等現(xiàn)象。道路病害發(fā)生后，施工單位于2012年6～8月采用路基注漿、設(shè)置止水墻等工程措施對兩側(cè)快車道進(jìn)行了整治。然而自2013年4月又逐漸出現(xiàn)道路不均勻變形，不僅表現(xiàn)為沿道路縱向的波浪起伏，在橫向也出現(xiàn)了明顯的橫縱向裂縫及車轍現(xiàn)象。

因此為了探究該道路病害發(fā)生機(jī)理，對后續(xù)道路維修提供科學(xué)依據(jù)，有必要對路基和地基進(jìn)行鉆孔勘察、路面結(jié)構(gòu)取芯，并對土樣進(jìn)行室內(nèi)測試分析。

2 地質(zhì)勘察及道路取芯

2.1 勘探范圍及方法

根據(jù)道路沉降觀測結(jié)果，主要在道路隆起與沉降嚴(yán)重部位布置27個(gè)點(diǎn)，均為取土孔。取芯分為路床頂面以上（道路結(jié)構(gòu)）和路床頂面以下兩個(gè)部分，路床頂面以上部分包括面層、基層、底基層，路床頂面以下部分包括路床頂面下10 cm、50 cm、90 cm、150 cm、200 cm、300 cm、400 cm、500 cm、700 cm、900 cm；地基中取樣間隔1.0 m[7-8]。同時(shí)為了更直觀地揭示路面結(jié)構(gòu)層病害特征，采取分層開挖的方式對水泥穩(wěn)定碎石基層、二灰穩(wěn)定碎石基層及路床區(qū)進(jìn)行了鉆孔取芯，共開挖9組探坑。

2.2 測試結(jié)果

2.2.1 地基土分布情況

地基土為灰白色、灰黃色強(qiáng)風(fēng)化泥巖、黏土分層疊加分布，厚度變化較大，土層分布不均。泥巖埋藏厚度約在3～5 m，風(fēng)化嚴(yán)重，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，大部分風(fēng)化為碎塊狀，手可掰斷，少量較硬，錘擊即碎。經(jīng)檢測29組土樣，發(fā)現(xiàn)該路段黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥巖具有一定的弱膨脹性，檢測樣本的自由膨脹率一般為0.35～0.46，如圖1和圖2所示。

圖1 地基土

圖2 路基土

2.2.2 路基土情況

根據(jù)取芯情況分析，整條路段路床區(qū)含水量普遍偏高，填料中含有厚度不等的強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r風(fēng)化料。路基土含水率普遍高于最優(yōu)含水率2%～6%，局部路段壓實(shí)度不足，K值介于92%～97%。

2.2.3 路面結(jié)構(gòu)情況

根據(jù)現(xiàn)場取芯（包括26組面層、水穩(wěn)基層、二灰穩(wěn)定碎石基層，共計(jì)78個(gè)試樣）情況分析，重新加鋪后的瀝青面層成型相對較好，共取出5組完整芯樣。如圖3所示，水穩(wěn)基層破碎嚴(yán)重，未能取出完整芯樣，多數(shù)發(fā)生自下而上的反射裂縫。如圖4所示，二灰基層濕度較大，松散嚴(yán)重，無法成型。

圖3 水泥穩(wěn)定碎石基層破損情況

圖4 二灰穩(wěn)定碎石基層破損情況

2.3 道路水環(huán)境調(diào)查

經(jīng)檢測分析，用作路基填料的強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r具有弱膨脹性，該類土若防水措施不當(dāng)，極易引發(fā)路基膨脹變形，造成路面結(jié)構(gòu)因底部臌脹而發(fā)生破壞[9-11]。因此開展了道路水環(huán)境調(diào)查。

如圖5所示，該道路排水設(shè)計(jì)呈W形，快車道匯水集中；道路紅線外綠化帶寬、標(biāo)高高于快車道，且未見設(shè)置截水溝，該區(qū)域降水亦匯至快車道，一旦出現(xiàn)淤塞即容易發(fā)生道路積水，積水將通過立沿石側(cè)壁等途徑入滲至路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)；中央綠化帶未做有效防水措施，灌溉水會(huì)入滲至路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)。這些原因都可能會(huì)造成二灰基層及路基含水量增大，從而引起結(jié)構(gòu)層水損壞及路床區(qū)壓實(shí)風(fēng)化料的膨脹變形，造成路面鼓脹、雨水井井壁豎向拉裂。

