蘇 偉

(中南林業(yè)科技大學(xué) 土木工程與力學(xué)學(xué)院，湖南 長沙 410004)

膨脹土是一種由親水性礦物蒙脫石、伊利石組成的特殊性土，具有顯著的吸水膨脹軟化、失水收縮干裂的脹縮特性[1-3]。膨脹土對周圍環(huán)境的濕熱變化敏感，其穩(wěn)定性、強(qiáng)度受含水率的影響大。道路工程中常因膨脹土處治不當(dāng)引發(fā)多種不良破壞形式，如路堤局部坍塌、隆起或裂隙；路堤邊坡表層沖溝、流泥、滑坡；路面出現(xiàn)波浪變形、坑槽等工程問題，且這些破壞具有漸進(jìn)性、長期性、難以修復(fù)性等[4-7]。

工程中為保證膨脹土免受外界氣候環(huán)境的影響通常采用封閉包邊法進(jìn)行處治，即采用非膨脹土將膨脹土包芯于內(nèi)部，避免膨脹土受外界氣候環(huán)境的影響，保持含水率可控狀態(tài)下膨脹土的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，因此確定合理的包邊厚度成為研究的關(guān)鍵所在[3]。關(guān)于膨脹土包邊厚度的確定方法有很多，楊和平等[3]通過實(shí)體工程土體的含水率及位移的變化確定合理的包邊厚度，雖然這種方法結(jié)果可靠，但是持續(xù)時(shí)間長，而且只能反應(yīng)觀測年的情況；余飛等[4]建議在大氣影響深度的基礎(chǔ)上以膨脹力與零膨脹率的相關(guān)性來確定處治深度，這種方法比較準(zhǔn)確，但是沒有考慮長期干濕循環(huán)下裂隙深度的影響；何漓江等[8]采用力學(xué)分析方法也得到一個(gè)包邊寬度，計(jì)算結(jié)果十分可靠，但計(jì)算過程中膨脹土的力學(xué)計(jì)算參數(shù)較難確定，而且沒有充分考慮氣候環(huán)境的影響。

益婁高速公路采用石灰改良膨脹土的包邊法進(jìn)行處治，為確定合理的包邊厚度、保證理想的處治效果，在參考大量文獻(xiàn)的基礎(chǔ)上，鑒于包邊的目的是保證內(nèi)部膨脹土避免受外界氣候的影響，本人認(rèn)為應(yīng)綜合考慮益婁高速公路當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的影響、干濕循環(huán)下裂隙的影響深度等因素，確定包邊厚度，以充分保證包芯于內(nèi)部膨脹土工程特性的穩(wěn)定。

1 工程概況

益婁高速公路從2標(biāo)～5標(biāo)，以及12標(biāo)段之間斷續(xù)分布有厚薄不等的、具有弱到中等膨脹性的膨脹土。膨脹土主要分布在K9+500～K25+300、K26+692～K39+000、K41+600～K41+750、K93+600～K96+280等路段，且多為挖方，總計(jì)約71.8萬 m3。

益婁高速公路途經(jīng)地區(qū)多為山地丘陵，主要以紅壤為主，其次還有黃壤、黃褐土等。境內(nèi)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)濕潤氣候，陽光充足，雨量充沛。年平均氣溫16.0～17.3 ℃，日照1 348～1 772 h，無霜期263～276 d，降雨量1 230～1 700 mm。由于雨水偏多，土壤較為濕重。

2 大氣影響深度的確定

2.1 大氣影響深度確定的依據(jù)

大氣影響深度是指在自然氣候環(huán)境的影響下，由降水、蒸發(fā)和溫度等因素引起地基土脹縮變形的有效深度，大氣影響急劇層深度是指0.45倍的大氣影響深度，根據(jù)《膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定，大氣影響深度應(yīng)由所在氣候區(qū)土的深層變形觀測或含水量觀測及地溫觀測資料確定；無資料時(shí)，可根據(jù)土的濕潤系數(shù)確定大氣影響深度[9]。

