高速公路膨脹土路基處理的探討

吳　磷

[摘要]膨脹土路基問題已成為一個公路建設無法回避的問題，對膨脹土的物理力學進行分析，解釋路基病害形成的機理，提出設計的原則。

[關鍵詞]膨脹土 邊坡失穩 路基處理

中圖分類號：TU4 文獻標識碼：A 文章編號：1671－7597（2009）0720081－01

膨脹土在日本被稱為“難對付的土”，在美國被稱為“問題多的土”，它是一種高塑性土，土中粘粒含量一般>30%，且粘粒成分主要由親水礦物蒙脫石和伊利石組成，具有顯著的吸水膨脹和失水收縮變形特點。膨脹土在我國貴州、云南、廣西、河北、湖南、湖北、安徽、江蘇等省地分布廣泛，在這種地區修建工程，出現了一系列的問題或事故，逐漸引起人們的重視和研究，在20世紀50～70年代國際上研究膨脹土曾一度形成熱潮，我國最早的研究是從20世紀60年代，起因是為解決膨脹土地區房屋開裂和倒塌，主要研究膨脹土的鑒別、測試技術等，并制定相關的規程規范，研究的理論偏重于膨脹土的變形問題，也涉及其他問題，如膨脹土的填筑標準等。20世紀70～80年代，鐵路部門針對當時中西部地區若干條新建鐵路的邊坡失穩問題，花了大量的研究經費進行了“裂土基本特性及其在路堤、路塹、邊坡工程中的應用技術條件研究”，對裂土（即膨脹土）的基本性質、測試方法、判別標準、填土的填筑條件以及處理措施等進行了多方面的試驗研究，獲得了許多有用的成果。到20世紀90年代始，中國開始大規模興建高等級公路，膨脹土路基問題已成為一個公路建設無法回避的問題。

一、膨脹土路基的病害及其形成機理

在膨脹土路段修筑高速公路，常見的病害總結歸納為兩大類：（1）挖方邊坡的邊坡失穩；（2）填方路段的路基變形。

（一）膨脹土的邊坡失穩

1．膨脹土的特性。膨脹土具有一般粘性土所沒有的特殊性質，通常把這些特殊性質歸結為“三性”，即脹縮性、裂隙性和超固結性。膨脹土的脹縮性是指膨脹土吸水膨脹，當膨脹受阻，產生膨脹力；失水體積收縮，造成土體開裂。脹縮性與土體的蒙脫石含量呈正比，也與土的初始含水量有關系，當初始含水量越低，膨脹量和膨脹力越大。膨脹土分布較多的裂隙，主要可分為垂直裂隙、水平裂隙和斜交裂隙三種類型，這些裂隙將土體層層分割成具有一定幾何形態的塊體，破壞了土體的完整性。膨脹土大多具有超固結性，天然空隙較小，干密度大，初始結構強度較高，當路基開挖后，將產生土體固結應力釋放，邊坡與路基面出現卸荷膨脹，常在坡腳形成應力集中區和較大的塑性區，使邊坡容易破壞。膨脹土的這三種特性是相互關聯的，脹縮性是由于土的粘土礦物成分、膠結物質成分和結構特征而造成的遇水膨脹、失水收縮的特性，屬于“內因”。由于膨脹軟化或收縮開裂而導致土的體積和狀態的變化，從而使土開裂，故脹縮性是引起裂隙性的主要原因之一。但裂隙性對土體的強度影響極大，因為裂隙不僅破壞了膨脹土的整體性，而且裂隙為雨水的滲入開了“方便之門”，使水分快速進入土體中，使在裂隙周邊的土體迅速軟化，并逐漸向周圍擴展，同時負孔隙壓力（吸力）也迅速降低，由此大大地降低了土的抗剪強度，使土體容易沿薄弱結構面滑動，因此裂隙性是影響土坡穩定性的關鍵因素。至于超固結性是由于土層的沉積受荷歷史、年代和土體干燥與陳化等因素引起的，它會促進裂隙的發展和土體軟化特性的加劇，因此是一個促進膨脹土特殊性質的因素。鑒此，可以認為，裂隙性是影響膨脹土力學性質和邊坡穩定性的關鍵因素，脹縮性是內在因素，超固結性是促進因素，三者互有聯系但不是并立的。

2．邊坡失穩的特征。膨脹土邊坡失穩有幾個明顯的特征：（1）滑動往往在持續降雨的情況下發生；（2）多數屬淺層滑動；（3）有不少滑坡是漸進式的或牽引式的；（4）在相當平緩的邊坡上也會發生。有試驗資料表明，當膨脹土經過雨水浸泡2d以后（有時會到4～6d），土的表層的吸力（負孔壓）開始急劇降低，甚至達到零或小量正孔壓，但其影響深度僅為210m左右。這是因為降雨前土體受氣候等影響，在115～210m深度內，發育了密集而又有一定開度的裂隙。這時的入滲情況與降雨初期的入滲情況有根本的區別，因此繼續入滲深度極其有限，一旦雨停后，入滲即刻停止，土中的水分繼續向周圍擴散，土中的負孔壓又會再次出現和發展。含水量的變化規律基本與此相同。

土體的吸水膨脹帶來兩方面的問題：（1）降低了土中的負孔壓（吸力），使有效應力降低；（2）土體因膨脹而軟化，使土的抗剪強度指標降低（尤其是C值）。這兩者都削弱了土的抗剪強度從而使邊坡失穩。但這種情況只發生115～210m左右的深度內，以下的土層影響較小，它們的抗剪強度也基本保持在原來非飽和狀態時的值，這就是膨脹土邊坡常常出現淺層滑坡的主要原因。降雨初期，水平位移主要沿順坡向發展，沿橫坡向的較小，這與順坡向壓應力有關。其次，坡面下部的水平位移比坡面上部的大得多。這預示著如果邊坡失穩，則滑坡可能先從下部發生，然后逐步向上牽引式發展。

（二）膨脹土的路基變形

在膨脹土路段填筑路基，常發生的路基變形表現在地基的變形和路基沉陷。

1．地基的變形。在膨脹土路段填筑路基，往往施工時，地土未處于飽和狀態，當地下水位升高或地表水下滲，由于膨脹土的脹縮性，加上路基自身和汽車荷載的綜合作用，致使地基土隆起，產生不均勻變形。

2．路基的沉陷。當采用未處治的膨脹土填筑路基后，裸露的土體受到大氣物理風化作用，致使土體含水量發生變化，在膨脹土的脹縮作用下，產生附加應力，當受到周邊土體約束時，應力聚集，達到土體極限平衡狀態應力時，土體結構發生破壞，整體強度下降，產生路基沉陷。

在工程實踐中，膨脹土的路基變形較邊坡失穩易于處治。

二、膨脹土路基設計原則

通過以上分析來看，膨脹土路基設計應該考慮以下幾點：

1．保濕設計。要確保膨脹土的含水量在施工前后變化不大，還要根據膨脹土的特性保證膨脹土處于穩定的含水量狀態。

2．防排水設計。不僅要加強地面排水，也要加強地下排水。

3．加固坡腳設計。由以上分析可知，膨脹土邊坡失穩最先發生在坡腳，對膨脹土的坡腳應設置必要的支擋防護。

4．膨脹土路床應進行換填處理。處理深度應大于當地大氣影響深度。

早期公路、鐵路在處理膨脹土挖方邊坡時，均采用全斷面圬工防護，雖然使用效果較好，但路容較差，不符合新的設計理念。最近幾年，高速公路探索著采用工程加植物的治理措施，已取得了不少的成功實例。

參考文獻：

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