市政道路膨脹土路基檢測及對路面結構的影響研究

戴 欣,趙心源，王 萍

（濟南市市政工程設計研究院（集團）有限責任公司，山東 濟南 250101）

0 引言

全世界約40多個國家和地區都含有膨脹土，我國膨脹土主要分布在河南、河北、安徽、湖北、四川、廣西、貴州等地。這種土具有脹縮性、超固結性、裂隙性等特殊工程性質，具有遇水膨脹、失水收縮的特性，很容易引起公路路基的收縮和脹裂，破壞路基的整體強度和穩定性，造成公路的早期破壞，影響行車安全，并會造成很大的經濟損失。主要常見的病害有基床翻漿冒泥、路肩鼓脹、路塹側溝壁擠出等，邊坡淺層滑坍和深層滑動的比率也較大，而且具有漸進性和長期性的特點。膨脹土的往復脹縮變形對道路的結構破壞十分嚴重，且不易修復[1-6]。本文結合山東某市政道路病害檢測，發現路基填料及地基中均含大量膨脹土，且分布不均；通過室內檢測分析，確定了膨脹土類型及力學特性，分析了富水環境作用下膨脹土膨脹變形的特征，揭示了其對半剛性路面結構的破壞機理。本文研究成果的取得對類似工程的設計與施工具有較好的指導和借鑒意義。

1 工程概況

該市政道路2010年9月進場進行路床土方開挖，2011年3—5月進入道路結構層的施工，2011年6月基本竣工放開通行。2011年11月開始，道路逐漸出現道路縱向裂縫、道路波浪起伏、檢查井下沉、雨水收水口下沉、立沿石移位等現象。道路病害發生后，施工單位于2012年6～8月采用路基注漿、設置止水墻等工程措施對兩側快車道進行了整治。然而自2013年4月又逐漸出現道路不均勻變形，不僅表現為沿道路縱向的波浪起伏，在橫向也出現了明顯的橫縱向裂縫及車轍現象。

因此為了探究該道路病害發生機理，對后續道路維修提供科學依據，有必要對路基和地基進行鉆孔勘察、路面結構取芯，并對土樣進行室內測試分析。

2 地質勘察及道路取芯

2.1 勘探范圍及方法

根據道路沉降觀測結果，主要在道路隆起與沉降嚴重部位布置27個點，均為取土孔。取芯分為路床頂面以上（道路結構）和路床頂面以下兩個部分，路床頂面以上部分包括面層、基層、底基層，路床頂面以下部分包括路床頂面下10 cm、50 cm、90 cm、150 cm、200 cm、300 cm、400 cm、500 cm、700 cm、900 cm；地基中取樣間隔1.0 m[7-8]。同時為了更直觀地揭示路面結構層病害特征，采取分層開挖的方式對水泥穩定碎石基層、二灰穩定碎石基層及路床區進行了鉆孔取芯，共開挖9組探坑。

2.2 測試結果

2.2.1 地基土分布情況

地基土為灰白色、灰黃色強風化泥巖、黏土分層疊加分布，厚度變化較大，土層分布不均。泥巖埋藏厚度約在3～5 m，風化嚴重，風化裂隙很發育，大部分風化為碎塊狀，手可掰斷，少量較硬，錘擊即碎。經檢測29組土樣，發現該路段黏土、強風化泥巖具有一定的弱膨脹性，檢測樣本的自由膨脹率一般為0.35～0.46，如圖1和圖2所示。

圖1 地基土

圖2 路基土

2.2.2 路基土情況

根據取芯情況分析，整條路段路床區含水量普遍偏高，填料中含有厚度不等的強風化泥灰巖風化料。路基土含水率普遍高于最優含水率2%～6%，局部路段壓實度不足，K值介于92%～97%。

2.2.3 路面結構情況

根據現場取芯（包括26組面層、水穩基層、二灰穩定碎石基層，共計78個試樣）情況分析，重新加鋪后的瀝青面層成型相對較好，共取出5組完整芯樣。如圖3所示，水穩基層破碎嚴重，未能取出完整芯樣，多數發生自下而上的反射裂縫。如圖4所示，二灰基層濕度較大，松散嚴重，無法成型。

圖3 水泥穩定碎石基層破損情況

圖4 二灰穩定碎石基層破損情況

2.3 道路水環境調查

經檢測分析，用作路基填料的強風化泥灰巖具有弱膨脹性，該類土若防水措施不當，極易引發路基膨脹變形，造成路面結構因底部臌脹而發生破壞[9-11]。因此開展了道路水環境調查。

如圖5所示，該道路排水設計呈W形，快車道匯水集中；道路紅線外綠化帶寬、標高高于快車道，且未見設置截水溝，該區域降水亦匯至快車道，一旦出現淤塞即容易發生道路積水，積水將通過立沿石側壁等途徑入滲至路面結構層內；中央綠化帶未做有效防水措施，灌溉水會入滲至路面結構層內。這些原因都可能會造成二灰基層及路基含水量增大，從而引起結構層水損壞及路床區壓實風化料的膨脹變形，造成路面鼓脹、雨水井井壁豎向拉裂。

