欒現(xiàn)鵬

摘 要： 膨脹土是一種特殊土，常常引起公路病害，高度重視膨脹土病害，加強(qiáng)處治措施是確保公路工程質(zhì)量安全的關(guān)鍵。本文按照現(xiàn)行的公路工程設(shè)計(jì)規(guī)范，充分結(jié)合項(xiàng)目實(shí)地調(diào)研資料和設(shè)計(jì)方案，對(duì)公路膨脹土的特性及膨脹土地區(qū)公路工程設(shè)計(jì)進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞： 膨脹土;膨脹土判別;公路病害;設(shè)計(jì)對(duì)策

【中圖分類號(hào)】U416.1+67 ? ? 【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A ? ? 【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.214

1 膨脹土判別原則

膨脹土是一種比較特殊的粘性土，其含有較多的粘粒及親水性較強(qiáng)的伊利石、蒙脫石等粘土礦物成份，使它具有遇水膨脹、失水收縮的特性，同時(shí)膨脹土又具有崩解性、脹縮性、超固結(jié)性、風(fēng)化性、強(qiáng)度衰減性、多裂縫等多種特殊的工程特性。按照公路行業(yè)有關(guān)技術(shù)規(guī)范，通過(guò)對(duì)京新高速G7烏魯木齊至大黃山段公路全線的挖探、對(duì)部分段落存在的紅棕色和白灰色中、高液限粘土，經(jīng)過(guò)初步判定，此路段為膨脹土路段。下表是這些路段的部分土力學(xué)指標(biāo)：（見(jiàn)表1所示）

通過(guò)上表數(shù)據(jù)分析：土體具有液限高、自由膨脹率大、粘粒含量高等特點(diǎn)，符合膨脹土特點(diǎn)。

2 膨脹粘土的變形機(jī)理

引起膨脹土變形的主要因素分為內(nèi)部因素與外部因素，內(nèi)部因素主要為組成土的物質(zhì)成分，外部因素主要為土所處的外部環(huán)境和擊實(shí)條件等。膨脹粘土吸水膨脹的實(shí)質(zhì)是在組成膨脹粘土的粘土礦物顆粒與水的接觸面上形成水膜，使顆粒間距離增大產(chǎn)生土的體積膨脹。而膨脹粘土失水收縮的實(shí)質(zhì)是由于膨脹粘土失水過(guò)程中物理化學(xué)作用與力學(xué)效應(yīng)共同作用形成的結(jié)果。

3 膨脹土地區(qū)公路病害表現(xiàn)型式

3.1 路面縱向裂縫

在膨脹土地區(qū)公路的路基填方路段，常常會(huì)產(chǎn)生路面縱向裂縫，經(jīng)過(guò)分析，當(dāng)路床填料采用未改性的膨脹土?xí)r，在路基碾壓施工過(guò)程中土的含水量偏大，超過(guò)最優(yōu)含水率，這是膨脹土產(chǎn)生收縮變形的內(nèi)在因素。在路基邊坡與大氣直接接觸的條件下，路床填料膨脹土在大氣影響深度范圍內(nèi)明顯收縮，形成拉開(kāi)裂縫，并反射到路面結(jié)構(gòu)，形成路面縱向裂縫。這種路面縱向裂縫在京新高速G7烏魯木齊至大黃山段膨脹土地段普遍可見(jiàn)，最長(zhǎng)可達(dá)幾十米，最寬裂縫大于1cm，其位置主要在停車(chē)帶，部分進(jìn)入行車(chē)道。

3.2 路面沉陷、鼓包

膨脹土地區(qū)路面沉陷、鼓包是常見(jiàn)的公路病害，這種病害在路基挖方和填方路段均存在，產(chǎn)生這種病害的主要原因是在路基填筑時(shí)未對(duì)路床范圍內(nèi)的膨脹土進(jìn)行超挖換填;當(dāng)填方路基路床填料采用未改性膨脹土?xí)r，由于膨脹土的CBR強(qiáng)度較低，在路面排水、邊溝排水、中央分隔帶排水等多種水的綜合影響下，導(dǎo)致路床內(nèi)浸水或含水量增加，在車(chē)輛荷載的反復(fù)作用下，路床膨脹土軟化或形成泥漿，形成了較強(qiáng)的孔隙水壓力，在干濕循環(huán)和脹縮變形的共同作用下，造成路面沉陷和鼓包，最終導(dǎo)致路面破壞。