圖5 客水來源及排水設(shè)施破損情況調(diào)查

為了更進(jìn)一步揭示路基土膨脹變形對路面結(jié)構(gòu)的影響，本文重點(diǎn)針對膨脹土的特殊力學(xué)特性進(jìn)行了檢測分析，開展了土體自由膨脹率、膨脹力、有荷載膨脹量等試驗(yàn)。

3 膨脹土物理力學(xué)試驗(yàn)

3.1 無荷載條件下土體膨脹量試驗(yàn)

為了分析路基土遇水膨脹性，在擊實(shí)筒中進(jìn)行壓實(shí)填土，壓實(shí)度分別按照85%、90%、95%控制，并將含水量按照2%的增長比例進(jìn)行注水試驗(yàn)，測試土體表面變形量。

如圖6和表1所示，強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r遇水后發(fā)生了明顯的膨脹變形，壓實(shí)度越高、含水量越大，膨脹變形量越大。同時(shí)，膨脹量與時(shí)間還存在著密切關(guān)系，即在同樣的含水量條件下，隨著時(shí)間的延長，膨脹量會(huì)進(jìn)一步增大。這表明，路床區(qū)頂部膨脹性土壓實(shí)度最高，對路面結(jié)構(gòu)的破損貢獻(xiàn)率應(yīng)最大。

圖6 土體遇水膨脹試驗(yàn)

表1 強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r遇水變形膨脹率試驗(yàn)結(jié)果

3.2 有荷載條件下土體膨脹量試驗(yàn)

為模擬不同覆蓋壓力條件下壓實(shí)土體有側(cè)限膨脹量，設(shè)計(jì)了有荷載膨脹量試驗(yàn)。對強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r進(jìn)行壓實(shí)，壓實(shí)度控制在95%，初始含水率控制在17%，最大干密度為1.85 g/cm3。

如圖7所示，在上覆荷載作用下，土體遇水產(chǎn)生一定膨脹量，隨上覆荷載的增大，膨脹量降低，說明增加上覆荷載可以起到減小膨脹變形的作用。

3.3 壓實(shí)土體膨脹力試驗(yàn)

為了分析加鋪路面結(jié)構(gòu)的效果，有必要確定壓實(shí)土的膨脹力值。對強(qiáng)風(fēng)化泥灰?guī)r進(jìn)行了壓實(shí)，壓實(shí)度控制為85%、90%、95%，分析其遇水后的膨脹力。

圖7 有荷載膨脹量試驗(yàn)結(jié)果

由圖8和表2可知，路床區(qū)的土體膨脹力明顯大于下部路堤和地基土膨脹力，且其值達(dá)到300 kPa以上，該值相當(dāng)于1.3～1.5 m的路面結(jié)構(gòu)自重，但現(xiàn)狀路面結(jié)構(gòu)厚度為80 cm，因此不能抑制路基膨脹變形。

圖8 土體膨脹力試驗(yàn)

表2 土體膨脹力試驗(yàn)結(jié)果

4 膨脹土路基變形對半剛性路面結(jié)構(gòu)受力特性及變形的影響

為揭示膨脹土遇水后產(chǎn)生的膨脹力對道路結(jié)構(gòu)受力特性的影響，使用BISAR程序進(jìn)行力學(xué)分析。

4.1 計(jì)算參數(shù)選取

參數(shù)取值見表3。

表3 道路結(jié)構(gòu)層計(jì)算參數(shù)取值表

4.2 不同膨脹力對路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

由圖9可知，二灰穩(wěn)定碎石基層彎拉應(yīng)力與膨脹力及二灰基層強(qiáng)度均有顯著的線性關(guān)系，膨脹力越大，基層彎拉應(yīng)力越大，且遠(yuǎn)大于二灰基層容許彎拉應(yīng)力；基層模量越高，彎拉應(yīng)力值越大，容易發(fā)生基層的彎拉破壞。當(dāng)結(jié)構(gòu)層發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞后，路表水極易下滲至基層中，同時(shí)疊加行車動(dòng)荷載作用，引發(fā)道路結(jié)構(gòu)發(fā)生嚴(yán)重的水損壞，造成基層細(xì)集料被動(dòng)水壓力沖走，結(jié)構(gòu)發(fā)生松散。