2.2 氣候觀測臺站的選擇

益婁高速公路無土的深層變形觀測、含水量觀測及地溫觀測資料，也無準(zhǔn)確的依據(jù)當(dāng)?shù)?0年以上土的含水量變化確定土的濕潤系數(shù)。鑒于此，為確定益婁高速公路的大氣影響深度，應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)貧夂蛴^測站臺調(diào)取近年來降雨量、蒸發(fā)量、氣溫、濕度值等資料，以此確定當(dāng)?shù)赝馏w的大氣影響深度。從中國氣象局氣象數(shù)據(jù)中心可獲取益陽(沅江臺站57671)、婁底(臺站57763)的降雨量、氣溫、濕度值等資料，但無法獲取益陽、婁底的蒸發(fā)量資料；而周邊城市長沙、常德、永州的蒸發(fā)量資料可獲取，根據(jù)益婁高速公路的延伸方向及周邊3個(gè)臺站的位置，為使蒸發(fā)量更好地反應(yīng)益婁高速公路的實(shí)際蒸發(fā)量，選取長沙臺站57687、常德臺站57662、永州臺站57866進(jìn)行綜合確定更具有合理性。具體益婁高速公路的延伸方向及3個(gè)臺站的位置，如圖1所示。

圖1 益婁高速公路的延伸方向及3個(gè)臺站的位置

2.3 臺站的氣象觀測資料

氣象臺站數(shù)據(jù)是根據(jù)《氣候資料統(tǒng)計(jì)整編方法(1981—2010)(發(fā)布版)》及《地面氣象觀測規(guī)范》有關(guān)規(guī)定，進(jìn)行整編統(tǒng)計(jì)而得。數(shù)據(jù)內(nèi)容包括累年、月、日氣溫、降水、蒸發(fā)、地面溫度、日照等要素的數(shù)據(jù)。為確定益婁高速公路的大氣影響深度，根據(jù)工程氣象資料數(shù)據(jù)所需，選擇長沙臺站57687、常德臺站57662、永州臺站57866中的蒸發(fā)量資料及益陽(沅江臺站57671)、婁底(臺站57763)的降雨量、氣溫、濕度值等資料。具體資料數(shù)據(jù)如表1、表2、表3、表4所示。

2.4 土的濕度系數(shù)計(jì)算

土的濕度系數(shù)應(yīng)根據(jù)當(dāng)?shù)?0年以上土的含水量變化確定，無資料時(shí)，可根據(jù)當(dāng)?shù)赜嘘P(guān)氣象資料進(jìn)行計(jì)算[9]。出于安全考慮，益婁高速公路平均月氣溫、平均月降雨量采用益陽和婁底2個(gè)臺站30年統(tǒng)計(jì)資料的最大值；平均月蒸發(fā)量采用長沙、常德、永州3個(gè)臺站的平均值。如表5所示。

表1 周邊城市3個(gè)站臺30年累年平均月蒸發(fā)量統(tǒng)計(jì)表

表2 益陽、婁底2個(gè)站臺30年平均月降水量統(tǒng)計(jì)表

表3 益陽、婁底2個(gè)站臺30年平均月氣溫統(tǒng)計(jì)表

表4 益陽、婁底2個(gè)站臺30年平均月濕度值統(tǒng)計(jì)表

表5 益婁高速公路平均月氣溫、平均月蒸發(fā)量、平均月降雨量統(tǒng)計(jì)表

濕度系數(shù)計(jì)算公式為 ψω= 1.152 - 0.726α - 0.001 07c ，式中：α為當(dāng)?shù)?月至次年2月的月份蒸發(fā)力之和與全年蒸發(fā)力之比值；c為全年中干燥度大于1.0且月平均氣溫大于0°月份的蒸發(fā)力與降水量差值之總和，干燥度為蒸發(fā)力與降水量之比值。

2.5 大氣影響深度

經(jīng)計(jì)算確定益婁高速公路膨脹土的濕度系數(shù)為0.88，根據(jù)膨脹土地區(qū)建筑技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定：土的濕潤系數(shù)0.8、0.9，對應(yīng)大氣影響深度分別為3.5m、3.0 m[9]。故益婁高速公路的大氣影響深度為3.0 m，大氣影響急劇層深度為1.4 m。

3 干濕循環(huán)影響下裂隙深度的確定

3.1 裂隙深度確定的意義

氣候環(huán)境作用下改良膨脹土受到干濕循環(huán)的作用，最直觀的結(jié)果就是導(dǎo)致土體表面出現(xiàn)裂隙，而裂隙又會在反復(fù)干濕循環(huán)作用下不斷變寬變深，進(jìn)一步加劇氣候環(huán)境對改良土體的影響[10-11]。然而裂隙的影響不是持續(xù)惡化的，劉清清等[5]認(rèn)為改良膨脹土的裂隙率隨干濕循環(huán)作用次數(shù)的增加而增加，最終趨于一種穩(wěn)定狀態(tài)。劉澤俊等[12]認(rèn)為改良膨脹土隨浸水時(shí)間的增長表面的松散度、裂隙率不再顯著增加。鑒于此，在確定包邊厚度時(shí)應(yīng)充分考慮干濕循環(huán)作用下影響，確定穩(wěn)定后的最大裂隙深度，避免包邊厚度因裂隙深度的開展無法達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

