高速公路改良膨胀土路基施工技术研究

蒙志伟

（广西路桥工程集团有限公司，广西 南宁 530000）

0 引言

近年来，我国高速公路通车里程以较大的幅度逐年增长，这种现象既体现了我国基础交通网络建设的有序推进，也反映了我国经济发展的良好走势。高速公路工程的投资成本比其他工程更大，对质量和工期的控制要求较为严格，特别是对一些地质结构复杂、施工环境恶劣的区域，需要在施工前进行预处理的工作量巨大，所面临的施工风险很多，这会相应地增加工程预算。例如，在膨胀土环境下进行高速公路工程施工，需要综合考虑的因素很多，如膨胀土含水率、含灰量及颗粒度等工程参数指标的改良，路基的不均匀沉降等。换言之，对膨胀土施工环境进行合理、科学的改良，能够提高高速公路路基的结构强度和稳定性，对高速公路投入使用后的行车安全也具有重要的保障作用。相反，如果膨胀土改良试验工作不够充分和细致，很可能导致高速公路的路基发生不均匀沉降，给工程的整体进度带来很多不利影响，也会带来各类安全隐患，为后续工程的维护工作带来一定挑战。因此，对高速公路膨胀土的工程特性进行研究，制订适合实际工程所需的膨胀土改良方案显得十分必要，这关系到高速公路工程建设的质量、工期和安全性。

1 膨胀土工程特性分析

膨胀土在我国的分布十分广泛，很多高速公路都是在膨胀土路基上完成建设的，膨胀土路基极易发生沉降和滑坡等现象，对于一些大型的公路工程项目，为保证路基结构的稳定性和安全性，在膨胀土路基的处理过程中的投入很大，路基处理过程中所遇到的各类问题多为膨胀土路基所引发。从物理特性方面来看，膨胀土属黏土性质，其含有的矿物质成分对所处环境的湿度变化十分敏感且易受湿度变化而发生不同程度的形变，进而使其结构受到破坏，即膨胀土在湿度较大时表现为膨胀，而在干燥失水情况下表现为收缩裂缝，所以在进行膨胀土路基处理时应着重考虑这种随湿度变化较为敏感的特性。

为尽可能地降低膨胀土对湿度变化的敏感性，传统的方法是在路基中添加一定量的石灰材料，目的是通过石灰的吸水特性对膨胀土进行改良，这种方法在工程中的应用较为普遍，使膨胀土具有较好的改良效果。膨胀土是对某类受湿度变化较为敏感的黏土的统称，并且不同地区的膨胀土差异性较为明显，这是由所处环境的湿度情况和矿物质成分决定的。在进行膨胀土的处置过程中，应根据具体的环境进行因地制宜的研究和改良，但使用石灰进行改良的方法仍为主流工艺。由于膨胀土通常属于高液限黏土，其自身的含水率较大并且散开困难，因此在添加石灰进行混合时其均匀性很难得到控制，对施工工艺和施工设备的要求也很高。在对膨胀土路基进行处理的过程中，必须注意两个方面的问题：一是石灰与膨胀土的拌和问题，二是拌和的均匀性与质量控制问题［1］。

2 膨胀土改良措施

2.1 石灰改良膨胀土

石灰改良膨胀土为当前国内处理膨胀土的常见方法，属于化学法处理，石灰改性后的膨胀土强度、水稳性和压实度等工程指标得到较好改善，标准加州承载比（CBR，评定土基及路面材料承载能力的指标）减小，达到施工标准要求。石灰改良工法中对施工工艺和施工设备的要求较高，使得该工法的工程造价较高，因此在我国西部或其他偏远山区中的应用场景不多，主要在经济条件较好的区域推广。

2.2 非膨胀土包边

非膨胀土包边属于物理工法，通过对膨胀土周围的非膨胀土进行封闭包盖，减少外部干湿度变化对填芯膨胀土的影响，保证填芯膨胀土干湿度变化范围可控，使其强度不会发生较大的衰减或变化，进而使膨胀土路基的强度及稳定性得到充分保障。非膨胀土区域包边主要方法有砾石土包边和非膨胀黏土包边。

2.3 土工格栅（网）加筋

土工格栅（网）加筋是一种较为常见的物理工法，主要使用了土工格栅（网）抗拉强度原理，即土与格栅（网）之间的彼此咬合与摩擦作用。由土工格栅（网）对其中的部分土体收缩应力进行有效吸收，此部分应力一般因土体干燥失水收缩而产生，可在一定程度上抑制坡面膨胀土开裂程度，进一步防止坡面发生更为严重的开裂，阻止外部水分渗入。此外，土工格栅（网）还可防止外部水分进入坡面而发生土体膨胀或松散，对提高路基表层整体的抗剪强度具有一定作用，使路基土体在雨季发生水分饱和后仍不会发生强度降低等情况，也可有效减少因自重过大而导致的失稳现象。土工格栅（网）加筋施工法属于封闭包盖法的另一种形式，土工格栅与膨胀土之间发生往复作用，最终形成一种独特的筋土混合物，对路基填芯膨胀土有很好的封闭包盖作用。土工格栅（网）加筋方法主要有土工格栅（网）包边、土工布加固及碎石土夹层+土工格栅包边。