圖9 不同二灰穩(wěn)定碎石基層強(qiáng)度條件下膨脹力與彎拉應(yīng)力關(guān)系

4.3 不同膨脹力對路基變形的影響

由圖10可知，隨著路基土膨脹力的增大，路表位移近似呈線性關(guān)系增長，膨脹力從0.1 MPa增加到0.5 MPa，其位移增幅為500%，從而揭示出該道路膨脹不均勻變形嚴(yán)重的發(fā)生機(jī)理。

圖10 路基土膨脹力-路表位移關(guān)系

5 結(jié)語

本文結(jié)合某市政道路病害檢測，研究了膨脹土力學(xué)特性，分析了膨脹土路基浸水后對路面結(jié)構(gòu)及道路變形的影響機(jī)理。根據(jù)研究成果，提出如下結(jié)論：

（1）土體膨脹量與土體壓實(shí)度、含水率和時(shí)間有關(guān)。一般來說，含水率相同時(shí)，壓實(shí)度越大，膨脹變形量越大；壓實(shí)度相同時(shí)，含水率越大，膨脹變形越大；在同樣的含水率條件下，隨著時(shí)間的延長，膨脹量會(huì)進(jìn)一步增大。

（2）根據(jù)有荷載膨脹量試驗(yàn)可知，膨脹量與上覆荷載有關(guān)。隨上覆荷載的增大，膨脹量有所降低。測試表明，該類膨脹土的膨脹力隨壓實(shí)度變化較大，路床區(qū)土體膨脹力高達(dá)300 kPa以上，因此對于該類弱膨脹性土，若通過增厚路面層厚度控制膨脹變形較難實(shí)現(xiàn)。

（3）路床膨脹力與路面結(jié)構(gòu)受力基本呈線性正相關(guān)關(guān)系，隨著膨脹力的增大，路面結(jié)構(gòu)受力相應(yīng)增大。對于本工程對應(yīng)膨脹力，基層極易發(fā)生結(jié)構(gòu)性破壞。

（4）隨著路基土膨脹力的增大，路表位移近似呈線性關(guān)系增長。因路基填料膨脹土分布不均，計(jì)算表明，膨脹力從0.1 MPa增加到0.5 MPa，其位移增幅可達(dá)500%，從而揭示出該道路膨脹不均勻變形嚴(yán)重的發(fā)生機(jī)理。

（5）外界水入滲是造成膨脹病害發(fā)生的直接誘因，其作用機(jī)理分為三個(gè)階段：浸入路基引發(fā)土體膨脹、入滲至路面結(jié)構(gòu)層內(nèi)引發(fā)動(dòng)水壓力加速道路破損、造成排水設(shè)施損壞引發(fā)路基及基層灌入大量雨水。

參考文獻(xiàn)：

[1]Petry T M,Little D N. Review of Stabilization of Clays and Expansive Soils in Pavements and Lightly Loaded Structures—History,Practice,and Future [J].Journal of Materials in Civil Engineering，2002，14（6）:447-460.

[2]石名磊,滕玉明.膨脹土處置的工程應(yīng)用[J].公路交通科技,2006（7）：4-8.

[3]葉書麟,葉觀寶.地基處理[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2003.

[4]Oswald R H.Special Issue on Construction on Expansive Soils [J].Journal of Performance of Constructed Facilities,2011,25（1）:2-3.

[5]Dixon J B,Schulze D G.Soil Mineralogy with Environmental Applic-ations[M].Madison:Soil Sci Soc Am,2002.

[6]韓華強(qiáng),陳生水.膨脹土的強(qiáng)度和變形特性研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2004,26（3）:422-424.

[7]C JJ 1—2008,城鎮(zhèn)道路工程施工與質(zhì)量驗(yàn)收規(guī)范[S].

[8]C JJ 194—2013,城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[9]朱建強(qiáng).水分對膨脹土膨脹變形與膨脹壓力的影響研究[J].湖北農(nóng)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,19（1）：59-61.

[10]Omer E,Zhang K X.Upheaval Deformations of Ground Induced by Expansive Soils and Application to Site Assessment [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering，2004,26（3）:412-415.

[11]盧再華.原狀膨脹土的強(qiáng)度變形特征及其本構(gòu)特征研究[J].巖土力學(xué),2001,22（3）:339-342.