3.2 試驗(yàn)分析裂隙發(fā)育的程度

本文采用室內(nèi)試驗(yàn)?zāi)M工程場外氣候環(huán)境，采用“插鋼絲”法測量改良膨脹土裂隙的深度[13]。以室內(nèi)試驗(yàn)測量的裂隙深度為基礎(chǔ)，探討大氣影響深度下的裂隙深度。

根據(jù)《公路土工試驗(yàn)規(guī)程》的標(biāo)準(zhǔn)，試件采用內(nèi)徑尺寸為10 cm，高度為12.7 cm的結(jié)實(shí)桶，壓實(shí)度控制在96%附近，氣溫控制平均月氣溫最高29.1 ℃，相對濕潤控制在90%以上[14]。試件濕潤采用蓮花頭水管連續(xù)均勻淋溶，試件烘干采用70 ℃恒溫烘箱控制，一次干濕循環(huán)持續(xù)2 d，要求試驗(yàn)環(huán)境盡可能與施工現(xiàn)場環(huán)境相吻合。

本試驗(yàn)采用3個(gè)試件平行試驗(yàn)，每個(gè)試件均勻取10個(gè)觀測點(diǎn)，每1次干濕循環(huán)裂隙深度取觀測的平均值，共進(jìn)行15次干濕循環(huán)，裂隙深度采用“插鋼絲”法測量。裂隙深度變化值如表6所示。

表6 石灰改性土壓實(shí)度≥96%在干濕循環(huán)作用下裂隙的深度

由表6可知，石灰改良膨脹土壓實(shí)度≥96%在干濕循環(huán)前5次作用下裂隙的寬度、深度變化很明顯，5到11次裂隙的寬度、深度變化較為平緩，11到15次裂隙的寬度、深度基本上沒有變化。由此可知，石灰改良膨脹土在自然環(huán)境下表面會產(chǎn)生一定的裂縫，且裂縫在“降雨—蒸發(fā)—降雨—蒸發(fā)”反復(fù)作用下會不斷地變寬變深，直至內(nèi)部結(jié)構(gòu)達(dá)到一個(gè)不可變的力學(xué)平衡停止發(fā)育，這種影響主要發(fā)生在大氣影響急劇層。

4 益婁高速公路包邊厚度的確定

由表6試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知：石灰改良膨脹土裂隙的最大深度為2.1 cm，采用同比例放大法包邊厚度為3.0 m的裂隙深度約0.5 m。為避免石灰改良膨脹土干濕循環(huán)下因裂隙的深度、寬度加大影響包芯內(nèi)部膨脹土的穩(wěn)定性及強(qiáng)度，在確定包邊厚度時(shí)應(yīng)充分考慮裂隙深度的影響。

益婁高速公路的大氣影響深度為3.0 m，干濕循環(huán)作用下3.0 m厚的包邊層裂隙深度約0.5 m，考慮到裂隙深度的影響，本文認(rèn)為包邊厚度應(yīng)為大氣影響深度值和干濕循環(huán)作用下裂隙深度之和。即益婁高速公路包邊層的厚度確定為 3.5 m較為合理，可避免因裂隙的開展引發(fā)包芯于內(nèi)部膨脹土的脹縮破壞。

5 結(jié)論

1) 工程現(xiàn)場無準(zhǔn)確的氣象資料時(shí)，可參照周邊相似地區(qū)的氣象資料，以此作為工程所在地區(qū)的氣象資料具有現(xiàn)實(shí)的合理性。

2) 膨脹土受周圍氣候環(huán)境影響較大，采用封閉包邊法進(jìn)行處治防止內(nèi)部膨脹土發(fā)生脹縮破壞，其關(guān)鍵是確定合理的包邊厚度。本文綜合大氣影響深度及干濕循環(huán)作用下裂隙深度共同確定包邊厚度，最大限度保證包芯于內(nèi)部膨脹土的穩(wěn)定性及強(qiáng)度。

3) 益婁高速公路包邊厚度通過大氣影響深度計(jì)算及干濕循環(huán)作用下裂隙深度試驗(yàn)分析，最終確定包邊厚度為3.5 m，該處治厚度僅適用于益婁高速公路，其他地區(qū)應(yīng)根據(jù)具體的氣候環(huán)境確定。

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