2.4 渗透性土体换填

相关工程资料表明，在膨胀土路基顶部进行高渗透性土体换填施工能够有效弱化不均匀膨胀形变对路面的影响，并且换填深度在80～100 cm的效果更佳，具体的施工材料和施工工艺应符合工程标准规范的要求。

2.5 膨胀土路基加铺土层

膨胀土路基一般具有较低的压实度，其回弹模量相对于工程标准规范的要求偏低，荷载能力明显不足，影响到其上方的路面结构，因此可于膨胀土路基上方加铺相应厚度的普通土层，以增强膨胀土路基的荷载能力［2］。

3 膨胀土路基防排水与沉降控制

3.1 路表面防排水

通常，高速公路的路幅较宽，为有效降低路面上的积水对边坡的冲刷强度，可在边坡冲刷位置边缘设置相应的排水沟或阻水带，应特别注意的是，如果是阻水带，应依据当地具体的气象和水文条件及工程排水规范的标准而具体设置，确保施工质量能够满足工程标准要求，防止雨水下渗。对于高速公路的弯道较高部分，可于较高部分的中央隔离带内部搭建排水沟或集水井，也可设置横向排水管道或急流槽，以防止较高部分的水穿过隔离带而涌入另一侧路面，避免因路面积水严重而引起行车事故。

3.2 路面内部防排水

为保证结构强度，防止路基发生形变，通常在富含膨胀土结构的高速公路区域进行换填施工，在进行膨胀土高速公路路面内部排水时，可仅考虑自由水对路面表层的影响程度，因此对于沥青路面而言，可于路面下部设置微型碎石排水系统；对于水泥路面而言，可设置多层盲沟进行排水，分别设置在土路肩下及车道与路肩交界处，同时在合适的位置设置小型盲沟以排出路面水，或在路面内部结构设置基层排水系统。在凹形竖曲线下方路段，雨水渗入路面结构与膨胀土路基的情况通常无法避免且凹形竖曲线下方多为雨水集中的位置，因此应加强凹形竖曲线下方路基内部的排水，在凹形竖曲线下方及有纵坡桥梁的端部位置应设置一定数量的横向渗沟，将渗沟和级配碎石基层连通，超高路段可通过与横向排水管配合的方式进行。路面结构中可设置相应的级配碎石作为基底层，也可当作路面内部的排水结构，对于凹形竖曲线下部的挖方段，当边沟下方设置有渗沟时，可将一定级配的碎石基底层和下渗沟相连接，从而将雨水排出，若边沟下尚未设置渗沟，则可在基底层结构的边缘和边沟间设置一定级配的碎石渗沟，从而将雨水引出。为满足中央隔离带的排水要求，可设置纵向渗沟和横向排水管的复合式排水系统以达到施工排水要求，当超高段横坡处积水较为严重时，应采取更为有效的措施加强排水。

3.3 膨胀土路基沉降控制

膨胀土路基受自身土体结构强度等因素影响，在施工过程中会发生一定的沉降，给路面的稳定性和行车安全性带来不利影响。因此，应依据横向变坡率等指标要求采取一定措施对膨胀土路基的沉降进行控制，特别是不均匀沉降情况。在进行路基填筑的同时应加强对沉降的监测并做好记录，待路基施工完成后应持续跟踪顶部横断面的沉降情况，通过分析沉降值随时间变化的曲线判断各时段的沉降情况，还应充分考虑路基横断面的最大沉降值及横向的变坡率，当横向变坡率达到标准要求时方可进行路面施工，并且路面各层完成施工时均应进行监测，为后续环节的施工打下基础。

4 工程应用与分析

4.1 工程概况

以南宁市某新建高速公路为例，为满足实际交通运输需要并尽可能缩减通车里程，该工程的主体段建设不可避免膨胀土等不利环境。此外，该工程设计标准高，对路基结构稳定性及路面各类病害等控制较为严格，因此作为该工程的基础，路基应具有较高的强度、较大的刚度、较好的稳定性和耐久性等，对各类自然灾害及其他不可抗力事件也应具有一定的抵御能力。通过对施工现场环境及地质条件进行勘测后可知，该工程全线基本上位于第四系更新黏土上，其膨胀强度为中级和弱级，无法直接用于施工，应对这类膨胀土进行合理改良。