圖5 客水來源及排水設施破損情況調查

為了更進一步揭示路基土膨脹變形對路面結構的影響，本文重點針對膨脹土的特殊力學特性進行了檢測分析，開展了土體自由膨脹率、膨脹力、有荷載膨脹量等試驗。

3 膨脹土物理力學試驗

3.1 無荷載條件下土體膨脹量試驗

為了分析路基土遇水膨脹性，在擊實筒中進行壓實填土，壓實度分別按照85%、90%、95%控制，并將含水量按照2%的增長比例進行注水試驗，測試土體表面變形量。

如圖6和表1所示，強風化泥灰巖遇水后發生了明顯的膨脹變形，壓實度越高、含水量越大，膨脹變形量越大。同時，膨脹量與時間還存在著密切關系，即在同樣的含水量條件下，隨著時間的延長，膨脹量會進一步增大。這表明，路床區頂部膨脹性土壓實度最高，對路面結構的破損貢獻率應最大。

圖6 土體遇水膨脹試驗

表1 強風化泥灰巖遇水變形膨脹率試驗結果

3.2 有荷載條件下土體膨脹量試驗

為模擬不同覆蓋壓力條件下壓實土體有側限膨脹量，設計了有荷載膨脹量試驗。對強風化泥灰巖進行壓實，壓實度控制在95%，初始含水率控制在17%，最大干密度為1.85 g/cm3。

如圖7所示，在上覆荷載作用下，土體遇水產生一定膨脹量，隨上覆荷載的增大，膨脹量降低，說明增加上覆荷載可以起到減小膨脹變形的作用。

3.3 壓實土體膨脹力試驗

為了分析加鋪路面結構的效果，有必要確定壓實土的膨脹力值。對強風化泥灰巖進行了壓實，壓實度控制為85%、90%、95%，分析其遇水后的膨脹力。

圖7 有荷載膨脹量試驗結果

由圖8和表2可知，路床區的土體膨脹力明顯大于下部路堤和地基土膨脹力，且其值達到300 kPa以上，該值相當于1.3～1.5 m的路面結構自重，但現狀路面結構厚度為80 cm，因此不能抑制路基膨脹變形。

圖8 土體膨脹力試驗

表2 土體膨脹力試驗結果

4 膨脹土路基變形對半剛性路面結構受力特性及變形的影響

為揭示膨脹土遇水后產生的膨脹力對道路結構受力特性的影響，使用BISAR程序進行力學分析。

4.1 計算參數選取

參數取值見表3。

表3 道路結構層計算參數取值表

4.2 不同膨脹力對路面結構穩定性的影響

由圖9可知，二灰穩定碎石基層彎拉應力與膨脹力及二灰基層強度均有顯著的線性關系，膨脹力越大，基層彎拉應力越大，且遠大于二灰基層容許彎拉應力；基層模量越高，彎拉應力值越大，容易發生基層的彎拉破壞。當結構層發生結構性破壞后，路表水極易下滲至基層中，同時疊加行車動荷載作用，引發道路結構發生嚴重的水損壞，造成基層細集料被動水壓力沖走，結構發生松散。

圖9 不同二灰穩定碎石基層強度條件下膨脹力與彎拉應力關系

4.3 不同膨脹力對路基變形的影響

由圖10可知，隨著路基土膨脹力的增大，路表位移近似呈線性關系增長，膨脹力從0.1 MPa增加到0.5 MPa，其位移增幅為500%，從而揭示出該道路膨脹不均勻變形嚴重的發生機理。

圖10 路基土膨脹力-路表位移關系

5 結語

本文結合某市政道路病害檢測，研究了膨脹土力學特性，分析了膨脹土路基浸水后對路面結構及道路變形的影響機理。根據研究成果，提出如下結論：

（1）土體膨脹量與土體壓實度、含水率和時間有關。一般來說，含水率相同時，壓實度越大，膨脹變形量越大；壓實度相同時，含水率越大，膨脹變形越大；在同樣的含水率條件下，隨著時間的延長，膨脹量會進一步增大。

（2）根據有荷載膨脹量試驗可知，膨脹量與上覆荷載有關。隨上覆荷載的增大，膨脹量有所降低。測試表明，該類膨脹土的膨脹力隨壓實度變化較大，路床區土體膨脹力高達300 kPa以上，因此對于該類弱膨脹性土，若通過增厚路面層厚度控制膨脹變形較難實現。

（3）路床膨脹力與路面結構受力基本呈線性正相關關系，隨著膨脹力的增大，路面結構受力相應增大。對于本工程對應膨脹力，基層極易發生結構性破壞。

（4）隨著路基土膨脹力的增大，路表位移近似呈線性關系增長。因路基填料膨脹土分布不均，計算表明，膨脹力從0.1 MPa增加到0.5 MPa，其位移增幅可達500%，從而揭示出該道路膨脹不均勻變形嚴重的發生機理。

（5）外界水入滲是造成膨脹病害發生的直接誘因，其作用機理分為三個階段：浸入路基引發土體膨脹、入滲至路面結構層內引發動水壓力加速道路破損、造成排水設施損壞引發路基及基層灌入大量雨水。

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