公路膨脹土路基沉降與邊坡穩定性分析

李二兵

【摘 要】 介紹了膨脹土路基常見的病害和誘發原因，分析膨脹土路基在荷載作用下的沉降特點、沉降規律以及大氣影響深度及工后沉降問題，提出了確定性分析和非確定性分析在路基邊坡穩定性分析中的應用，對邊坡的破壞特征、破壞機理以及風化特點進行簡要介紹。

【關鍵詞】 膨脹土 路基 邊坡 脹縮性

0 引言

膨脹土從宏觀上看具有顏色多樣、自然坡腳、裂隙發育、土體成層性明顯、粒度成分以粘結粒與粉粒為主。微觀結構上決定了膨脹土的強度和滲透性，其粘土礦物顆粒較小，之間沒有形成骨架聯接。物理特性上塑性指數較大，天然含水量低于塑限。膨脹土最主要的特點就是膨脹與收縮性，當含水量增加，體積就會顯著增大，比一般土體的膨脹性要明顯很多，當含水量減小時，其體積就會收縮，出現裂縫，膨脹與收縮具有反復性與不可逆性。

造成膨脹土脹縮性的內因為礦物及化學成分的影響、土結構、土密度以及含水量的影響。外因上為附加荷載、氣候條件、地形地貌、水文條件以及植被面積等。內因起到決定性作用，外因起到影響和制約。

1 膨脹土地區公路路基病害

膨脹土在沒有發生脹縮時強度較高，容易被誤認為良好的路基土，但在表層風化以及濕脹干縮作用下就會發生各種路基病害。膨脹路基常見的病害有：路堤與路塹邊坡失穩、路基波浪形沉降、路基翻漿冒泥、路基渣囊以及路肩縱向開裂與坍塌等一系列病害。

1.1 路堤與路塹邊坡失穩

膨脹土發生濕脹后，其抗剪強度會明顯降低，如果壓實不夠，就會發生塌滑，形成塑狀的局部溜塌，松散體造成的泥石流還會堵塞邊溝和涵洞，淹埋路面，沖毀路基等。病害具有潛伏性、多發生、在若干年后。

1.2 路基波浪形沉陷

膨脹土路基在風化和雨水的作用下會不同程度的造成土體漲縮效應的發生，由于含水量不均勻，形成波浪式的沉降變形，路堤越高，這種變形就越明顯，沉降越大，直接影響行車的舒適性，給交通事故帶來安全隱患。

1.3 路基翻漿冒泥

膨脹土路基如果不能及時的處理，在干濕循環以及車輛荷載作用下，表面會松弛滲水，強度降低，泥化現象嚴重，孔隙水壓力增大將泥土擠入到粒料內，沿著裂縫與伸縮縫冒出，形成翻漿冒泥現象，還可能出現較大的路基沉陷和變形。

1.4 路基渣囊

基層內的粒料會隨著泥化進入到土中，形成渣囊，破壞路面結構，并儲存水分，成為深水通道，進一步加劇泥化現象。

1.5 路肩縱向開裂與坍塌

路肩部位變形要遠大于堤身部位，因為其臨空受到外界作用大，機械碾壓時不容易控制。膨脹土路肩容易發生縱向開裂現象，雖然不會直接影響道路的安全行駛，但如不能及時修復會形成滲水通道，造成路肩的塌陷。

2 膨脹土路基的沉降特性

膨脹土路基的變形一方面為土體自重變形以及荷載作用變形，另一方面為漲縮變形。路基設計中不僅要考慮路基承載力和穩定性，也要要求路基的沉降，特別對于膨脹土路基更為重要，膨脹土路基極易發生不均勻沉降，產生各種病害，影響公路的安全性，所以要特別重視膨脹土路基的沉降問題。

2.1 荷載作用下膨脹土路基的沉降

荷載作用下路基的膨脹土路基的沉降包括瞬時沉降、主固結沉降以及次固結沉降三個部分，瞬時沉降和主固結沉降在施工進程中以及重載汽車反復作用下都會產生，是隨著施工和使用、隨著時間與荷載不斷變化的，次固結沉降由于膨脹土的微觀結構問題非常小，可以忽略不計。

荷載作用下路基土的彈性變形即為瞬時沉降，塑性變形是因為土體排水造成的，為主固結沉降。彈性變形會在卸去荷載后恢復，但塑性變形卻會不斷累加，與受到的行車荷載和頻率有直接關系。主固結沉降具有一定的滯后性，路基的沉降主要受自身荷載的自重影響，一般在竣工時已經產生較大的固結度，而竣工后沉降量則較小。土體中的水分在外荷載影響下不可能及時的排出，土的有效應力不會瞬間增加，所以應力增量引起的主固結沉降具有一定的滯后性。

