公路膨胀土特性及处理措施

栾现鹏

摘 要： 膨胀土是一种特殊土，常常引起公路病害，高度重视膨胀土病害，加强处治措施是确保公路工程质量安全的关键。本文按照现行的公路工程设计规范，充分结合项目实地调研资料和设计方案，对公路膨胀土的特性及膨胀土地区公路工程设计进行分析。

关键词： 膨胀土;膨胀土判别;公路病害;设计对策

【中图分类号】U416.1+67     【文献标识码】A     【DOI】10.12215/j.issn.1674-3733.2020.38.214

1 膨胀土判别原则

膨胀土是一种比较特殊的粘性土，其含有较多的粘粒及亲水性较强的伊利石、蒙脱石等粘土矿物成份，使它具有遇水膨胀、失水收缩的特性，同时膨胀土又具有崩解性、胀缩性、超固结性、风化性、强度衰减性、多裂缝等多种特殊的工程特性。按照公路行业有关技术规范，通过对京新高速G7乌鲁木齐至大黄山段公路全线的挖探、对部分段落存在的红棕色和白灰色中、高液限粘土，经过初步判定，此路段为膨胀土路段。下表是这些路段的部分土力学指标：（见表1所示）

通过上表数据分析：土体具有液限高、自由膨胀率大、粘粒含量高等特点，符合膨胀土特点。

2 膨胀粘土的变形机理

引起膨胀土变形的主要因素分为内部因素与外部因素，内部因素主要为组成土的物质成分，外部因素主要为土所处的外部环境和击实条件等。膨胀粘土吸水膨胀的实质是在组成膨胀粘土的粘土矿物颗粒与水的接触面上形成水膜，使颗粒间距离增大产生土的体积膨胀。而膨胀粘土失水收缩的实质是由于膨胀粘土失水过程中物理化学作用与力学效应共同作用形成的结果。

3 膨胀土地区公路病害表现型式

3.1 路面纵向裂缝

在膨胀土地区公路的路基填方路段，常常会产生路面纵向裂缝，经过分析，当路床填料采用未改性的膨胀土时，在路基碾压施工过程中土的含水量偏大，超过最优含水率，这是膨胀土产生收缩变形的内在因素。在路基边坡与大气直接接触的条件下，路床填料膨胀土在大气影响深度范围内明显收缩，形成拉开裂缝，并反射到路面结构，形成路面纵向裂缝。这种路面纵向裂缝在京新高速G7乌鲁木齐至大黄山段膨胀土地段普遍可见，最长可达几十米，最宽裂缝大于1cm，其位置主要在停车带，部分进入行车道。

3.2 路面沉陷、鼓包

膨胀土地区路面沉陷、鼓包是常见的公路病害，这种病害在路基挖方和填方路段均存在，产生这种病害的主要原因是在路基填筑时未对路床范围内的膨胀土进行超挖换填;当填方路基路床填料采用未改性膨胀土时，由于膨胀土的CBR强度较低，在路面排水、边沟排水、中央分隔带排水等多种水的综合影响下，导致路床内浸水或含水量增加，在车辆荷载的反复作用下，路床膨胀土软化或形成泥浆，形成了较强的孔隙水压力，在干湿循环和胀缩变形的共同作用下，造成路面沉陷和鼓包，最终导致路面破坏。

3.3 桥涵构造物的破坏

3.3.1 涵洞通道和桥台浅基础不均匀沉陷，导致涵洞、通道墙体开裂，拱顶裂缝、涵底错台和桥台上部结构开裂。其原因是基础埋深浅，持力层在大气影响深度范围内以及涵底、涵洞进出口及桥台未采取防渗措施，致使膨胀土地基浸水且其程度不均匀，则地基强度和胀缩变形差異也不均匀。

3.3.2 桥梁上部结构开裂，其原因是桩基设置在大气影响深度范围内，桩侧极限摩擦力取值不当，即未考虑到膨胀土的不利影响，桩基承载力取值大，与实际情况不符。个别桩基有下沉现象。

4 膨胀土段落处理建议

4.1 膨胀土段落设计对策

膨胀土路段的公路设计应遵循“低路堤、缓边坡、浅路堑、强支护、改土性、宽散水”的设计原则。

4.1.1 当路基填方为就地取土回填，并且填料多为强膨胀土时，可采取部分挖除原路基，并用“两布一膜”的土工布做隔断后再采用非膨胀土填筑路基。利用土工膜将膨胀土表面封闭，使土与水隔离，保持土中含水量不变，可以减小膨胀土对公路路基的危害。在结构物基础下铺设土工膜，可以有效改善结构物基础的沉降、隆起、倾斜等，也可以抑制膨胀土中裂缝的产生与发展，减小膨胀土的危害。这是一种常用的比较经济的膨胀土处治措施。

