[12-11 17:01:08] 来源：http://www.tmgc8.com 工程设计 阅读：3220次
摘 要：针对膨胀土路段大面积高填深挖方路基、边坡设计及施工进行讨论，并以荆宜高速公路膨胀土室内试验数据为依据结合施工经验对膨胀土处理提出新方法。
关镶词：膨胀土；路基；边坡；处理
1 项目背景
荆门至宜昌高速公路是湖北省经济“大三角”高速公路主骨架的组成部分，同时也是国家新近规划的杭州至兰州重点干线公路的组成部分。荆宜高速公路遇到大量的膨胀土问题，为了掌握膨胀土的工程特性，力求采取适当的设计加固方案，避免滑坡、塌方现象的发生；作为路基填料的膨胀土须满足稳定和变形两方面的要求，为此对沿线的膨胀土取样做了大量的相关试验，并在此基础上提出了相应的设计施工方案。
2 膨胀土胀缩变形的主要因素
膨胀土是一种吸水膨胀软化、失水收缩开裂的特殊粘性土。其主要工程性质是具有多裂隙性、强超固结性、强亲水性和反复胀缩性。膨胀土的矿物成分及结构形式，使它具有胀缩特性，含水量的变化使它的这种特性显示出来，反复的胀缩导致了膨胀土土体的松散，并在其中形成许多不规则的裂隙，裂隙性破坏了土体的整体性。使水的浸人和土中水分的蒸发更为容易。土中含水量的波动和胀缩的反复发生，又进一步导致了裂隙的扩展和向土层深部发展，使该部分的土体强度大为降低，形成风化层。在风化层深度范围内，土体湿胀于缩效应明显，土体的粘聚力和抗剪强度变化极大，所以大气风化作用层是产生各类路基病害的直接弓[导层，对路基及边坡稳定性影响极大。因此，也
是工程防护和治理的对象和治理是否成功的关键。
膨胀土强度变化是受多种因素影响，含水量的变化是引起膨胀土变形的最直接、最主要的因素。而变形破坏只是历时长短的问题，但影响的共同结果只有一个，即土体强度在风化作用影响深度的浅层变化性。因此治理膨胀土的边坡和地基，仅仅依靠防止降水渗人士体是远远不够的，它应该是一个综合的以治理为主，防治结合的体系。
3 膨胀土用于路基填料的改性处理及施工方法
膨胀土初期结构强度较高，在施工时不易被粉碎，亦不易被压实。在路堤填筑后，由于大气物理风化作用和湿胀干缩效应，不均匀下沉导致路面的平整度下降，严重时可使路面变形破坏，甚至屡修屡坏。针对以上的问题，我们根据多条道路的施工试验提出将膨胀土改性填筑路堤的施工方法。
3．1 膨胀土改性试验成果分析
试验方法采用GBJl23-88、GBJl28-88、SDl28-84等。将三种典型的膨胀土土样风干后碾碎过20 mm筛，按照土的重量掺入不同配比的石灰，根据不同的含水量(16％一30％)喷水拌和土样。试验结果显示，随着石灰的掺入，土体的物理、化学、力学性质以及水理发生了较大的变化。
3．1．1 物理性质的变化
掺入石灰以后，三种膨胀土的颗粒成分均发生了相应的变化，随着掺入量的增加，砂粒组含量增加，粘粒组、胶粒组的含量则明显减少。
随着石灰剂量的增加，膨胀土垢可塑性发生变化，液限变化较小，而塑限有较大程度的增加，塑性指数明显降低，亲水性大大减弱。
3.1.2 掺石灰膨胀土工程性质的变化经过改性后的膨胀土地，自由膨胀率、膨胀量、膨胀力、线缩率、体缩率、收缩系数各有不同程度的下降。
3.1.3 膨胀土的胀缩总率与掺灰量之间的关系
根据＜公路路基设计规范＞（JTF013-95），掺石灰、粉煤灰的最佳配比，以其掺灰后胀缩总率不超过0.7为宜。
3.1.4 掺改性剂水溶液试验结果
其原理是利用改性剂和少量石灰掺配成比水溶液后，使水分子离解成H+、OH-，从而与膨胀土博面附带的大量活跃的金属阳离子交换，使吸附在土粒上的水化学键破坏形成自由水，使石灰土形成链状和网状结构，加快反应和离子交换，水分通过重力，蒸发、压实作用而排出，减弱其膨胀势能，改变膨胀颗粒结构特性，使土相互吸引形成团粒，导致土体永久性能的改变，从而提高土体的抗剪强度，且具有比石灰土更稳定、更持久的效果。
