膨脹土地區(qū)路基施工管理重點

摘要：了解膨脹土的工程特性，認識其對路基施工所造成的危害，才能在施工管理中把握住重點，從而保證路基的穩(wěn)定性。

關(guān)鍵詞：膨脹土；工程特性；路基；病害

施工管理膨脹土是一類具有吸水膨脹軟化、失水收縮硬裂的高塑性粘性土，它是在長期自然地質(zhì)歷史作用過程中形成的地質(zhì)體，具有較大脹縮變形能力，即使在一定的負荷作用下，仍然具有脹縮變形能力。膨脹土通常處于非飽和狀態(tài)，由于它遇水膨脹，失水收縮干裂的特殊工程性質(zhì)，使得它“逢塹必滑，無堤不塌”，對工程結(jié)構(gòu)物具有嚴重的破壞作用，特別是對高等級公路路基工程的破壞作用是不可低估的，并且這種破壞往往不易修復(fù)。我國是世界上膨脹土分布面積最廣的國家之一，先后發(fā)現(xiàn)膨脹土危害的省、市、自治區(qū)已達20余個，尤其在北京—西安—成都一線東南的廣大區(qū)域內(nèi)，包括北京、河北、山西、山東、陜西、河南、安徽、江蘇、四川、湖北、湖南、云南、貴州、福建、廣西、廣東等省、市、自治區(qū)的膨脹土分布危害最普遍，也最集中。隨著我國交通事業(yè)的快速發(fā)展，為了保證公路在較長時間內(nèi)路基的穩(wěn)定和路面的平整度，達到安全、舒適行車的目的，必須解決因膨脹土而造成的一系列工程問題。結(jié)合工作實踐，筆者想就膨脹土地區(qū)路基施工中一些突出問題，略談一二。

一、膨脹土的破壞機理

膨脹土主要由強親水性粘土礦物成分——蒙脫石和伊利石組成，是具有吸水膨脹和失水收縮及膨脹結(jié)構(gòu)的高塑性粘性土。按照工程地質(zhì)可分為強膨脹土、中膨脹土和弱膨脹土三類。膨脹土在天然狀態(tài)下常處于較堅硬狀態(tài)，對氣候和水文因素有較強的敏感性，“晴天一把刀，雨天一團糟”、“天晴張大嘴，雨后吐黃水”等就是對膨脹土強度特性和脹縮特性規(guī)律通俗生動的描述，這種敏感性對公路路基工程的破壞常常具有多次反復(fù)性和長期潛在的危險性。美國工程界稱膨脹土為“隱藏的災(zāi)害”。

膨脹土地基脹縮變形特點是動態(tài)變形，即在自然條件下，將自發(fā)地進行著緩慢的、無休止的及不規(guī)則的周期性脹縮變形，這種變形同時還伴隨著脹縮應(yīng)力的發(fā)生。膨脹土地基的脹縮應(yīng)力，包括膨脹壓力（P1）和收縮力（P2）。膨脹壓力是天然狀態(tài)土，在浸水時所產(chǎn)生的最大內(nèi)應(yīng)力，根據(jù)大量實驗資料表明，膨脹壓力與含水量關(guān)系密切，即浸水后所測膨脹壓力的大小，與起始含水量及其變化密切相關(guān)，表現(xiàn)在縮限（W1）和脹限（W2）含水量區(qū)間范圍內(nèi)，即膨脹壓力值隨起始含水量的減少而增大，含水量減少得愈多膨脹壓力就愈大。膨脹應(yīng)力和膨脹應(yīng)變是膨脹勢能的兩種不同表現(xiàn)形式。根據(jù)大量資料表明，在無水條件下，當控制土體變形時，膨脹應(yīng)力顯示最大值，而在允許變形的情況下，膨脹應(yīng)力隕變形量的增大而減小，當變形達到最大值時，膨脹應(yīng)力完全解除。