在进行如此大规模的膨胀土改良并填筑施工时，工艺和质量控制是最重要的环节。选取DK1053+100～DK 1055+100作为试验路段，试验路段长度为2 km，进行膨胀土路基改良工艺研究，主要讨论工艺方法、工艺参数及工艺流程，以科学的试验数据指导下一步全线的施工。由于该施工区域的膨胀土属于高塑性黏土且附近地下水位较高，土体含水率较大，因此拌和方法的选择是工程的重点和难点。只有选用合适的拌和技术，才可满足本工程的质量及进度要求。

4.2 拌和工艺分析

在取土场分别进行集中路拌法及集中预拌路拌法工艺试验，两组试验在相同的外界环境下进行，由于石灰具有一定的散失性，因此实际石灰掺量为7%左右（比设计参数增加1%），超过15 mm颗粒的含量低于20%即视为达到拌和标准。集中路拌法先将填料运送到 1 200～1 500 m2的硬化石灰土场地，然后进行摊铺初平，使用旋耕犁进行翻晒2 d后再整平、静压，最后施作布灰路拌，实际摊铺厚度约35 cm，完成布灰后再路拌5～6遍，使用推土机集中堆运到路基填筑段。

集中预拌路拌则是选取长40 m、宽8 m的取土面，取土深度约1 m，由计算所得的结果进行布灰，使用挖掘机预拌3遍，然后运送到填筑面，实际摊铺厚度约35 cm，路拌3遍，每完成一次拌和后进行随机抽样（30组）分析，两种方式共选取拌和膨胀土试样180组，完成取样后立即进行试验并对试验数据进行准确分析，主要计算其含水率、含灰量、大径（粒径超过15 mm）颗粒含量等，通过多组数据求出最大值、最小值及平均值。

4.3 膨胀土路基改良效果分析

路拌改良膨胀土的均匀性是衡量其拌和质量的重要指标，即拌和最终的目的是获得更均匀的改良填料，相比集中路拌法，集中预拌路拌法在均匀性方面要好一些，这是因为在预拌过程中，已将石灰和土充分拌和均匀，而在预拌阶段，石灰的颜色变化是拌和程度的直接反映，即通过判断翻拌后拌和料颜色的一致性与否便可判断预拌的质量，但与此同时，大颗粒填料的存在对路拌过程中局部范围的含灰量具有一定影响，所以在拌和前应严格控制土块的粒径，最大粒径应不超过15 mm且大粒径块土不得集中。

集中路拌法中因路拌机原有的工作模式的限制，仅可使一定范围内的填料拌和均匀，而大面积的含灰量等指标控制需通过最终的摊铺厚度及密度完成，还包括对布灰厚度的控制。值得注意的是，含水率的控制无法通过拌和次数的增加而得到有效控制，其主要依赖于外界温湿度等蒸发条件，也与单次拌和时长有关。此外，消石灰或是生石灰的选择对改良膨胀土的含水率也会有一定的影响，特别是消石灰的含水率属于直接影响因素。

根据以往的施工经验可知，当选用生石灰粉进行膨胀土改良时，通常应堆放焖料2～3 h，目的是降低改良后的膨胀土含水率。由试验结果可知，当完成3遍预拌路拌后，再进行2遍路拌，膨胀土含灰量、超过15 mm粒径大小的颗粒含量及含水率3种指标均达到了施工标准要求，实现了较为均匀的拌和过程，而完成5遍集中路拌后，其含灰量和含水率更均匀，但颗粒度指标必须完成6遍拌和才符合施工标准要求。

通过多次试验可知，集中路拌的方式受填料的含水率等性质的影响较大，超过最佳含水率4%的填料，在完成路拌6遍后能够符合颗粒度指标要求，当含水率再次提高时，则相应的拌和时间也需要延长，但集中预拌路拌法对含水率较高的膨胀土填料更为适合［3］。

5 结束语

膨胀土地质结构对公路工程路基施工具有诸多不利影响，将膨胀土进行科学改良以适合实际的路基施工，对公路结构强度及使用寿命都具有重要意义。本文详细分析了膨胀土工程特性，列举了几种常见而有效的膨胀土改良措施，如石灰改良膨胀土、非膨胀土包边、土工格栅（网）加筋、渗透性土体换填及膨胀土路基加铺土层等。此外，对于膨胀土路基的防排水与沉降控制部分也分别进行了讨论，以南宁某高速公路工程膨胀土路基改良施工作为具体案例，介绍了拌和工艺在膨胀土路基改良效果方面所起到的重要作用。