3.3 橋涵構(gòu)造物的破壞

3.3.1 涵洞通道和橋臺(tái)淺基礎(chǔ)不均勻沉陷，導(dǎo)致涵洞、通道墻體開(kāi)裂，拱頂裂縫、涵底錯(cuò)臺(tái)和橋臺(tái)上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂。其原因是基礎(chǔ)埋深淺，持力層在大氣影響深度范圍內(nèi)以及涵底、涵洞進(jìn)出口及橋臺(tái)未采取防滲措施，致使膨脹土地基浸水且其程度不均勻，則地基強(qiáng)度和脹縮變形差異也不均勻。

3.3.2 橋梁上部結(jié)構(gòu)開(kāi)裂，其原因是樁基設(shè)置在大氣影響深度范圍內(nèi)，樁側(cè)極限摩擦力取值不當(dāng)，即未考慮到膨脹土的不利影響，樁基承載力取值大，與實(shí)際情況不符。個(gè)別樁基有下沉現(xiàn)象。

4 膨脹土段落處理建議

4.1 膨脹土段落設(shè)計(jì)對(duì)策

膨脹土路段的公路設(shè)計(jì)應(yīng)遵循“低路堤、緩邊坡、淺路塹、強(qiáng)支護(hù)、改土性、寬散水”的設(shè)計(jì)原則。

4.1.1 當(dāng)路基填方為就地取土回填，并且填料多為強(qiáng)膨脹土?xí)r，可采取部分挖除原路基，并用“兩布一膜”的土工布做隔斷后再采用非膨脹土填筑路基。利用土工膜將膨脹土表面封閉，使土與水隔離，保持土中含水量不變，可以減小膨脹土對(duì)公路路基的危害。在結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)下鋪設(shè)土工膜，可以有效改善結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的沉降、隆起、傾斜等，也可以抑制膨脹土中裂縫的產(chǎn)生與發(fā)展，減小膨脹土的危害。這是一種常用的比較經(jīng)濟(jì)的膨脹土處治措施。

4.1.2 路面增設(shè)不透水封層或采用不透水面層。為盡可能確保路面排水通暢，橫坡盡量放大。

4.1.3 路肩寬度不少于2.0～2.5m，并對(duì)路肩硬化或采取其他防滲措施。

4.1.4 路基兩側(cè)可以用一般粘性土做反壓護(hù)坡道，防止路基兩側(cè)的積水進(jìn)入路基。

4.1.5 膨脹土路段應(yīng)做好排水設(shè)計(jì)，使地表水能夠順利排走，防止積水浸泡路基。膨脹土路段應(yīng)采用加深、加寬排水溝和邊溝，同時(shí)排水溝、邊溝外表面宜采用漿砌加固，以減小滲漏，溝底縱坡要盡可能陡一些，同時(shí)要定期清淤，防止淤塞積水。

4.1.6 膨脹土段落的路基邊坡應(yīng)用漿砌片石或混凝土護(hù)坡進(jìn)行防護(hù)，并做好排水，防止降水從路基邊坡滲入路基。土在干濕循環(huán)作用下表面風(fēng)化，導(dǎo)致土體的抗剪強(qiáng)度大大降低，這是造成膨脹土路基邊坡發(fā)生破壞的主要原因。因此對(duì)路基邊坡坡面進(jìn)行快速有效封閉，盡可能使邊坡土體保持其濕度不發(fā)生大幅度變化，是膨脹土路基邊坡防護(hù)的關(guān)鍵所在。

4.2 含水量變化的控制

膨脹土中含水量變化是引起路基病害的根本原因。含水量變化越大，土的脹縮變形也就越大。因此，膨脹土路基處理的根本原則就是保持地基土的均衡含水量。公路路基填方挖方較大時(shí)，土體中含水狀態(tài)將發(fā)生變化，當(dāng)路堤填土高大于6m時(shí)，路基土就容易出現(xiàn)含水量變化大等問(wèn)題。膨脹土地區(qū)路基設(shè)計(jì)應(yīng)避免高填深挖，避免高路堤和深長(zhǎng)路塹，宜以淺路塹、低路堤通過(guò)。