作為路基的膨脹土微分體的單塊土樣，浸水后，膨脹壓力的作用方向應(yīng)為三維向量。為便于討論，假定膨脹土路基為均質(zhì)土體，地基應(yīng)力為均布荷裁，此時設(shè)膨脹壓力（P1）為零，施工前，膨脹土路基含水量是相對穩(wěn)定的，則膨脹土路基變形有兩種情況：

1.當含水量均勻增加時，膨脹應(yīng)力也相應(yīng)增大，膨脹壓力集中向上，均勻作用在基礎(chǔ)底面上，表現(xiàn)為基礎(chǔ)向上呈線性膨脹。

2.當含水量不均勻增加時，產(chǎn)生膨脹勢差，作用于基底的膨脹壓力與側(cè)向膨脹壓力大小不等，構(gòu)成旋轉(zhuǎn)力矩，使基礎(chǔ)發(fā)生傾斜變形。

在失水條件下，作為微分體的單塊膨脹土樣，呈向心收縮，使體積減小，收縮是膨脹的逆反應(yīng)，也是分子內(nèi)力作用，可用收縮變形間接評定。膨脹土路基收縮變形也有兩種情：

1.當路基土含水量均勻減少時，土體均勻收縮，其結(jié)果是使基礎(chǔ)均勻下沉。

2.當路基土含水量均勻減少時，土體不均勻收縮，使部分基礎(chǔ)懸空，變?yōu)槠暮奢d，產(chǎn)生一定的撓曲變形。

二、常見的膨脹土路基病害

膨脹土地區(qū)的路塹、路堤，常常在各種營力作用下，發(fā)生坡面沖刷、崩落、崩塌、溜坍、滑坡等災(zāi)害：

1．坡面沖刷

坡面沖刷是膨脹土邊坡上的松散風化土，在降水作用下，呈層狀或小溝狀侵蝕。沖刷切割的程度與風化深度相關(guān)。在一些路線上路塹邊坡直接暴露的地方，每次大雨或暴雨后，往往有大量的泥流被帶到坡腳準積，堵塞側(cè)溝，甚至侵入線路。

2．崩落

崩落是暴露于大氣中的膨脹土斜坡，干旱時土中水分不斷蒸發(fā)、干縮開裂、逐漸地碎裂為小棱塊狀，且裂縫不斷向下延伸。這些被裂隙所分割的土塊，在重力作用下產(chǎn)生散落的現(xiàn)象。它常常使坡面破壞，危及路塹邊坡的穩(wěn)定。

3．崩塌

崩塌是發(fā)生在膨脹土網(wǎng)狀裂隙發(fā)育的陡峻邊披上，由于被裂隙所切割的塊狀土體，在失去平衡時而產(chǎn)生的崩落現(xiàn)象。崩落體一般規(guī)模較小，大者可達數(shù)m3。崩塌現(xiàn)象不論在干旱或者降雨季節(jié)均有發(fā)生。由于崩塌的發(fā)生，常使坡面破壞危及建筑物的安全。

4．溜坍

溜坍是膨脹土斜坡在飽水后順坡面呈片狀或碎散狀溜坍的現(xiàn)象。溜坍厚度一般為數(shù)cm至20～30cm，或大于30cm，寬由幾十cm至數(shù)m，或十幾m。溜坍體一般為飽和的泥流，它順坡面而溜滑。若邊坡溜坍進一步發(fā)展擴大，或幾個相鄰的溜坍擴大、加深而相連，可發(fā)展成淺層滑坡。如陽安鐵路線路曾做過的災(zāi)害統(tǒng)計顯示，這一類災(zāi)害多達169處，為6579延長m，占整個膨脹土路提長度的五分之一多。此外，路塹邊坡溜坍也較發(fā)育，由于溜坍的發(fā)生，常造成路堤塌陷，路塹邊坡毀壞，導(dǎo)致鐵路和公路不能正常使用。