4.1.2 路面增设不透水封层或采用不透水面层。为尽可能确保路面排水通畅，横坡尽量放大。

4.1.3 路肩宽度不少于2.0～2.5m，并对路肩硬化或采取其他防渗措施。

4.1.4 路基两侧可以用一般粘性土做反压护坡道，防止路基两侧的积水进入路基。

4.1.5 膨胀土路段应做好排水设计，使地表水能够顺利排走，防止积水浸泡路基。膨胀土路段应采用加深、加宽排水沟和边沟，同时排水沟、边沟外表面宜采用浆砌加固，以减小渗漏，沟底纵坡要尽可能陡一些，同时要定期清淤，防止淤塞积水。

4.1.6 膨胀土段落的路基边坡应用浆砌片石或混凝土护坡进行防护，并做好排水，防止降水从路基边坡渗入路基。土在干湿循环作用下表面风化，导致土体的抗剪强度大大降低，这是造成膨胀土路基边坡发生破坏的主要原因。因此对路基边坡坡面进行快速有效封闭，尽可能使边坡土体保持其湿度不发生大幅度变化，是膨胀土路基边坡防护的关键所在。

4.2 含水量变化的控制

膨胀土中含水量变化是引起路基病害的根本原因。含水量变化越大，土的胀缩变形也就越大。因此，膨胀土路基处理的根本原则就是保持地基土的均衡含水量。公路路基填方挖方较大时，土体中含水状态将发生变化，当路堤填土高大于6m时，路基土就容易出现含水量变化大等问题。膨胀土地区路基设计应避免高填深挖，避免高路堤和深长路堑，宜以浅路堑、低路堤通过。

4.3 基础及地基处理

4.3.1 桥涵构造物

天然地基浅基础埋深宜等于或大于大气急剧影响深度（宜不小于1.6m）或用石灰土换填至基底标高。涵洞、通道进出口和涵底设灰土防护渗层并用混凝土硬化。大气影响深度内的膨胀土作持力层时，容许承载力可按0.35折减。桩基设计时，大气急剧影响深度可不计桩侧极限摩阻力，大气影响深度内的桩侧极限摩阻力可按0.35折减。桩基外缘至坡肩的水平距离宜大于大气影响深度。否则，应采取封闭加固措施。

增大基础埋置深度，这种方法常用为膨胀土地基的长期防治技术。确定基础有效埋深时，应重视本地的工程经验，而且基础不应与膨胀土直接接触，可采用补偿垫层、砂包基础、掺石灰等技术进行基底地基处理。工程中挡墙、桥涵等工程变形严重，很大程度上就是由于基础与膨胀土直接接触产生的。

4.3.2 补偿垫层

补偿垫层能减弱结构物基础的胀缩变形，发挥补偿作用，是一种特殊的垫层。国内对砂垫层的补偿作用进行过室内模型试验和现场试验，认为砂垫层厚度为0.5～0.8m时可使膨胀力降低25%～30%。采用补偿垫层时，基础埋深应大于1.5m。垫层材料采用中粗砂，分层夯实到中密（15.5～16.0KN/m3），垫层的厚度可参照有关规定执行.符合以上条件时，垫层的调节作用及补偿作用是显著的，所以膨胀土地区的挡墙及桥涵的基础应加设补偿垫层，以减小基础的胀缩变形。

结束语：膨胀土是一种特殊土，它对公路建设的质量安全影响较大，由膨胀土造成的公路边坡失稳、路面破坏、构造物开裂等病害对我国公路建设造成了很大的經济损失。因此，在膨胀土地区开展公路建设时，首先要按照国家相关技术规范做好工程地质勘察，其次要根据地质勘察结果根据膨胀土是工程特性进行合理的工程设计，最后是严格按照勘察设计成果施工，确保工程建设质量，消除工程安全隐患。膨胀土挖方边坡失稳是常见的公路病害。对此，合理确定边坡坡率和对坡形、坡面封闭防护、强化排水防渗设计是至关重要的。对挖深大于6m的边坡，建议设挡土墙，以确保边坡稳定。挖方路基路床超挖换填处理、填方路基路床采用改性后的膨胀土填筑，并强化防渗措施和封闭上路堤顶部以上边坡是确保路面结构稳定的关键。

参考文献

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