边坡改性试验见表2所示。
表2 边坡改性对比试验结果
路堑边坡深50cm 天然含水量/% WL/% Wp/% CBR0.95/% 膨胀量/% 最大干密度/g.cm-3 C/kpa j/度
改性前 28.5 68.9 21.7 0.84 4.1 1.82 122.5 24.2
改性后 23.5 48.3 21.3 4.5 2.0 1.84 2.87 27.6www.tmgc8.com
有不同程度的改善，特别是C值提高得最为明显。
3.2 膨胀土改性施工工艺
1)清除路基地表杂物、设置路拱、疏干地表水分，如路基下地表为膨胀土时，应掺生石灰粉并翻拌25-30cm、整平碾压至规定密实度、然后再行填筑路堤。
2)根据挥实机具试验确定的松铺厚度进行摊铺。一般采用重型压路机时松铺25-30cm为一层，用推土机推运摊铺，进行初步推平。
3)按掺拌剂量计算出每个断面所用灰量，用方框标线标明，并摆放袋装生石灰粉，然后撤铺。
4)用旋耕机翻拌2-4遍，闷料24h，使生石灰粉充分吸收土中水分，水化消解。然后根据土团粒径大小再用旋耕犁打碎l一3遍。
对于用改性剂改性的膨胀土，在按土的2％的重量比掺加石灰并拌和均匀后，即可同时喷洒改性剂水溶液，使土达到最佳含水量或最佳含水量十3％，拌匀后用平地机整平，无须闷料。
5)现场取土样测定含水量，在接近最佳含水量范围时，用平地机或推土机推平，而后来用“先轻后重、先静压后振压、最后静压”的原则进行碾压至规定密实度，对于路肩应多压l一2遍，以保证边缘有足够的密实度。其后每层填压按此工艺流程循环，直至路基设计高度。
经过多年的工程实践，工程界对用膨胀土填筑场地已取得一定的共识，一般是将强膨胀土废弃，采用弱一中等膨胀土改性处理后进行分层填筑。但需要注意的是在现场施工中，同一取土场地或开挖断面，不同的深度，膨胀土的性质可能产生较大的差异，这就要求施工中对要作为路堤填料的膨胀土土性进行充分跟踪检验和改性试验，确定满足工程要求的最佳配合比和采用最佳的施工方案。
4 膨胀土路堑段边坡及路基防护
从设计的角度看，膨胀土边坡与一般粘土边坡的设计计算是有根本区别的。膨胀土边坡的陡度与高度并不完全遵从极限稳定平衡理论，而是由膨胀土类别 和土体结构特征所决定的，它与土的胀缩效应，风化效 应和施工效应密切相关。因此，确定膨胀土路堑边坡陡度，必须以路基工程地质分类为依据，并结合工程措施合理选择。
4.l 路堑边坡防护方案比较
由于膨胀土路段挖方边坡存在的诸多不稳定性，对于该类边坡稳定性处置方案，各地依据自身的条件采用不同的处理方法，据我们统计主要有两大类：一类是以“堵”为原则的坡面全封闭形式的刚性防护。其主要观点认为膨胀土失稳的原因是受降水影响，当土体吸水由非饱和态进入饱和态这一过程中。土体的抗剪强度则由强逐渐变弱，当土体的剪切指标C值随含水量增加而衰减时，其边坡稳定性随之递减直至产生变形破坏。因此，采用边坡封闭防护以阻止降水被非饱和土体吸收成为其首选。其主要方式如浆砌片石满铺
防护，土钉墙加固边坡等，这些刚性防护方案往往防治膨胀的效果甚小，同时还减少了绿化面积。
由于“堵”的刚性封闭防护方案存在着种种不足，人们在膨胀土路堑边坡设计中又采用“堵”、“疏”结合的半刚性防护形式--锚杆框架梁。即用框架将膨胀土边坡分割成条块，与锚杆相连共同抵御膨胀力，可抑制表土膨胀，框架与锚杆产生的附加力可补偿土体干湿循环所至的强度衰减，迫使膨胀势能向薄弱地带转移，所分割的条块表面植草或灌木，以防止坡面冲蚀和剥落。当土体膨胀时，允许该部分膨胀变形，以释放膨胀势能，因此能起到预防坡面整体滑坍的作用。