5．滑坡

滑坡是膨脹土分布地區(qū)斜坡上經(jīng)常發(fā)生的地質(zhì)災(zāi)害。由于邊坡開挖土體臨空，坡腳支撐或軟弱夾層被切斷，脹縮效應(yīng)與風化作用使邊披土體結(jié)構(gòu)破壞，強度衰減，在水的促滑作用下，使邊坡土體喪失穩(wěn)定平衡，沿一定滑面整體向下位移滑動?；鲁Ｔ谟昙景l(fā)生，與降雨稍有稍后。滑面大多受軟弱面制約，滑體裂縫密布，呈縱長式。有的滑坡從坡腳可一直牽引到達坡頂部，具有很大的破壞性。膨脹土滑坡主要與土的類型及土體結(jié)構(gòu)關(guān)系密切，與邊坡的高度和坡度并無明顯關(guān)系。因此，試圖以放緩邊坡來防治滑坡幾乎是徒勞的，必須采取其他有效防護加固措施。

三、膨脹土地區(qū)路基施工管理重點

膨脹土地區(qū)的路基施工，應(yīng)根據(jù)設(shè)計要求、場地條件和施工季節(jié)，認真做好施工組織設(shè)計，嚴格執(zhí)行施工技術(shù)及施工工藝規(guī)定。在進行基礎(chǔ)施工前應(yīng)完成場區(qū)土方、擋土墻、護坡、防洪溝及排水溝等工程，以保證排水暢通、邊坡穩(wěn)定。

1．路基施工

路基填筑應(yīng)根據(jù)氣候特點施工，旱季施工時，地表土經(jīng)過蒸騰作用后含水量可低至縮限，若在填筑時用灑水的方法，土層表面已成黏糊狀態(tài)，而下層仍較干燥，即使邊灑水邊翻拌，也相當困難，使土難以均勻濕潤，導(dǎo)致碾壓時含水量高的地方出現(xiàn)“彈簧”，水灑不到的地方無法碾壓密實。根據(jù)工程的室內(nèi)試驗及施工實踐，采用天然地表下一定濕度的土，并且在分層填筑時，下面一層完成后，填上面一層之前在下層表面適當灑水，補充水分蒸發(fā)，并使上下層能很好結(jié)合。由于氣溫高，蒸發(fā)量大，壓路機作業(yè)必須跟進，使路基土盡快壓實，這樣可減小土壤水分蒸發(fā)，利于碾壓、密實，碾壓后，緊跟上層土，也減小了下層土裂縫的產(chǎn)生。到了雨季盛期，連日大雨，施工特別困難，施工完全陷于停頓。雨季后期，應(yīng)將潮土晾曬若干天，再進行平整碾壓，否則易產(chǎn)生“彈簧”。雨季施工期間，應(yīng)保證做好路拱，路堤邊的土壤應(yīng)及時刮去，以免阻水，造成路基表面積水和集中水流的沖刷。

2．控制生石灰粉改性膨脹土的施工碾壓含水量標準

灰土混合料的最佳含水量隨生石灰劑量的變化而變化。由于生石灰消解時的吸水，悶料、擊實土樣烘烤過程中化學反應(yīng)需要水，標準擊實得到的最佳含水量比消石灰土小，不能以此作為灰土混合料現(xiàn)場碾壓標準。很多文獻報道，石灰改性膨脹土，應(yīng)在最佳含水量時進行碾壓，這一觀點值得探討。膨脹率隨干密度增加而增加，隨初始含水量的增加而降低，隨垂直壓力增加而減小。膨脹率隨干密度和初始含水量的變化近似呈直線關(guān)系。試驗研究表明，對石灰劑量為4％的灰土制作壓縮和無側(cè)限抗壓強度試件，進行先抽氣飽和（試樣制件后立即抽氣飽和，然后放入水中養(yǎng)護1天、7天和28天）與后抽氣飽和（試樣制備后，在一定溫度下保濕養(yǎng)護至預(yù)定齡期的前一天抽氣飽和）試驗研究，試驗結(jié)果表明：先抽氣飽和試樣的壓縮模量和無側(cè)限抗壓強度比后抽氣飽和的大。當含水率為14％時，7天齡期先抽氣飽和的壓縮模量和無側(cè)限抗壓強度比后抽氣飽和的大1.5倍，而28天齡期的大1.75倍。先抽氣飽和的試樣，由于有足夠的水分參與石灰與土進行的陽離子交換與吸附作用，有利于固化土的膨脹性，提高土的強度和水穩(wěn)定性。