4.3 基礎(chǔ)及地基處理

4.3.1 橋涵構(gòu)造物

天然地基淺基礎(chǔ)埋深宜等于或大于大氣急劇影響深度（宜不小于1.6m）或用石灰土換填至基底標(biāo)高。涵洞、通道進(jìn)出口和涵底設(shè)灰土防護(hù)滲層并用混凝土硬化。大氣影響深度內(nèi)的膨脹土作持力層時(shí)，容許承載力可按0.35折減。樁基設(shè)計(jì)時(shí)，大氣急劇影響深度可不計(jì)樁側(cè)極限摩阻力，大氣影響深度內(nèi)的樁側(cè)極限摩阻力可按0.35折減。樁基外緣至坡肩的水平距離宜大于大氣影響深度。否則，應(yīng)采取封閉加固措施。

增大基礎(chǔ)埋置深度，這種方法常用為膨脹土地基的長(zhǎng)期防治技術(shù)。確定基礎(chǔ)有效埋深時(shí)，應(yīng)重視本地的工程經(jīng)驗(yàn)，而且基礎(chǔ)不應(yīng)與膨脹土直接接觸，可采用補(bǔ)償墊層、砂包基礎(chǔ)、摻石灰等技術(shù)進(jìn)行基底地基處理。工程中擋墻、橋涵等工程變形嚴(yán)重，很大程度上就是由于基礎(chǔ)與膨脹土直接接觸產(chǎn)生的。

4.3.2 補(bǔ)償墊層

補(bǔ)償墊層能減弱結(jié)構(gòu)物基礎(chǔ)的脹縮變形，發(fā)揮補(bǔ)償作用，是一種特殊的墊層。國(guó)內(nèi)對(duì)砂墊層的補(bǔ)償作用進(jìn)行過(guò)室內(nèi)模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，認(rèn)為砂墊層厚度為0.5～0.8m時(shí)可使膨脹力降低25%～30%。采用補(bǔ)償墊層時(shí)，基礎(chǔ)埋深應(yīng)大于1.5m。墊層材料采用中粗砂，分層夯實(shí)到中密（15.5～16.0KN/m3），墊層的厚度可參照有關(guān)規(guī)定執(zhí)行.符合以上條件時(shí)，墊層的調(diào)節(jié)作用及補(bǔ)償作用是顯著的，所以膨脹土地區(qū)的擋墻及橋涵的基礎(chǔ)應(yīng)加設(shè)補(bǔ)償墊層，以減小基礎(chǔ)的脹縮變形。

結(jié)束語(yǔ)：膨脹土是一種特殊土，它對(duì)公路建設(shè)的質(zhì)量安全影響較大，由膨脹土造成的公路邊坡失穩(wěn)、路面破壞、構(gòu)造物開(kāi)裂等病害對(duì)我國(guó)公路建設(shè)造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。因此，在膨脹土地區(qū)開(kāi)展公路建設(shè)時(shí)，首先要按照國(guó)家相關(guān)技術(shù)規(guī)范做好工程地質(zhì)勘察，其次要根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果根據(jù)膨脹土是工程特性進(jìn)行合理的工程設(shè)計(jì)，最后是嚴(yán)格按照勘察設(shè)計(jì)成果施工，確保工程建設(shè)質(zhì)量，消除工程安全隱患。膨脹土挖方邊坡失穩(wěn)是常見(jiàn)的公路病害。對(duì)此，合理確定邊坡坡率和對(duì)坡形、坡面封閉防護(hù)、強(qiáng)化排水防滲設(shè)計(jì)是至關(guān)重要的。對(duì)挖深大于6m的邊坡，建議設(shè)擋土墻，以確保邊坡穩(wěn)定。挖方路基路床超挖換填處理、填方路基路床采用改性后的膨脹土填筑，并強(qiáng)化防滲措施和封閉上路堤頂部以上邊坡是確保路面結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的關(guān)鍵。

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