采用锚杆方案的刚性和半刚性防护形式中，还有一个最容易忽视的问题是锚扦形式的选用，这完全取决于设计者对膨胀土的认识。我们通过对多个这类方案的了解和分析发现，许多方案在剪切指标上取用土体的残余强度值，从计算角度看，选用了最不利的指标
进行设计应该是偏于安全的，这无疑是大家目前普遍采用的通行方法。但有很多防护段在施工中虽采取严格的防水措施，不久仍很快发生了破坏。我们发现这和有些方案在锚固形式上选用了全长粘结型锚杆有一定的关系，原因仍然是基于对膨胀土本身从非饱和态
到饱和态的强度变化特征和边坡土体的浅层破坏形式的认识。我们知道，膨胀土边坡防护施工一般都避开雨季，即使在雨季，也是当边坡土体处于稳定状态且具有一定的强度时才实施。此时采用的全长粘结型锚杆的试验抗拔力显然大于剪切指标采用土体残余强度的
计算抗拔力。当施工完毕的膨胀土边坡雨季中如在某一结构或构造面上产生塑性区，那么在该区域内的锚杆受力状态就发生了变化，它不再是原来锚杆锚固段参与提供抗拔力的一部分，这就大幅削减了原来锚杆设计的抗拔力，而塑性区一旦膨胀，该区域内的上体对锚杆的握裹力在膨胀力作用下反而对结构面下的锚杆段锚杆产生向外的拉力，加速了边坡的破坏。因此我们建议这类锚杆设计施工中锚固段应设置在深入风化作用层深度以下，发现有结构或构造面的应设置在其深度范围内。锚杆宜选择在锚固段高压注浆的扩大圆拄体锚杆和多段扩大圆柱体锚杆。锚人深度根据计算确定。www.tmgc8.com
为了弥补刚性和半刚性防护体系的不足，我们在荆宜高速公路设计施工中考虑采用以“疏”导为主的方法进行膨胀土边坡处理，即利用改性剂水溶液将膨胀土边坡土体进行改性，使土体间的粘聚力C值大幅提高。以增强边坡土体整体强度，彻底解决边坡浅层土体强度的变化性。
在施工中采用将预应力锚杆框架梁和支撑渗沟结起来，并将其分割的膨胀土坡面用改性剂水溶液注入，力求注人深度接近或大于大气影响深度范围，使裸露地表的这一深度范围膨胀土彻底改性，成为正常土，这样就使含水量的变化不至于影响坡面土体，而降水或地下水有外泄的通道，不至于在地表浅层形成胀缩变动带：使土体结构破坏，强度降低，导致边坡变形的产生。同时由于土体抗剪强度的提高和稳定，可提高边坡的稳定性，并可相应提高边坡率，弥补了钳杆框架梁占用土地较多和增加后期工作量等缺陷，同时由于
支撑渗沟采用了混凝土结构，对坡面产生压应力，起到抗滑作用。深入并穿过坡面浅表变动带部分直接分割了滑体并引导地下水排出，减少了地下水在可能存在的结构和构造面范围内的滞留量和滞留时间，从而提高边坡稳定的可靠性。该方案大幅降低了用其他坛工
材料全封闭防护的工程造价、绿化了边坡、简化了施工工序、施工性好、工期短。
4．2 挖方路段路床处理设计
膨胀土挖方段路面破坏主要有三种形式：一是因路面由于半刚性基层及底基层收缩产生的早期反射裂缝间渗水。二是路面使用中后期阶段因疲劳损坏产生的裂缝间渗水。三是因地下水水位变化及大气湿度变化影响导致的路面基床强度下降和膨胀变形。综合以
上影响因素，我们认为膨胀土挖方段路面防护应以排水为主线，并相应结合防水、防大气影响以保持土体不发生于湿循环的思路进行综合考虑。路面结构按有地下水影响的类型设计，即在边沟下设置管式渗沟，渗沟的深度视路面结构层厚度及地下水埋深而定。并在路面结构层底基层下设砂砾垫层与其连通，引导地下水排向路基外，以保证路基的强度和稳定性，路床0．6m范围内应尽量采用透水性材料换填，无合适的填料时应将膨胀土改性处理，原则为处理后的土性满足作为路床的填料要求。路面结构砂砾垫层顶面设一层防渗