上述試驗證明，合理的碾壓含水量與干密度控制，對提高膨脹土、石灰改性膨脹土路基的強度與水穩(wěn)定性至關(guān)重要。由于灰土膠結(jié)強度的形成，須在水的參加下進行，現(xiàn)場碾壓含水量的控制既要考慮生石灰的消解需水量和擊實過程中水分的散失，又要考慮有利于灰土固化凝聚力的生成和產(chǎn)生最小的干縮與濕脹變化。含水量小時，不利于膠結(jié)強度的形成；含水量大時，易產(chǎn)生大的干縮變形。考慮密實度對路基穩(wěn)定性的影響，一般采用重型擊實標準。在90％和93％區(qū)，壓實含水量控制在比最佳含水量大2.5％～3％；在路床區(qū)，壓實含水量控制在壓實度所要求的干密度對應(yīng)的含水量范圍的上限，這應(yīng)是合理的現(xiàn)場施工工藝和碾壓控制標準。由于表層水分的快速散失是急劇干縮的前提，干縮幾乎不在養(yǎng)生期產(chǎn)生，而是在干燥期。因此，灰土各層要連續(xù)施工；路床碾壓后，養(yǎng)護7天，應(yīng)立刻鋪筑路面底基層。

3．控制路基壓實度對于膨脹土來說，由于其土質(zhì)的特殊性，壓實工作也具有更重要的意義。我國現(xiàn)行規(guī)范單一強調(diào)達到高密實度，而未考慮土質(zhì)特性差異及自然條件變化等因素。國外在土質(zhì)條件好時，力求使路基達到高密實度，但當土質(zhì)較差時，除限制某些土不能用之外，普遍降低密實度要求，視自然條件采用不同的壓實控制指標。即使花了很大代價，按重型擊實標準壓實到規(guī)范規(guī)定的密實度，也不可能保持長久，因為在施工期間或通車以后，膨脹土均可吸水膨脹而使密實度降低，而且壓實度愈高吸水后膨脹變形愈大。國外對修筑膨脹土路基，通常是采用較高含水量、較低密度的原則，即在輕型壓實標準最佳含水量或略高的含水量下壓實到較低的干密度。如美國就控制在比最佳含水量高5％左右的情況下壓實到最佳密實度的88％～93％。國內(nèi)一些公路部門綜合考慮路基的強度要求、壓縮變形、脹縮變形、施工可能等因素，認為壓實含水量的控制應(yīng)以平衡含水量為基礎(chǔ)，建議取最優(yōu)含水量的0.8～0.9倍或稠度為1.1～1.3時的含水量下壓實，壓實度應(yīng)不低于輕型壓實標準的95％。對于濕黏土路基，尤其是膨脹土路基，用單一壓實度指標不能完全起控制作用，應(yīng)增加指標如稠度、飽和度和強度指標等，可限制其不利因素，開發(fā)這種土的可利用性。

總之，對于這樣一種破壞力巨大、影響公路建設(shè)的特殊土質(zhì)，我們在施工時應(yīng)著重從影響其物理力學性質(zhì)變化的內(nèi)在因素和外在因素上考慮，通過改變其工程特性，從而達到保持路基穩(wěn)定性的施工目的。當然每一個工程都有其自身的特點及建設(shè)條件，因此施工管理的重點也應(yīng)有所不同。

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