2.2 膨脹土路基漲縮沉降規律

膨脹土的脹縮變形規定失水收縮引起路基向下沉降為正，吸水膨脹引起路基向上隆起為負，膨脹土隨時間的變化大致可以分為三個階段，勻速急劇膨脹階段、減速膨脹階段以及緩慢膨脹階段。地表水進入到路基后首先是表層土體的浸水，表層土體沉降速度較快，但由于自重應力小，所以膨脹引起的負沉降量較大，上層土的膨脹會降低土的滲透性，所以中下層的浸水速度有所減慢，膨脹速率也變的緩慢，中下層受到上層飽和土體的壓力，負沉降位移因受到限制而減小。

經過干濕循環的膨脹土結構不斷的擾動重塑，形成錯綜復雜的裂隙，破壞路基穩定性，降低路基強度，并會導致路堤和路塹邊坡的失穩，形成的滲水通道，加劇路基的膨脹沉降。膨脹土的脹縮性與受到的干濕循環及擾動重塑次數有很大關系，受到的干濕循環次數越多，其脹縮性越趨于穩定減小，也即是膨脹土路基的破壞多發生在早期，可以通過對膨脹土進行多次的浸水和翻曬，來降低其危害性。

2.3 膨脹土路基工后沉降量問題

膨脹土路基大部分沉降量是在施工期內完成的，但施工完成后在行車荷載的作用下仍然會發生一小部分工后沉降，如果控制不好，導致較大的工后沉降量會引起路面的嚴重變形破壞，威脅交通安全，同時也增加了公路管理和養護費用。我國目前對工后沉降量還沒有做出具體要求，公路設計與施工規范中對工后沉降量也沒有具體的控制標準。

2.4 膨脹土的大氣影響深度

大氣對膨脹土路基的影響主要表現在蒸發上，隨著路基深度的加深，土體濕度會相對較大，不受外界濕度變化的影響，膨脹土的脹縮變形也多發生在大氣影響深度以內，也即是膨脹土的脹縮變形厚度。大氣影響深度還與氣象因素、地質狀況、土層分布、地形地貌、植被狀況等有關。

3 膨脹土路基邊坡穩定性分析endprint

3.1 邊坡穩定性分析方法

確定性分析法，以安全系數為基礎，包括定性分析和定量分析，將所承受荷載值與外力荷載的比值作為安全的判斷標準。定性分析對影響邊坡穩定性的各種因素、破壞機制等進行分析，評價給出可能出現的病害，包括自然歷史分析法、工程類比法以及圖解法。定量分析包括力學驗算和數值分析兩種方法，是對極限平衡理論的進一步完善。

非確定性分析方法，邊坡的穩定性分析具有模糊性和隨機性，非確定分析方法是在定性分析的基礎上，結合現代的混沌理論、隨機理論等發展起來的，運用概率論、灰色理論等知識來進行可靠性分析。

3.2 膨脹土路基邊坡的破壞特征

膨脹土路基的破壞形式有滑坡、剝落、沖蝕、流泥等，其破壞與水的作用有很大關系，其破壞和路基邊坡的形狀、尺寸、膨脹土性質等也有關，不合理的開挖，植物生長及動物活動中也可能造成路基邊坡的破壞。

其破壞機理為路基邊坡在沒有封閉保護的情況下，會在大氣中損失水分，造成坡面形成大小不等的裂紋，隨著時間會擴大為豎向裂縫，進入多雨季節后，裂縫成為滲水通道，土體吸水后發生膨脹，抗剪強度降低，并有較大的側向膨脹力，大大降低了邊坡穩定性。另外水分的滲入也會造成土體內膠結物質的軟化，土體結構破壞，強度散失，不利于邊坡穩定。

膨脹土的風化作用也會對邊坡造成危害，風化包括物理風化、化學風化以及生物風化三種，根據風化程度可以分為表層風化、淺層風化以及深層風化。表層屬于強風化層，淺層風化相對減弱，屬弱風化層，深層土體不受大氣影響基本沒有風化作用，可以認為為原狀土層。

參考文獻：

[1]葛卜塔.膨脹土的物理化學性質及其與工程性能的關系（黃庚祖譯）（原文載于第三屆亞洲土力學和基礎工程會議論文集第一卷）.84-8.

[2]陳善雄，孔令偉，郭愛國.膨脹土工程特性及其石灰改性試驗研究[J].巖土力學，2002，23（增）：9-12.

[3]楊和平，李宇峙，李惠遠.膨脹土公路路基病害及破壞原因分析[J].中南公路工程，1995，（1）：15-17.

[4]錢玉林，卜龍章，胡順洋等.石灰穩定膨脹土的效用及其施工質量控制[J].巖土力學，2002，23（3）：325-328.

[5]李獻民，王永和，肖宏彬等.擊實膨脹土脹縮速度特性的對比研究[J].鐵道學報，2003，25（2）：115-120.

[6]肖榮久.陜南膨脹土及其地質災害研究.西安：陜西科學技術出版社，1995.endprint